Алгоритмы и методы компьютерной обработки данных с растровых фотоэлектрических координаторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Аль-Кайси Амер Абдалрахим

• Аль-Кайси Амер Абдалрахим
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аль-Кайси Амер Абдалрахим

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ И ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

1.1 Определение размеров, перемещений и координат объектов при обработке информации с растровых оптико-электронных устройств.

1.2 Общий подход к построению компьютеризированных оптико-электронных систем обработки информации и управления.

1.3 Выбор и обоснование направлений исследований.

Выводы

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕРПОЛЯЦИОННОГО АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С РАСТРОВОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КООРДИНАТОРА (РФЭК).

2.1 Принцип работы РФЭК и особенности влияния его конструктивных параметров на определение координат объекта.

2.2 Интерполяционный алгоритм обработки данных для выделения информации о координате объекта.

2.3 Этапы моделирования работы интерполяционного алгоритма обработки данных с РФЭК.

Выводы.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КООРДИНАТОРОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ.

3.1 Математическое моделирование влияния параметров РФЭК на выходной сигнал.

3.1.1 Моделирование влияния неравномерности освещения фотоприемников на выходной сигнал.

3.1.2 Влияние на амплитуду сигналов фотодиодов неравномерности их поверхностной чувствительности. 3.2 Алгоритм оценки погрешности расчета координат объекта. 73 3.3 Оценка влияния конструктивных параметров РФЭК на погрешность расчета координат интерполяционным алгоритмом.

3.3.1 Влияние погрешностей рисунка растра на точность расчета координаты.

3.3.2 Влияние поперечных отклонений растра на погрешность расчета координаты.

• 3.3.3 Оценка комплексного влияния параметров РФЭК на погрешность расчета координаты.

Выводы.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРПОЛЯЦИОННОГО АЛГОРИТМА.

4.1 Описание экспериментальной установки.

4.2 Особенности формирования калибровочных зависимо-• стей и их практического применения в алгоритмах обработки данных в РФЭК.

4.3 Исследование возможности повышения точности расчетов координат за счет применения экстраполирующего алгоритма.

4.4 Примеры практического применения предложенных алгоритмов.

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы и методы компьютерной обработки данных с растровых фотоэлектрических координаторов»

С развитием средств вычислительной техники стало возможным создание оптико-электронных измерительных систем, которые позволяют сочетать быстродействие, высокую точность и реализацию сложных и гибких алгоритмов анализа и интерпретации данных, полученных с измерительных устройств. Особый интерес в этом плане представляют растровые фотоэлектрические устройства, которые широко применяются в промышленности как бесконтактные средства измерений размеров, перемещений и координат движущихся объектов. При осуществлении измерений компьютеризированными и/или микропроцессорными системами контроля и управления путем регистрации и обработки информации с фотоэлектрических преобразователей особенно актуальным является разработка и внедрение новых алгоритмов, предназначенных для автоматизации процессов анализа и обработки первичной измерительной информации с фотоэлектрических устройств.

Цель работы

Создание эффективных алгоритмов обработки информации с оптико-электронных растровых координаторов интерполирующего типа и разработка на их основе специализированного программно-аппаратного обеспечения, предназначенного для использования в режиме реального времени в различных автоматизированных системах обработки информации и управления.

Задачи исследования 1. Анализ предметной области и факторов, влияющих на возможность вычисления координат движущихся объектов путем обработки информации, поступающей с растровых преобразователей, входящих в состав оптико-электронных компьютеризированных информационных и управляющих систем.

2. Создание модели, устанавливающей связь между параметрами растровых фотоэлектрических координаторов (РФЭК) и их информационными свойствами.

3. Применение разработанной модели для исследования влияния различных факторов на работу компьютеризированной системы вычисления координат.

4. Разработка эффективных алгоритмов обработки информации с РФЭК и их применение в информационных и управляющих системах.

Объект исследования

Процесс формирования и трансформации информации о координате объектов управления и контроля в РФЭК.

