Laserové senzory

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.

Technické parametre SICK DS50

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.

Technické parametre ScanControl 2950-50/3B-SI

Parameter	Hodnota
Počet bodov na profil	1280 bodov
Rozsah merania (Z)	50 mm
Šírka čiary (X)	50 mm
Frekvencia profilov	až 2000 Hz
Rozhranie	Gigabit Ethernet

1.3 Photoneo PhoXi 3D Scanner Model M: Štruktúrované svetlo

Skenery Photoneo využívajú projekciu kódovaných svetelných vzorov[cite: 36]. Kamera sníma deformáciu týchto vzorov a algoritmy transformujú dáta na mračno 3D bodov (point cloud)[cite: 41, 47].

Technické parametre PhoXi Model M

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)

1. Zapojte senzor (napájanie 12 V).
2. Odmerajte základnú vzdialenosť k podložke bez kocky.
3. Vložte kocku pod lúč a odmerajte novú vzdialenosť.
4. Výšku kocky získate odčítaním týchto dvoch hodnôt. Odmerajte všetky tri základné rozmery.
5. Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.

Úloha 2: Profilové meranie (Micro-Epsilon)

1. Spustite nas počítači softvér scanCONTROL Configuration Tools.
2. V menu Display Image Data nastavte polohu kocky tak, aby bola čiara jasne viditeľná vrátane výstupkov.
3. Prejdite do Display Profiles pre zobrazenie zdigitalizovaného profilu.
4. V Program Selector nastavte meranie výšky (Step) alebo hrany (Edge).
5. Pomocou grafických kót (nastavenie cez tlačidlo L a R vpravo hore) odmerajte výšku kocky a výšku výstupkov.
6. Vyskúšajte identifikovať chybnú zelenú kocku so zalepeným výstupkom.
7. Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.

Úloha 3: 3D skenovanie (Photoneo)

1. V programe PhoXi Control vykonajte jeden sken (tlačidlo Trigger).
2. Skontrolujte vizuálnu kvalitu skenu a uložte dáta vo formáte .PLY.
3. Otvorte softvér CloudCompare a načítajte uložený súbor.
4. Použite nástroj Tools -> Point Picking.
5. Zvoľte druhú možnosť (Select two points) a kliknutím na rohy kocky odmerajte jej reálne rozmery.
6. Zhodnoťte vplyv farby kocky na meranie.

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.