Исследование точности современных методов измерения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 52.08:528.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

Иван Сергеевич Камнев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, тел. (983)311-66-49, e-mail: kamneviv@mail.ru

Владимир Адольфович Середович

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, профессор, проректор по научной и инновационной деятельности, тел. (383)343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru

В статье рассмотрены современные методы выполнения измерений параметров сложных геометрических форм и исследование точности этих методов. Сделан вывод о возможности применения фотограмметрического метода в промышленной области.

Ключевые слова: создание трехмерных моделей, лазерное сканирование, фотограмметрия, исследование точности.

INVESTIGATION OF ACCURACY OF MODERN METHOD OF METERING

Ivan S. Kamnev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., PG student, tel. (983)311-66-49, e-mail: kamneviv@mail.ru

Vladimir A. Seredovich

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk,

10 Plakhotnogo St., professor, vice rector for scientific and innovative, tel. (383)343-39-57, e-mail: v.seredovich@list.ru

These paper modern methods of metering the parameters of complex geometric forms and investigation of accuracy of these methods considered. The conclusion about the possibility of application photogrammetric method in an industrial area.

Key words: creation 3D models, laser scanning, photogrammetry, investigation of accuracy.

В промышленности постоянно возникает задача в выполнении простейших измерений размеров деталей. Для этого чаще всего применяется штангенциркуль, позволяющий выполнять измерения с погрешностью 0.1 мм. Однако данный инструмент не позволяет выполнять измерения криволинейных участков, больших интервалов, а также труднодоступных элементов.

В данной статье рассмотрены два альтернативных метода проведения натурных измерений.

Одним из современных методов измерения является лазерное сканирование. Этот метод дает возможность построения трехмерной модели, по которой с высокой точностью можно осуществить измерение любых параметров элемента.

В качестве второго способа осуществления измерений в данной статье предложен фотограмметрический метод. На сегодняшний момент значительно увеличилась мощность ЭВМ, что дало нам возможность обрабатывать снимки и получать по ним облака точек и модели.

По полученным трехмерным моделям одним и другим способом, можно проводить не только измерения линейных параметров, но и любых криволинейных.

В предложенной статье проведено исследование точности лазерного сканирования и измерения фотограмметрическим методом.

Для исследования были взяты три фигуры различной формы и цвета. Первая фигура представляла из себя кубическую, покрашенную в желтый цвет, коробку с металлическими элементами. Данная коробка показана на рис. 1.

Рис. 1

Вторым предметом выступил деревянный угол с тремя плоскостями, с цилиндрической подставкой, покрашенный в белый цвет. Угол, взятый для исследования представлен на рис. 2.

Рис. 2

За третью форму был взят алюминиевый винт-переходник цилиндрической формы, показанный на рис. 3.

Рис. 3

Выбранные фигуры были отсканированы лазерным 3D сканером Konica Minolta VI-9i. Полученные сканы были обработанные в программном продукте (ПП) Rapidform XOR3 64 SP1.

Далее предметы использованные для исследовании были сфотографированы цифровой зеркальной камерой Canon EOS 1100D. Калибровочные параметры камеры представлены в табл. 1. Разрешение снимков было принято за 3264 х 2448, а пикселей за 0.000126 х 0.000126.

Таблица 1

Параметры камеры Окончательное значение(мм) Стандартные ошибки (мм)

C 4.15000000 1.000e-003

XP -0.0007587 1.000e-003

YP -0.00075877 1.000e-003

K1 -3.198423809e-017 1.000e-003

K2 4.192814225e-018 1.000e-003

K3 6.710162143e-020 1.000e-003

K4 -1.368448766e-020 1.000e-003

P1 -4.820268634e-018 1.000e-003

P2 -4.697988661e-018 1.000e-003

B1 -7.470044261e-018 1.000e-003

B2 7.799475618e-018 1.000e-003

Полученные снимки были обработаны в ПП Agisoft PhotoScan. В результате обработки получено облако точек по которому построена 3D модель.

Для масштабирования облака точек на поверхности, на которой располагались выбранные предметы, закреплялась рулетка в соответствии которой присваивались точка отсчета и координаты по оси Х.

По построенным моделям сканирования и фотографирования были проведены измерения параметров фигур. Также были проведены измерения тех же параметров при помощи штангенциркуля, которые в дальнейшем были приняты за истинные. Измерения проведенные по трехмерным моделям полученных из результатов сканирования и фотографирования имеют отклонения от реальных размеров, полученных при помощи штангенциркуля.

В табл. 2 представлены отклонения измерений проведенных по трехмерным моделям, полученных методами лазерного сканирования и фотограмметрии, от реальных параметров.

Таблица 2

Коробка Угол Винт-переходник

№ Сканер Фото Сканер Фото Сканер Фото

1 0,7931 1,158 1,0025 1,675 0,0087 -

2 1,0662 2,846 0,2901 2,777 0,1968 7,316

3 0,5994 1,185 0,4445 1,9 0,0942 -

4 0,1808 1,812 0,2214 1,681 0,0544 -

5 0,89823 1,099 0,209 0,288 0,019 3,612

6 0,5459 1,065 -0,2139 0,847

7 0,5393 1,62 -0,0906 1,297

№ Сканер Фото Сканер Фото Сканер Фото

8 1,236 1,303 0,7455 0,551

9 0,4487 0,908 0,0011 0,134

10 0,1681 0,134 -1,1025 1,574

11 0,9815 0,817

12 0,3967 0,789

Макс 1,236 2,846 1,0025 2,777 0,1968 7,316

Мин 0,1681 0,134 0,0011 0,134 0,0087 3,612

СКП 0,654 1,228 0,151 1,2724 0,07462 5,464

Общее СКП 0,293 1,2502

Графики отклонений, в десятых долях миллиметра, отдельно по каждому объекту: коробка, угол и винт-переходник представлены соответственно на рис. 4, 5 и 6.

Отклонения

3 2.5 2 1.5 1

0.5 0

J_.ll.!

1 2 3 4 "§кане8 ■фто 8 9 10 11 12

Рис. 4

Отклонения

|| .1 .1 .1 - .1 I и . I

123456789 |ю

сканер фото

Рис. 5

Отклонения

I

сканер фото

Рис. 6

По вышеизложенному можно сделать вывод, что создание трехмерных моделей металлических объектов фотограмметрическим методом выполнять не рекомендуется, так как эти модели несут не полную информацию в отличии от моделей полученных при помощи лазерного сканирования. Модели винта-переходника полученные по данным лазерного сканирования и фотографирования соответственно представлены на рисунках 7 и 8.

Рис. 7

Рис. 8

2

1

0

1

2

1

2

3

4

5

Среднеквадратическая погрешность фотограмметрического метода по всем объектам, приведенная в табл. 2, подсчитана без учета измерений модели винта-переходника.

Результаты исследования показали, что модели, полученные при помощи лазерного сканирования, несут более полную информацию об объектах, чем модели, полученные по результатам фотографирования. Однако время на сканирование объектов и уравнивание сканерных данных затрачивается больше, чем при использовании фотограмметрии. Учитывая стоимость использованных при исследовании приборов можно сделать вывод, что если не требуется субмиллиметровая точность, то использование фотоаппарата является предпочтительнее использования дорогостоящего сканера.

© И. С. Камнев, В. А. Середович, 2016