Tính toán thiết kế cụm cảm biến

6. Phương pháp nghiên cứu

3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến

Xét trường hợp chỉ tính đến cầu sai (k2,3,4,5 = 0) khi đó:

{ 𝜕𝑥(𝑑) 𝜕𝑘1 = 𝑟2𝑥(𝑛) 𝜕𝑥(𝑑) 𝜕𝑥(𝑛) = 2𝑘1(𝑥(𝑛))2 + 1 + 𝑘1𝑟2 𝜕𝑥(𝑑) 𝜕𝑦(𝑛) = 2𝑘1𝑥(𝑛)𝑦(𝑛) ⁡;⁡⁡ { 𝜕𝑦(𝑑) 𝜕𝑘1 = 𝑟2𝑦(𝑛) 𝜕𝑦(𝑑) 𝜕𝑥(𝑛) = 2𝑘1𝑥(𝑛)𝑦(𝑛) 𝜕𝑦(𝑑) 𝜕𝑦(𝑛) = 2𝑘1(𝑦(𝑛))2+ 1 + 𝑘1𝑟2 (3.45)

Từ các công thức 3.43; 3.44; 3.45 xác định được ảnh hưởng quang sai đến độ chính xác điểm đo theo:

𝜎𝑥(𝑛)2≈[(2𝑘1(𝑦 (𝑛))2+ 1 + 𝑘1𝑟2)2𝜎𝑥(𝑑)2+ (2𝑘1𝑥(𝑛)𝑦(𝑛))2𝜎𝑦(𝑑)2+ ((1 + 𝑘1𝑟2)𝑟2𝑥(𝑛))2𝜎𝑘12] ((1 + 𝑘1𝑟2)(1 + 3𝑘1𝑟2))2 (3.46) 𝜎𝑦(𝑛)2≈[(2𝑘1𝑥 (𝑛)𝑦(𝑛))2𝜎𝑥(𝑑)2+ (2𝑘1(𝑥(𝑛))2+ 1 + 𝑘1𝑟2)2𝜎𝑦(𝑑)2+ ((1 + 𝑘1𝑟2)𝑟2𝑦(𝑛))2𝜎𝑘12] ((1 + 𝑘1𝑟2)(1 + 3𝑘1𝑟2))2 (3.47)

3.4. Áp dụng tính toán cho thiết bị thực nghiệm STL – 1

3.4.1. Tính toán thiết kế cụm cảm biến

Qua việc phân tích ở mục 1.2.3, đối với các thiết bị đo sử dụng ánh sáng cấu trúc, các máy chiếu DLP có nhiều ưu điểm nổi trội và đáp ứng tốt hơn máy chiếu công nghệ CCD. Để thiết kế thiết bị đo biên dạng sử dụng ánh sáng cấu trúc chọn máy chiếu Model InFocus IN114A. Đây là máy chiếu có chất lượng khá tốt và giá thành rẻ phù hợp điều kiện nghiên cứu chế tạo tại Việt Nam. Đặc tính kĩ thuật của máy chiếu Model InFocus IN114A được mô tả như bảng 1 (phần phụ lục).

Với góc mở αP= 36o (khoảng cách chiếu 1,2 m cho kích thước ảnh 78 cm), với mục tiêu đo các chi tiết có kích thước bao 200x 200x200 mm (a= 200 mm).

Xác định được: l = a/2. cotg (αP/2)= 200/2. cotg (36/2) = 307, 8 mm.

Chọn l = 350 (mm). Khi đó khoảng dịch chuyển tối ưu của cảm biến h = 350+ 100 = 450 (mm). Chọn h = 500 (mm).

Lựa chọn camera dùng trong thiết bị có model DFK 41BU02 của hãng Imaging Source, CHLB Đức. Đây là camera công nghiệp có độ ổn định cao khi làm việc và được hãng hỗ trợ các công cụ lập trình trong matlab cho phép điều khiển từ máy tính. Thông số cụ thể được trình bày như bảng 2 phụ lục.

hệ quang tới bề mặt quét là √2h = 707,1 mm. Chọn khoảng cách là 700 mm. Với cách bố trí trục quang của máy chiếu và camera tạo với nhau góc θ = 15o.

d = (a+ h1). tan(150)= 241,15 mm. Lấy d = 240 mm ta có khoảng cách từ tâm hệ quang camera tới mặt phẳng vật là l1 = d/sin(150) = 927,3 mm.

