Новое слово в измерениях.

Уже много лет российская компания «Евросив» занимается разработкой, производством и продажей стендов для правки автомобильных кузовов. У специалистов кузовного ремонта заслуженным уважением пользуются стапели серии «Компакт», «Сив», «Эксперт», «Сивер». Модельный ряд продукции компании постоянно совершенствуется - оборудование дополняется новыми функциями, облегчающими труд мастеров. Однако для качественного восстановления кузова наряду с мощными силовыми устройствами необходим точный измерительный инструмент для постоянного контроля всех размеров. Причем осознание этой необходимости более проникает в глубь российского автосервиса. Еще не так давно начинающие ремонтные мастерские полагали, что главное - обзавестись непосредственным исполнителем -гидравлическим стендом, способным править, растягивать, изгибать кузов в любом направлении, и задача будет решена. Но с ростом общей культуры ремонтных работ такое же внимание начинают уделять выбору измерительной системы.

В настоящее время на рынке измерительных систем можно условно выделить три их разновидности. Первый - традиционные механические системы, состоящие из прецизионных рамок, полозьев и линеек со шкалами. Передвигая нужным образом части этой системы, можно подвести щуп к нужной точке на кузове и по линейкам считать координаты этой точки. Затем щуп подводится к следующей точке и т.д. Основное достоинство таких систем - неизменная, эталонная точность. Такая система, как штангенциркуль - пока она не сломана и не деформирована - будет сохранять свою точность. Недостаток - длительная подготовка к измерениям и некоторые неудобства в работе, обусловленные большими габаритами системы в целом. К тому же цена таких систем не уменьшается, как и большинства механических систем вообще. Вспомним, например, историю механических и электронных часов.

Вторая разновидность - электронно-механические системы, основой которых служит установленный на специальной каретке измерительный щуп-манипулятор, в каждом шарнирном сочленении которого установлены прецизионные угловые датчики. Щуп можно вручную подводить к нужной точке кузова, при этом компьютер получает информацию от всех датчиков и рассчитывает истинные координаты измеряемой точки.

Третья разновидность - бесконтактные измерительные системы. Их работа основана на использовании специальных мишеней, которые крепятся ко всем интересующим нас точкам кузова. Затем специальным устройством дистанционно определяются координаты мишеней и, соответственно, точек кузова. На рынке в основном представлены системы с лазерными и ультразвуковыми измерительными устройствами.

Наибольшей функциональностью из перечисленных обладают бесконтактные системы, так как позволяют одновременно измерять координаты многих точек. К тому же они дают возможность выполнять измерения непрерывно, непосредственно в процессе правки кузова. Однако главным недостатком таких систем продолжает оставаться их достаточно высокая цена.

Предвидя повышение спроса на системы контроля геометрии кузова, компания «Евросив» уже несколько лет ведет разработки в этом направлении. Главной «задачей-максимум» было создание собственной измерительной системы, не уступающей признанным образцам по точности измерений, но при этом имеющей существенно меньшую стоимость.

В данный момент исследовательскую часть работы можно считать завершенной, все необходимые параметры достигнуты, и компания готовится к серийному выпуску собственных измерительных систем.

Принцип действия

При разработке нашей измерительной системы мы использовали принцип бинокулярного зрения, позволяющего человеку достаточно точно определять расстояние до какого-либо предмета. Своеобразными глазами в такой системе служат две видеокамеры, установленные на концах балки на расстоянии около метра друг от друга и подсоединенные к компьютеру. Если какой-нибудь контрастный объект (например, маленькая светящаяся точка) одновременно попадет в поле видимости обеих камер, то компьютер сможет вычислить все его пространственные координаты. Конечно, революционным такой способ назвать нельзя - стереофотография известна очень давно и в том или ином виде применяется во многих отраслях. Но первая же попытка непосредственного применения способа для контроля геометрии кузова натолкнулась на, казалось бы, неразрешимые противоречия. Например, чтобы обеспечить заявленную точность измерений в 1 мм, необходимо было определить положение изображения на матрице видеокамеры с точностью не ниже 0,25 мкм. При этом размер чувствительных элементов матрицы, из которых, собственно, и состоит это изображение, составлял 6-7 мкм. Можно было бы попробовать применить специальные камеры ультравысокого разрешения, но это привело бы к катастрофическому удорожанию всей установки и свело бы на нет саму идею построения недорогой измерительной системы. Кроме того, геометрические искажения, присущие обычным объективам, оказались настолько велики, что не могло быть и речи о непосредственном использовании полученного изображения для точных измерений. Применение прецизионных объективов также привело бы к удорожанию установки.

Исходя из первых оценочных результатов перед исследовательским отделом компании «Евросив» была сформулирована и поставлена основная задача: разработать и запрограммировать такой математический алгоритм обработки изображений, который бы позволил использовать для точных измерений самые обычные видеокамеры. Другими словами, требовалось переложить задачу повышения точности с непосредственного измерителя - видео-камеры - на устройство обработки информации - обычный компьютер. Направление было выбрано верное и, в конце концов, задача была успешно решена.

Конструкция

Предлагаемая система контроля геометрии кузова состоит из трех основных узлов - измерительного блока, беспроводной мишени-манипулятора и управляющего компьютера.

Измерительный блок выполнен в виде прочной металлической балки с двумя окошками для установленных внутри видеокамер. Сама балка состоит из двух элементов - внешнего защитного кожуха и мягко закрепленной внутри него прецизионной штанги с камерами. Такая конструкция позволяет уменьшить риск деформации ответственных узлов и обеспечивает установке большую «живучесть» в процессе эксплуатации. К измерительному блоку прилагается дополнительная штанга с зажимами для крепления его на автомобиле или рихтовочном стенде.