Методы исследования

Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования. Применялись методы геометрической оптики, методы вычислительной математики, метод s-слоя.

Научная новизна выполненных исследований связана с разработкой и научным обоснованием алгоритмов компьютерной обработки данных с РФЭК и заключается в следующем:

1. Разработана и исследована модель процесса формирования информации в РФЭК, основанная на выявлении взаимосвязи параметров сигналов РФЭК с координатой движущегося объекта.

2. Предложено для оценки эффективности алгоритма обработки информации с РФЭК использовать метод 8-слоя.

3. Предложено для повышения эффективности обработки информации с РФЭК применять такие методы, как экстраполяция траектории движения объекта, а также формирование калибровочных зависимостей при его квазистационарном перемещении.

На защиту выносятся

1. Модель процесса формирования и трансформации информации с РФЭК, учитывающая влияние комплекса параметров;

2. Алгоритмы обработки информации с РФЭК, основанные на анализе динамики изменения параметров формируемых им сигналов и интерполяционных методах, позволяющих получить координаты объекта управления и контроля с точностью до доли периода растра.

3. Применение для оценки эффективности обработки информации с РФЭК метода е-слоя.

4. Результаты практического применения предложенных методов обработки информации с РФЭК в автоматизированных системах контроля и управления.

Практическая значимость работы

Предложенные алгоритмы обработки информации с РФЭК позволяют интегрировать их в сложные автоматизированные компьютерные системы контроля, управления и принятия решений самого различного назначения, обеспечивая при этом минимальные дополнительные затраты и высокую точность определения координат объектов управления и контроля.

Предложенная модель процесса формирования информации в РФЭК и алгоритм анализа погрешностей вычисления координат объекта с помощью метода е-слоя позволяют существенно снизить затраты на разработку новых устройств аналогичного назначения.

Реализация и внедрение

На предприятиях и в лечебно-профилактическом учреждении Алтайского края разработаны и внедрены комплексы программно-аппаратных средств, функционирующие как в составе автоматизированных систем управления с реализацией на базе микропроцессора (система автоматического управления водонапорной насосной станцией), так и в составе автоматизированной системы обработки информации (спирометрический модуль системы автоматизированной диагностики на базе ПК). В указанных системах реализованы алгоритмы обработки информации с РФЭК в реальном масштабе времени.

Апробация работы

Результаты работы . докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Автоматика и вычислительные системы», межкафедральной лаборатории информационно-измерительных систем АлтГТУ, а также на следующих конференциях: на 7 региональной конференции по математике «МАК-2004», г. Барнаул, 2004 г.; на Всеросссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации», г. Новосибирск, 2004 г.; на Международной научной конференции «Анализ и синтез как методы научного познания», г. Таганрог, 2004 г.; на 62 научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ, г. Барнаул, 2004 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Новый материалы и технологии», Москва, 2004 г.; на III Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование», г. Кемерово, 2004 г.; на XYI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве», г. Нижний Новгород, 2005 г.; на региональной научно-методической конференции «Математическое образование на Алтае», г. Барнаул, 2005 г.

Публикации

По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 10 печатных работ, включая 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад

Автором выполнена разработка алгоритмов расчета координат на основании теоретических и экспериментальных исследований процесса формирования и преобразования информации с РФЭК. Экспериментальные исследования выполнялись в АлтГТУ в межкафедральной лаборатории информационно-измерительных систем при участии автора.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 84 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Аль-Кайси Амер Абдалрахим

Выводы по главе 4

1. Рассмотрено практическое получение зависимостей «амплитуда* координата» с помощью экспериментальной установки. В основу алгоритма получения зависимостей «амплитуда-координата» положены анализ принадлежности значений амплитуд сигналов с РФЭК области от нижней до верхней границы, и анализ выхода значений амплитуд сигналов за указанные границы. По значениям амплитуд определяется участок периода, после чего анализируется последовательность изменения номеров участков и выполняется выделение периодов. ► 2. Для повышения точности расчета координат объекта в областях периода, соответствующих окрестностям границ последовательных участков, предлагается дополнительно использовать алгоритм, идея которого заключается в экстраполяции значения координаты по ее предыдущим значениям, интерполяционный же алгоритм измерения координаты дополняется на этапе определения номера участка уточняющим блоком, в котором вычисляется экстраполированное значение координаты Sa , на * основании которого уточняется номер участка.

3. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для РФЭК практически использованы в компьютеризированных системах обработки данных и управления: системе медицинской диагностики и системе измерения уровня жидкости в емкости.

Заключение

1. На основании анализа предметной области показано, что применение специальных методов обработки информации с РФЭК позволит при использовании их в составе автоматизированных систем управления, контроля и принятия решений существенно повысить точность вычисления координат объектов управления и контроля при минимальных дополнительных затратах.

2. Разработана модель процесса формирования и трансформации информации с РФЭК, основанная на использовании взаимосвязи информационных параметров сигналов РФЭК и координаты объекта управления и контроля.

3. Показано, что точность расчета координаты объекта управления существенно повышается при использовании калибровочных кривых. Разработан метод, позволяющий формировать такие кривые путем обработки информации при квазистационарном перемещении объекта.

4. Предложены алгоритмы обработки информации с РФЭК, основанные на применении экстраполяции траектории движения объекта.

5. Выполнен анализ свойств разработанных алгоритмов с применением модели е-слоя. Результаты проведенных исследований на модели и их экспериментальная проверка показали, что применение разработанных алгоритмов обеспечивает расчет координат объектов с абсолютной погрешностью в пределах 3-6% от значения периода используемого растра.

6. Разработанные алгоритмы и методы компьютерной обработки данных с РФЭК работают в режиме реального времени и были реализованы в системе автоматического управления водонапорной станции на основе микроконтроллера и в подсистеме обработки информации в автоматизированных диагностических комплексах на основе персонального компьютера.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аль-Кайси Амер Абдалрахим, 2006 год

1. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. - 296 с.

2. Аль-Кайси А.А. Интерполяционные алгоритмы обработки квазидетер-минированных сигналов в растровых преобразователях // Материалы Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации»,4.1.-Новосибирск, НГТУ, 2004. С.4-5.

3. Арефьев В.А., Кузнецов П.К. Определение координат геометрического центра детали посредством системы технического зрения, содержащей

4. ПЗС-матрицу // Тез. докл. Всес. конф. «Координатно-чувствительныефотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе», ч. 1.-Барнаул, 1985.-С. 30.

5. Бабенко К.И. Основы численного анализа. — М.: Наука, 1986. 744 с.

6. Бабиков А.А., Захаренко В.А. Устройство сопряжения датчиков с ЭВМ // Материалы пятой Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация». Барнаул, 2004. - С. 72-74.

7. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-600 с.

8. Биберман Л.М. Растры в электрооптических устройствах. Пер. с англ. -М.: Энергия, 1969. 160 с.

9. Боднер В.А., Алферов А.В. Измерительные приборы. Т. 1. Теория измерительных приборов. Измерительные преобразователи. М.: Изд-востандартов, 1986.-392 .с.

10. Букатый В.И., Петренко К.В., Суранов А .Я., Чефранов И.П. Экспериментальная установка для проведения спектрального анализа // Материалы шестой Международной научно-технической конференции «Из>мерение, контроль, информатизация». Барнаул, 2004. - С. 77.

11. Гилой В. Интерактивная машинная графика / Пер. с англ. М.: Мир, 1981.-384 с.

12. Гордиенко Г.Ю., Тушев А.Н., Якунин А.Г. Применение метода е-слоя для оптимизации проектирования радиоэлектронной аппаратуры // Труды конф. «Сибконверс-95», т.1. Томск, 1995. - С. 130-132.

13. Гордиенко Г.Ю., Тушев А.Н., Якунин А.Г. Автоматизированный диагностический комплекс для кардиологических исследований ЭФКР-4 //Приборы и техника эксперимента. 1995. -№2. -С.207.

14. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде MatLab. СПб.: Питер, 2001.-432 с.

15. Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: Корона принт, 1999. - 288 с.

16. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света. М.: Энерго-издат, 1983.-384 с.

17. Де Бор К. Практическое руководство по сплайнам / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. - 304 с.

18. Домрачев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений: Справочник. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

19. Дунин-Барковский И.И. Построение системы контроля размеров крупногабаритных деталей на основе ЗЭ-системы технического зрения // Измерительная техника. 2004. - № 12. - С. 24-26.

20. Завьялов Ю.С., Квасов Б.И., Мирошниченко B.JI. Методы сплайн-функций. М.: Наука, 1980. - 352 с.

21. Завьялов Ю.С., Jleyc В.А., Скороспелов В.А., Сплайны в инженерной геометрии. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

22. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. Л.: Наука, 1985.-112 с.

23. Зотов В.Д. Полупроводниковые приборы восприятия оптической информации. М.: Энергия, 1976. - 151 с.

24. Зрюмов Е.А. Оптический метод контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров // Автореф. дисс. канд. техн. наук. Барнаул, 2005. - 24 с.

25. Ильин В.Н. Интерференционно-растровые преобразователи линейных перемещений // Измерительная техника. 1990. - № 3. - С. 15-17.

26. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1986. — 175 с.

27. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Радайкин B.C. Источники и приемники излучения. JL: Машиностроение, 1982. - 224 с.

28. Калиткин Н.Н., Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512 с.

29. Карманов В.Г. Математическое моделирование.- М.: Физматлит, 2000.

30. Королев А.Н., Гарцуев А.И. Цифровой двухкоординатный автоколлиматор с разрешением 0,001 // Измерительная техника. 2004. - № 12. -С. 29-31.

31. Куафэ Ф. Взаимодействие робота с внешней средой.- М.: Мир, 1985.

32. Лазарев Ю. MATLAB 5.x. К.: Издательская группа BHV, 2000. - 384 с.

33. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

34. Медицинская электродная аппаратура для здравоохранения. Пер. с англ.// Кромвелл Л., Ардитти М., Вейбелл Ф. и др. Под ред. Утямышева Р.И.-М.: Радио и связь, 1981 .-344 с.

35. Микрокомпьютерные медицинские системы: Проектирование и применение. Пер. с анг. / Под ред. У.Томпкинса, Дж. Уэбстера.-М.:Мир, 1983.-544 с.

36. Мироненко А.В. Фотоэлектрические измерительные системы. М.: Энергия, 1967.-358 с.

37. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. - 696 с.

38. Оптическая обработка информации. Применения / Под ред. Д. Кейсе-сента: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 349 с.

39. Павлов А.В. Оптико-электронные приборы (Основы теории и расчета). М.: Энергия, 1974. - 360 с.

40. Парвулюсов Ю.Б., Солдатов В.П., Якушенков Ю.Г. Проектирование оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1990. - 432 с.

41. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров. М.: Мир, 1989.335 с.

42. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. Л.: Машиностроение, 1980. - 272 с.I

43. Пудовкин А.П., Чернышов В.Н., Колмаков А.В. Активный контроль геометрических размеров вкладышей подшипников скольжения // Измерительная техника. 2004. - № 9. - С. 32-35.

44. Самарский А.А. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. М.: Физматлит, 2002. - 415 с.

45. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. -432 с.

46. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985.-271 с.

47. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображения с помощью многоэлементных приемников излучения // Изв. вузов. Приборостроение. 1986. - № 9. - С. 62-69.

48. Справочник конструктора оптико-механических приборов / Под ред. В.А. Панова. Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

49. Справочник по приемникам оптического излучения / В.А. Волков, В.К. Вялов, Л.Г. Гассанов и др.; Под ред. Л.З. Криксунова и Л.С. Кременчугского. -Киев: Техшка, 1985.-216 с.