Hình 3.22 Sơ đồ bố trí camera và máy chiếu

Lựa chọn ống kính cho camera.

Vùng quan sát theo yêu cầu bài toán có đường kính tính theo đường chéo hình lập phương cạnh a = 200 mm. Tương đương độ cao đối tượng đo là:

Z = a √3 = 346,4 mm lấy z = 350 mm. Khoảng cách l1 = 927,3 mm

Với camera DFK 41BU02 có cảm biến CCC 1/2” xác định tiêu cự ống kính theo chiều cao CCD ta có tiêu cự:

𝑓⁡ =927,3⁡ × ⁡4,8

350⁡ + 4,8 = 12,55⁡(𝑚𝑚)

Tiêu cự ống kính chọn cần nhỏ hơn tiêu cự tính toán do đó chọn ống kính H1214 – M(KP) cho định dạng 1/2” và tiêu cự 12 (chỉ tiêu kỹ thuật ống kính H1214 –M (KP) được trình bày trong phụ lục).

Như vậy, với ống kính H1214 –M (KP) có khoảng cách gần nhất quan sát được MOD là 25 mm. Do ống kính là dạng Cmount và camera là CS mount do đó xác định được vòng nối giữa ống kính và camera có chiều dày 5mm.

Kết cấu cơ khí của thiết bị được tính toán, thiết kế theo bản vẽ đính kèm trong phụ lục 5.

l1 = 927. 3

3.4.2. Xác định cấu hình hệ thống điều khiển

Trong quá trình thực hiện phép đo thiết bị cần hệ thống điều khiển đảm bảo quá trình đo tự động. Hình 3.23 thể hiện sơ đồ khối nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển cho thiết bị đo. Máy tính điều khiển quá trình chiếu và chụp ảnh của cụm cảm biến, vị trí đo của chi tiết cũng như cảm biến được điều khiển từ máy tính thông qua bảng mạch vi xử lý Pickit 16F877A, bo mạch xử lý này điều khiển các driver 2H504 tác động lên các động cơ dẫn động cho thiết bị đo.

3.4.3. Xây dựng thuật toán điều khiển

Hình 3.24 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ

Trong quá trình hoạt động của thiết bị để tiến hành thao tác đo, hệ thống điều khiển cần đáp ứng điều khiển các động cơ hoạt động đưa cụm đầu đo và bàn gá chi tiết đo vào vị trí xác lập. Tùy theo yêu cầu và biên dạng vật cần đo, xác định số vị trí tiến hành thao tác quét ánh sáng cấu trúc. Với mỗi vị trí tiến hành chiếu các mẫu sáng cấu trúc và chụp lại

Kết thúc Dir H← 1 Đ Đ S S Đ Bắt đầu Chọn động cơ hoạt động camera RD1 Dir H← 1 n1←Xung H Động cơ 1 Xung H; Dir H RD1 ←0 RD0←1; Delay (500) RD0←0; Delay_us (500) Chọn thư mục để xử lý Động cơ 2 Xung R; Dir R Đ RD7 =1 Dir R← 1 n1←Xung R RD7 ←0 Dir R← 1 RD0←1; Delay (500) RD0←0; Delay_us (500) Đ Đ S S S S

bằng hệ thống camera. Có thể quét chi tiết ở nhiều góc nhìn khác nhau bằng việc điều khiển tự động động cơ 2. Thông thường có thể chụp từ 3 – 6 vị trí, với dữ liệu thu được của mỗi vị trí có thể tiến hành ghép dữ liệu để xây dựng biên dạng vật đầy đủ nhất có thể. Thuật toán điều khiển các động cơ được trình bày như hình 3.24.