Мишень-манипулятор выполнена в виде указки, на боковой поверхности которой расположены несколько ярких точечных источников света. При анализе изображения компьютер легко находит и идентифицирует изображения этих точек. После сопоставления изображений от двух камер вычисляются координаты каждой светящейся точки и всей указки в целом, в том числе и координаты измерительного острия - щупа. Таким образом, достаточно в поле зрения двух камер прикоснуться указкой к любой интересующей нас точке на кузове автомобиля, чтобы компьютер определил ее координаты в трехмерном пространстве. Питание указки осуществляется от встроенных батарей; связь с компьютером для передачи управляющих команд обеспечивается по радиоканалу.

Методика измерений

Перед началом измерений необходимо определить, координаты каких контрольных точек подлежат измерениям. Какие из них можно считать недеформированными, эталонными, а какие - явно требуют проверки. После такой предварительной «прикидки» нужно закрепить измерительный блок неподвижно относительно автомобиля: либо на самом автомобиле, либо на платформе рихтовочного стенда. При этом нужно обеспечить видимость измерительной указки обеими камерами при обходе всех выбранных нами контрольных точек. Если на глаз трудно определить, будет ли видна указка одновременно обеими камерами, то имеет смысл вывести оба изображения на монитор компьютера и проконтролировать это непосредственно. Кроме самого факта видимости указки камерами нужно проверить, не слишком ли велико расстояние от камер до указки. В данной модификации измерительная система работает с заданной точностью в диапазоне расстояний от 1 до 4 метров. Впрочем, при попытке измерений за пределами заданного диапазона компьютер немедленно об этом сообщит.

После выбора контрольных точек на кузове и закрепления измерительного блока можно приступать к измерениям. Сам процесс измерений очень прост и интуитивно понятен. Достаточно приставить измерительное острие указки к нужной точке, направить светящиеся маркеры в сторону видеокамер и нажать на рукоятке указки стартовую кнопку. Если кадр получился «удачным», т.е. нет мешающих предметов, и мы не удалились от видеокамер слишком далеко - компьютер подаст подтверждающий звуковой сигнал. Если условия не выполнены - прозвучит аварийный сигнал. После аварийного сигнала можно, например, убрать мешающий предмет или просто отклонить указку в нужную сторону, продолжая касаться острием выбранной точки, и нажать кнопку еще раз. В данной системе наклон указки принципиально не влияет на результат измерения - компьютер всегда рассчитывает только координаты острия. Это дает определенную свободу в процессе измерений, позволяя наклонять указку так, чтобы светящиеся маркеры вышли из-за препятствия, и обе камеры их «увидели».

После обхода всех выбранных точек компьютер обрабатывает результаты и рассчитывает картину деформации кузова. При этом возможны два режима работы системы - с использованием базы данных и без использования. Работа с базой данных в нашем случае ничем не отличается от работы с любой другой измерительной системой. Точно так же измеренная пространственная конфигурация контрольных точек сравнивается с эталонной, взятой из базы данных. На основе этого сравнения делается вывод о величине и направлении деформации.

Определение трехмерного вектора смещения контрольной точки на основе принципа симметрии.

Если же данные конкретного автомобиля отсутствуют в базе данных или система изначально поставлялась без такой базы, то в этом случае возможны два пути. Во-первых, в качестве эталона можно использовать любой автомобиль аналогичной модели, обмер которого проводился ранее, и процесс измерений для которого запротоколирован. Во-вторых, можно довольно много узнать о характере деформации кузова, если воспользоваться принципом симметрии, который иллюстрируется на приводимой схеме. Для простоты выбран случай, когда нарушены координаты одной контрольной точки.

Продольный изгиб кузова («банан») при боковом ударе.

Компьютер вначале рассчитывает положение плоскости симметрии автомобиля по неповрежденным точкам 3 и 4. Затем точка 2 отображается симметрично относительно этой плоскости и определяется отклонение поврежденной точки 1 от этого изображения, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. При этом вертикальное отклонение соответствует «закручиванию» кузова вдоль продольной оси.

Кроме продольного закручивания можно также определить «продольный изгиб» кузова, например при боковом ударе в центральной части. При этом компьютер рассчитывает угол изгиба, стрелу прогиба и примерное положение «центра» - точки пересечения двух перпендикуляров. Схема такого повреждения также показана на рисунке.

Кроме своей непосредственной задачи - контроля геометрии кузова - измерительная система способна выполнять функции автономного «интеллектуального измерителя». Самая простая из таких функций - непосредственное определение расстояния между двумя точками, наподобие измерения обычной линейки. Однако присутствие компьютера в системе позволяет выполнять и более сложные измерения, напри-мер измерять угол между прямыми, выходящими из одной точки, измерять отклонение точки от плоскости, проведенной через три других точки, определять угол между не пересекающимися прямыми и т.д. Разумеется, по мере накопления опыта эксплуатации измерительной системы количество таких дополнительных функций будет постоянно увеличиваться.

Компактность, универсальность, простота использования, достаточно высокая точность при вполне приемлемой стоимости позволяют специалистам компании «Евросив» прогнозировать широкое распространение данной измерительной системы на российском рынке.  

Владимир Зленко, компания «Евросив». Журнал АВС-Авто, август 2006.