Laserové senzory
Zo stránky SensorWiki
Téma: Optické meranie vzdialenosti, profilu a 3D skenovanie objektov
Cieľ: Meranie geometrických parametrov telesa (Lego Duplo 2x4) pomocou troch rôznych technológií.
Bezpečnosť pri práci s lasermi
Pri práci je nevyhnutné dodržiavať bezpečnostné predpisy pre laserové zariadenia podľa ich klasifikácie:
- Laserová trieda 2 (Sick DS50): Viditeľné žiarenie s výkonom do 1 mW. Ochrana oka je zabezpečená prirodzeným žmurkacím reflexom (reakcia do 0,25 s). Do lúča sa však nikdy nepozerajte cielene - môžu byť nebezpečné.
- Laserová trieda 3R (PhoXi M): Žiarenie s výkonom do 5 mW. Priamy pohľad do lúča môže byť nebezpečný pre sietnicu oka, najmä pri dlhodobom vystavení. Riziko expozície môže zvýšiť, ak zariadenie nesprávne používajú nevyškolené osoby.
- Laserová trieda 3B (ScanControl): Vysoké nebezpečenstvo. Výkon do 500 mW. Priamy lúč aj zrkadlové odrazy môžu spôsobiť trvalé poškodenie zraku. Je prísne zakázané vkladať do cesty lúča vysoko reflexné predmety a pozerať sa priamo do zdroja. Pozeranie do rozptýleného odrazeného svetla je zvyčajne bezpečné, ak sa oko nachádza vo vzdialenosti väčšej ako 13 cm od rozptylovej plochy a čas trvania expozície je menší ako 10 sekúnd.
1. Teoretický úvod a technické parametre
1.1 Sick DS50: Princíp Time-of-Flight (ToF)
Senzor meria čas, za ktorý laserový impulz prejde dráhu k objektu a späť. Vzdialenosť sa určuje na základe konštantnej rýchlosti svetla.
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Rozsah merania | 200 mm – 4 000 mm |
| Rozlíšenie | 1 mm |
| Presnosť merania | ± 10 mm (typická) |
| Napájacie napätie | 10 V – 30 V DC |
| Výstup | 2x Digitálny |
1.2 Micro-epsilon ScanControl 2950-50: Laserová triangulácia
Senzor scanCONTROL 29xx pracuje na princípe optickej triangulácie (metóda svetelného rezu): Laserová čiara je premietaná na povrch cieľa prostredníctvom lineárneho optického systému. Difúzne odrazené svetlo z laserovej čiary je zobrazené na maticu (pole) senzora pomocou vysokokvalitného optického systému a vyhodnocované v dvoch rozmeroch. Triangulácia laserovej čiary v princípe zodpovedá triangulácii laserového bodu. Avšak počas merania je laserovou čiarou súčasne osvetlený celý rad bodov. Okrem informácie o vzdialenosti (os Z) systém deteguje a odosiela aj presnú polohu každého bodu na laserovej čiare (os X). Výsledkom je 2D profil objektu (rez) v reálnom čase.
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Počet bodov na profil | 1280 bodov |
| Rozsah merania (Z) | 70 - 120 mm |
| Šírka čiary (X) | 42 - 58 mm |
| Rozlíšenie | 1280 bodov / profil |
| Frekvencia profilov | až 2000 Hz |
| Rozhranie | Gigabit Ethernet |
1.3 Photoneo PhoXi 3D Scanner Model M: Štruktúrované svetlo
Slovenské skenery Photoneo PhoXi (Zebra Technologies Slovakia) využívajú projekciu kódovaných svetelných vzorov. Kamera sníma deformáciu týchto vzorov a algoritmy transformujú dáta na mračno 3D bodov (point cloud).
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Snímací rozsah | 458 mm – 1118 mm |
| Optimálna vzdialenosť | 650 mm |
| Presnosť (Z-noise) | < 0,1 mm |
| Rozlíšenie senzora | 3,2 milióna 3D bodov |
| Pripojenie | Gigabit Ethernet [cite: 37] |
2. Referenčný objekt: Lego Duplo 2x4
Namerané hodnoty porovnajte s týmito teoretickými rozmermi:
- Dĺžka: 63,8 mm (nominálne 64 mm vrátane vôle).
- Šírka: 31,8 mm (nominálne 32 mm).
- Výška (bez výstupkov): 19,2 mm.
- Priemer výstupku (stud): 9,4 mm.
- Výška výstupku: cca 4,5 mm.
Kocka Lego Duplo 4x2 - rozmery.
3. Postup merania
Každé meranie zopakujte aspoň pre dve rozličné farby a porovnajte výsledky.
Úloha 1: Bodové meranie (SICK)
- Zapojte senzor (napájanie 12 V).
- Odmerajte základnú vzdialenosť k podložke bez kocky.
- Vložte kocku pod lúč a odmerajte novú vzdialenosť.
- Výšku kocky získate odčítaním týchto dvoch hodnôt. Odmerajte všetky tri základné rozmery.
- Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.
Úloha 2: Profilové meranie (Micro-Epsilon)
- Spustite nas počítači softvér scanCONTROL Configuration Tools.
- V menu Display Image Data nastavte polohu kocky tak, aby bola čiara jasne viditeľná vrátane výstupkov.
- Prejdite do Display Profiles pre zobrazenie zdigitalizovaného profilu.
- V Program Selector nastavte meranie výšky (Step) alebo hrany (Edge).
- Pomocou grafických kót (nastavenie cez tlačidlo L a R vpravo hore) odmerajte výšku kocky a výšku výstupkov.
- Vyskúšajte identifikovať chybnú zelenú kocku so zalepeným výstupkom.
- Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.
Úloha 3: 3D skenovanie (Photoneo)
- V programe PhoXi Control vykonajte jeden sken (tlačidlo Trigger).
- Skontrolujte vizuálnu kvalitu skenu a uložte dáta vo formáte .PLY.
- Otvorte softvér CloudCompare a načítajte uložený súbor.
- Použite nástroj Tools -> Point Picking.
- Zvoľte druhú možnosť (Select two points) a kliknutím na rohy kocky odmerajte jej reálne rozmery.
- Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.
Meranie rozmerov v programe CloudCompare.
Ak program nie je nainštalovaný, stiahnete si ho odtiaľto: https://www.cloudcompare.org/release/
4. Spracovanie výsledkov
V protokole vytvorte tabuľku s porovnaním nameraných hodnôt zo všetkých troch senzorov voči teoretickým rozmerom kocky Lego Duplo. Vyhodnoťte presnosť jednotlivých technológií a priložte screenshoty z meraní. Vyhodnoťte vplyv farby materiálu na meranie.