3.5. Kết luận chương 3

Trong chương 3 đã nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề như:

Xác lập cơ sở cho việc tính toán và chế tạo thiết bị đo thực nghiệm. Đi sâu vào bài toán thiết kế, lựa chọn hệ camera và máy chiếu thỏa mãn yêu cầu bài toán đặt ra về phạm vi đo và độ phân giải hệ thống: là cơ sở cho việc tính toán thiết kế lựa chọn cấu hình của một thiết bị đo biên dạng 3D sử dụng phương pháp ánh sáng cấu trúc.

Xây dựng hệ thống điều khiển phục vụ quá trình đo đảm bảo có thể đo được toàn bộ chi tiết. Xây dựng các thuật toán xử lý xác định tọa độ điểm đo. Các giải thuật và lưu đồ thuật toán thể hiện quá trình thực hiện một phép đo cho phép người sử dụng có thể tùy chỉnh phù hợp với yêu cầu đối tượng đo.

 Xây dựng thuật toán hiệu chuẩn cho thiết bị. Nghiên cứu đánh giá đảm bảo độ chính xác và độ phân giải cho thiết bị đo. Với các thiết bị đo quá trình hiệu chuẩn là rất cần thiết, để đảm bảo độ chính xác cần hiệu chỉnh trong mỗi lần đo, phương pháp hiệu chuẩn đơn giản chính xác góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị đo. Ngoài ra có thể xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo như bản thân thiết bị đo cũng như điều kiện đo đem lại.

CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Thiết bị đo được chế tạo vừa là mục đích vừa là phương tiện kiểm chứng phương pháp đo. Để có thể đánh giá kết quả nghiên cứu về phương pháp đo, kỹ thuật đo và công nghệ đo sử dụng phương pháp dịch pha dạng sin kết hợp mã hóa Gray làm cơ sở gỡ pha cần các nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị đo chế tạo được. Chương này trình bày các kết quả chế tạo thiết bị trong mục 4.1. Kiểm chứng các thuật toán trong chương 3 và quá trình hiệu chuẩn thiết bị trong mục 4.2 và 4.3. Mục 4.4 xác định độ chính xác thiết bị chế tạo được thông qua đo mẫu cầu và trụ chuẩn. Mục 4.5 là kết quả đo quét một số dạng chi tiết 3D và những kết luận về phương pháp và thiết bị đo trong mục 4.6.

4.1. Xây dựng thiết bị đo biên dạng 3D STL - 1

Để kiểm chứng các nội dung và kết quả nghiên cứu trong chương 2 &3, cần chế tạo một thiết bị đo thực nghiệm. Với các kết quả tính toán thiết kế trên mục 3.5 kết hợp với phần mềm được viết dựa trên các giải thuật mục 3.3 chế tạo được thiết bị STL - 1 như hình 4.1.

Hình 4.1 Thiết bị đo biên dạng chi tiết máy STL - 1

Thiết bị thực nghiệm STL – 1 có khả năng đo biên dạng 3D các chi tiết có kích thước 200x200x200mm, quá trình đo được điều khiển tự động, các bộ phận cấu tạo chính bao gồm:

Cụm cảm biến Bàn gá đặt

chi tiết đo

Cụm dịch chuyển thẳng đứng Tủ điều khiển thiết bị Cụm dịch chuyển bàn đo

 Cụm cảm biến: gồm một máy chiếu sử dụng công nghệ DLP số hiệu IN114A của hãng Infocus và một camera thu ảnh DFK- 41BU02 của hãng ImagingSource (CHLB Đức). Camera DFK- 41BU02 là loại camera công nghiệp có độ ổn định cao khi làm việc và được hãng hỗ trợ các công cụ lập trình trong matlab cho phép điều khiển các thông số: thời gian phơi sáng, độ mịn ảnh, độ tương phản….từ máy tính.

 Cụm dịch chuyển thẳng đứng: để điều khiển dịch chuyển lên xuống của cụm đầu đo thiết bị sử dụng hệ thống vít me – bi, độ chính xác dịch chuyển được đo bởi thước đo dịch chuyển thẳng có độ phân giải 0,001 mm. Khoảng dịch chuyển thẳng đứng 400mm, tải trọng của cụm cảm biến 5kg.