50. Суранов А.Я. Анализ погрешности методов измерения координат точечных объектов с помощью многоэлементного фотоприемника // Тез.докл. Всес. конф. «Оптические сканирующие устройства и приборы на их основе», ч. 2.- Барнаул, 1986. С. 54-55.

51. Телешевский В.И., Глубокое А.В. Компьютеризированная измерительная информационная система для контроля отклонений от плоскостности на базе электронных уровней // Измерительная техника. 2004. - № 11.-С. 15-18.

52. Твердотельное телевидение. Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах / Хромов Л.И., Лебедев Н.В. и др. / Под ред. Росселевича И.А. М.: Радио и связь, 1986.- 184 с.

53. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под ред. Л.Н. Пре-снухина. М.: Машиностроение, 1974. - 376 с.

54. Шоль К., Марфан И. Приемники инфракрасного излучения. М.: Мир, 1969.-300 с.

55. Якунин А.Г. Об учете сверхэффективных оценок при синтезе и анализе ОЭП // Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе, ч. 2: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Барнаул, 1987. - С. 150-155

56. Якунин А.Г. Применение модели в-слоя для оценки точностных характеристик ОЭП // Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе, ч. 2: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Барнаул, 1987. - С. 212-214.

57. Якунин А.Г. Оценка возможности экспериментального определения параметров модели в-слоя // Материалы 2 междунар. науч.-техн. конф. «Измерение, контроль, информатизация». Барнаул, 2001. - С. 54-56.

58. Якунин А.Г., Сучкова Л.И. Выбор параметров модели в-слоя для сигналов с фотоэлектрического растрового измерителя линейных перемещений // Пятая краевая конференция по математике: Материалы конференции. Барнаул, Изд-во Апт. ун-та, 2001. - С. 80-81.

59. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. - 360 с.

60. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. М.: Сов. радио, 1979. - 312 с.

61. Grossman S.B., Emmons R.B. Performance analysis and size optimization of focal planes point-source tracking algorithm applications // Opt. Eng. 1984.-V23.-N2.-P. 167-176.

62. Park K. Intelligents Robots and Systems // IEEE/RSJ Intern.Conf.- 1992. -V.3.- P. 2080.

63. Prettyjohns K.N. Charge-coupled device image acquisition for digital phaseimeasurement interferometry // Opt. Eng. 1984. - V 23.- N 4.- P. 371-378.

64. Sadowski H. Signal processing for TDI-CCD in the panoramic scan mode // Proc. of SPIE. 1981. -V 282. -P. 115-128.

65. A.c. СССР № 1652811. Датчик линейных перемещений // Дич JI.3., Ма-ламедЕ.Р., Трегуб В.П.-БИ, 1991, №20.-С. 151.

66. А.с. СССР № 1677521. Растровый датчик линейных перемещений // Куштанин К.И., Хайзников Ю.О. БИ, 1991, № 34. - С. 165.

67. А.с. СССР № 1652809. Устройство для измерения линейных перемещений // Гладырь В.И., Степанов А.В. БИ, 1991, № 20. - С. 151.

68. А.с. СССР № 1779923. Устройство для измерения перемещения объекта // Дмитриев С.П., Баранов В.В., Кузнецов П.М., Быстров Ю.А. БИ, 1992, №45.-С. 95.

69. А.с. СССР № 1793214. Фотоэлектрический преобразователь перемещений // Киселев Н.А., Веденисов С.Б., Антиповский Ю.А., Гермогентова Г.Г.-БИ, 1993,№5.-С. 95.

70. Патент РФ № 2156434 RU. Оптико-электронный преобразователь для бесконтактного измерения линейного перемещения и(или) диаметра // Киселев Л.В., Лянзбург В.П. БИ, 2000, № 26. - С. 348.

71. Патент РФ № 2219491 RU Способ измерения и измеритель линейных перемещений // Сучкова Л.И., Якунин А.Г., Тушев А.Н. БИ, 2003, № 35.

72. Патент РФ № 2091708 RU. Устройство для измерения линейных и угловых перемещений // Гришин В.А., Ничипорук С.В. БИ, 1997, № 27. -С. 376.