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)	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

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.