 Bàn gá đặt chi tiết đo: bàn gá có kích thước đường kính 400mm, được thiết kế có khả năng đo tối đa các mặt trên chi tiết đo với hai chuyển động chính là quay tròn và lắc ngang trên mặt phẳng chứa vật.

 Tủ điều khiển thiết bị: hệ thống điện điều khiển thiết bị được đặt trong tủ điều khiển thiết bị bao gồm nguồn điện cung cấp cho thiết bị, bo mạch Pickit 16F877A kết nối điều khiển từ máy tính xuống các driver điều khiển động cơ, ba bộ driver 2H504 thực hiện điều khiển các động cơ cho dịch chuyển lên xuống của cụm cảm biến, quay tròn của bàn gá chi tiết đo và động cơ tạo chuyển động lắc của bàn đo. Hệ thống mạch điều khiển của thiết bị được chế tạo như hình 4.2.

Hình 4.2 Hệ thống điều khiển cho thiết bị đo

Bo mạch

Pickit 16F877A Driver 2H504

Nguồn điện cung cấp

Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo

Để thiết bị hoạt động cần phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu đo: Phần mềm điều khiển chuyển động đo được viết trên ngôn ngữ lập trình C và được nạp trên chíp vi xử lý Pic 16F877A, bo mạch vi xử lý được kết nối điều khiển với máy tính và các driver điều khiển động cơ. Phần mềm điều khiển quá trình đo và xử lý dữ liệu đo trên máy tính được viết trên ngôn ngữ Matlab. Chức năng chính của phần mềm này là điều khiển quá trình chiếu vân cho máy chiếu, điều khiển quá trình chụp ảnh của camera, tạo các vân chiếu mẫu, xử lý ảnh thu được từ camera trong quá trình hiệu chuẩn và xử lý tính toán xây dựng đám mây điểm đo. Giao diện phần mềm và xử lý dữ liệu như trên hình 4.3.

4.2. Tạo mẫu ảnh chiếu

Trong phương pháp sử dụng mã Gray các ảnh chiếu được tạo ra tương ứng với mẫu chiếu n như bảng 3. Ảnh thứ nhất với n=1 được quy ước là ảnh trắng có cường độ Imax, n=2 quy ước là ảnh có màu đen với Imin. Hai ảnh này chiếu vào vật và mặt phẳng tham chiếu để xác định ngưỡng giải mã cho chương trình giải mã. Với ảnh thứ 12 ảnh chiếu được mã hóa với một điểm ảnh đen và một điểm ảnh trắng tương ứng với mã hóa cực đại trong phương pháp sử dụng mã hóa Gray.

Bảng 3: Mã hóa bit trên mẫu ảnh chiếu Gray.

n Số điểm ảnh mã hóa trên

một bit

1 0

2 1024

4 256 5 128 6 64 7 32 8 16 9 8 10 4 11 2 12 1

Sử dụng phần mềm được xây dựng dựa trên giải thuật mục 3.3.1, để tạo các mẫu chiếu ảnh Gray và ảnh sin. Các ảnh mẫu được tạo ra được thể hiện với hình 4.4 là hình ảnh các mẫu chiếu dạng mã hóa Gray; hình 4.5 là hình ảnh các mẫu ảnh sin thứ nhất trong phương pháp dịch pha.

Hình 4.5 Các mẫu chiếu sin dùng trong phương pháp dịch pha

Kiểm tra đánh giá độ chính xác ảnh mẫu chiếu dạng sin sử dụng phần mềm phân tích cường độ ảnh Image J. Kết quả phân tích cường độ sáng điểm ảnh phân bố trên các mẫu chiếu sin được thể hiện trên hình 4.6.

Biểu đồ phân bố cường độ sin của các điểm ảnh dùng cho phương pháp dịch pha trên với các đồ thị (a) ÷ (k) tương ứng với mẫu chiếu sin có chu kì 1; 2; 4; 8; 16; 32; 64; 128; 256; 512. Kết quả cho thấy ảnh mẫu tạo ra có đặc tính sin đúng theo thiết kế với cường độ sáng Imax = 255; Imin= 0; giá trị cường độ tại các điểm ảnh trên ảnh mẫu đúng theo thuật toán áp dụng.

Ảnh mẫu chiếu của phương pháp dịch pha 4 bước lệch nhau 90o có sự phân bố cường độ điểm ảnh như hình 4.7. Ảnh mẫu chiếu tạo ra có sự phân bố cường độ dạng sin theo không gian chiếu chính xác theo thuật toán với các đường đồ thị thể hiện cường độ lệch pha nhau π/2 và giá trị cường độ biến thiên từ 0 ÷ 255 theo quy ước mã hóa.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

(i) (k)

Hình 4.7 Biểu đồ biến thiên cường độ 4 bước dịch pha

Như vậy, phần mềm tạo dữ liệu ảnh chiếu chính xác theo thiết kế chứng tỏ thuật toán được xây dựng đúng .

4.3. Hiệu chuẩn đặc tính quang của cụm cảm biến

Các thiết bị đo sau khi chế tạo cần hiệu chuẩn để đảm bảo và nâng cao độ chính xác khi đo, đặc biệt khi phép đo có độ chính xác cao. Việc xác định tọa độ điểm đo trên chi tiết cần đầy đủ các thông số của cụm cảm biến do đó yêu cầu quá trình hiệu chuẩn bao gồm:

 Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu.  Hiệu chuẩn màu.

 Hiệu chuẩn cường độ sáng ảnh xám.

 Hiệu chuẩn tìm hệ thống thông số kỹ thuật và vị trí của camera và máy chiếu.

4.3.1. Hiệu chuẩn sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu.

Để xác định sự phân bố cường độ sáng của máy chiếu, cần sử dụng mẫu ảnh trắng có cường độ sáng I = 255 (theo ngưỡng cường độ sáng 0 ÷ 255) chiếu lên tấm bảng trắng. Việc hiệu chuẩn cho phép điều chỉnh các thông số của camera để hình ảnh thu được có thể đạt chất lượng tốt nhất.

Các thông số của camera khi điều chỉnh ảnh hưởng đến chất lượng ảnh thu được bao gồm:

Tiêu cự ống kính camera để xác định hình ảnh rõ nét trên mặt phẳng tham chiếu. Độ tương phản của ảnh.

Thời gian phơi sáng (exposure time) của camera. Độ mịn hình ảnh. . .

Đầu tiên điều chỉnh tiêu cự cho ảnh rõ nét sau đó tiến hành điều chỉnh các thông số ảnh hưởng đến cường độ sáng ảnh thu được. Cường độ sáng ảnh thu được là một yếu tố rất

0 50 100 150 200 250 300 1 35 69 10 3 13 7 17 1 20 5 23 9 27 3 30 7 34 1 37 5 40 9 44 3 47 7 51 1 54 5 57 9 61 3 64 7 68 1 71 5 74 9 Cường độ sá ng mã hóa x ám Vị trí điểm ảnh Series1 Series2 Series3 Series4

quan trọng theo nguyên lý đo lường sử dụng ánh sáng cấu trúc mà cụ thể là ảnh hưởng đến độ chính xác ảnh pha. Cụm cảm biến sau khi điều chỉnh tiêu cự, thiết lập thông số thời gian phơi sáng của camera là 1/30s và để các thông số độ mịn ảnh, độ tương phản ở chế độ tự động, thu được ảnh chiếu mẫu lên bảng trắng như hình 4.8.

Hình 4.8 Hình ảnh chụp được từ camera khi chiếu mẫu lên bảng trắng.

(1) (2)

(3) (4)

Hình 4.9 Cường độ điểm ảnh phân bố trên không gian chiếu trên các đường (a), (b), (c), (d)

Phân tích sự phân bố cường độ sáng trên ảnh thu được bằng cách xác định cường độ sáng của các đường a, b, c, d trên hình 4.8, kết quả thu được tương ứng được biểu diễn trên hình 4.9. Các ảnh 4.9(1); 4.9(2); 4.9(3); 4.9(4) tương ứng với các đường a,b,c,d, kết quả cho thấy cường độ sáng của các điểm ảnh phân bố theo các đường a,b,c,d là không đồng đều và xuất hiện nhiều điểm lỗi. Sự sai khác xảy ra lớn theo hai phương a và b khi các