RU130388U1 - DEVICE FOR NON-CONTACT DETERMINATION OF THREE-DIMENSIONAL COORDINATES OF THE OBJECT (3D-SCANNER) - Google Patents

Abstract

1. Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта (3D-сканер), включающее блок излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, блок приема отраженного от объекта ультразвукового сигнала, блок обработки информации, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, четыре модуля, каждый из которых выполнен с возможностью излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, приема и усиления отраженного от объекта ультразвукового сигнала, а также с функциями цифровой обработки сигнала в микроконтроллере, обеспечивающем генерацию модулированного сигнала, цифроаналоговое и аналого-цифровое преобразование сигнала, обработку полученной информации, при этом любой из модулей, взятый в качестве управляющего и представляющий собой блок первичной обработки информации, полученной со всех модулей, производит самокалибровку устройства и подключен к блоку вторичной обработки информации, получаемой со всех модулей.2. Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат (3D-сканер) по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока вторичной обработки информации используют, например, ПК.1. A device for non-contact determination of the three-dimensional coordinates of an object (3D scanner), including a block for emitting an ultrasonic signal in the direction of the object, a block for receiving an ultrasound signal reflected from the object, an information processing unit, characterized in that it contains at least four modules, each of which it is made with the possibility of emitting an ultrasonic signal in the direction of the object, receiving and amplifying an ultrasonic signal reflected from the object, as well as with functions of digital signal processing in the microcontroller providing the generation of the modulated signal, digital-to-analog and analog-to-digital signal conversion, processing of the received information, while any of the modules taken as the control unit and representing the primary processing unit of the information received from all the modules performs self-calibration of the device and is connected to the secondary processing unit information received from all modules. 2. A device for contactless determination of three-dimensional coordinates (3D scanner) according to claim 1, characterized in that, for example, a PC is used as a secondary information processing unit.

Description

Полезная модель относится к области цифровой измерительной техники, а именно - к бесконтактным измерительным устройствам, определяющим координаты поверхности объемных тел путем использования ультразвуковой волны для последующего построения пространственной модели объекта, и может быть применена, например, в робототехнике, приложениях компьютерной трехмерной графики, промышленном дизайне, интерактивных компьютерных играх, кинематографии, машиностроении, медицине, судебно-медицинской экспертизе и т.д.The utility model relates to the field of digital measuring technology, namely, to non-contact measuring devices that determine the coordinates of the surface of volumetric bodies by using an ultrasonic wave for the subsequent construction of a spatial model of an object, and can be used, for example, in robotics, 3D computer applications, industrial design , interactive computer games, cinematography, engineering, medicine, forensic science, etc.

Из уровня техники известен сканер для ультразвукового контроля колесных пар, выполненный в виде горизонтально расположенной платы, установленный на портале с возможностью вертикального перемещения, содержащий пять сканирующих устройств: 1 - для контроля диска колеса с поверхности катания; 2 - с боковой поверхности обода; 3 - оси колесной пары по цилиндрической поверхности и 4, 5 - с торца, 6 - на подступичной части оси колесной пары, а также механизм фиксации обода диска колеса (см. патент на полезную модель №48226 «Модуль сканеров для ультразвукового контроля колесных пар», дата подачи 20.04.2005 г., опубликовано 27.09.2005 г.).The prior art scanner for ultrasonic testing of wheelsets, made in the form of a horizontally mounted plate mounted on the portal with the possibility of vertical movement, containing five scanning devices: 1 - to control the wheel disk from the rolling surface; 2 - from the side surface of the rim; 3 - axles of the wheel pair along the cylindrical surface and 4, 5 - from the end face, 6 - on the approach part of the axis of the wheel pair, as well as the mechanism for fixing the rim of the wheel disk (see utility model patent No. 48226 “Scanner module for ultrasonic inspection of wheel sets” , submission date 04/20/2005, published 09/27/2005).

Недостатком данного ультразвукового сканера является ограниченность его сфер применения, так как схема расположения отдельных сканирующих устройств полностью определяется конфигурацией сканируемого объекта, а именно, колесной пары.The disadvantage of this ultrasonic scanner is the limited scope of its application, since the layout of individual scanning devices is completely determined by the configuration of the scanned object, namely, the wheelset.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемой полезной модели является устройство для ультразвукового исследования, предназначенное для диагностирования состояния кровеносного сосуда путем использования ультразвуковой волны, включающее блок излучения ультразвукового сигнала, блок приема ультразвукового эха, блок обработки информации амплитуды, блок обработки информации фазы, блок детектирования границы для детектирования распределения границы между областью тока крови и внутренней оболочкой и границы между средней оболочкой и адвентициальной оболочкой и блок вычисления величины ТИМ (см. патент №RU 2403866 «Устройство для ультразвукового исследования», дата подачи 13.03.2007 г., опубликовано 20.11.2010 г.).The closest technical solution (prototype) to the claimed utility model is an ultrasound device designed to diagnose a state of a blood vessel by using an ultrasonic wave, including an ultrasonic signal emitting unit, an ultrasonic echo receiving unit, an amplitude information processing unit, a phase information processing unit, a unit detection of the boundary for detecting the distribution of the boundary between the region of the blood flow and the inner membrane and the boundary between the medium days by the casing and the adventitia casing and the TIM calculation unit (see patent No. RU 2403866 “Device for ultrasound examination”, filing date 03/13/2007, published on 11/20/2010).

Недостатки прототипа обусловлены необходимостью участия оператора в процессе сканирования объекта, а также возможностью получения только двумерного изображения объекта.The disadvantages of the prototype are due to the need for operator participation in the scanning process of the object, as well as the ability to obtain only a two-dimensional image of the object.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание компактного универсального устройства с расширенными функциональными возможностями, включающими, в том числе, самокалибровку и получение трехмерного (3D) изображения сканируемого объекта.The technical result, which is achieved by the claimed utility model, is to create a compact universal device with advanced functionality, including, but not limited to, self-calibration and obtaining three-dimensional (3D) images of the scanned object.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта (3D-сканер), включающее блок излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, блок приема отраженного от объекта ультразвукового сигнала, блок обработки информации, согласно полезной модели содержит, по меньшей мере, четыре модуля, каждый из которых выполнен с возможностью излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, приема и усиления отраженного от объекта ультразвукового сигнала, а также с функциями цифровой обработки сигнала в микроконтроллере, обеспечивающем генерациюмодулированного сигнала, цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование сигнала, обработку полученной информации, при этом любой из модулей, взятый в качестве управляющего и представляющий собой блок первичной обработки информации, полученной со всех модулей, производит самокалибровку устройства и подключен к блоку вторичной обработки информации, получаемой со всех модулей.The specified technical result is achieved by the fact that the device for non-contact determination of the three-dimensional coordinates of the object (3D scanner), including an emitting unit of an ultrasonic signal in the direction of the object, a unit for receiving an ultrasonic signal reflected from an object, an information processing unit, according to a utility model, comprises four modules, each of which is capable of emitting an ultrasonic signal in the direction of the object, receiving and amplifying the ultrasonic signal reflected from the object, as well as with the functions of digital signal processing in the microcontroller, which provides the generation of a modulated signal, digital-to-analog and analog-to-digital signal conversion, processing of the received information, while any of the modules taken as a control unit and representing a block of primary processing of information received from all modules performs self-calibration devices and is connected to the secondary processing unit of information received from all modules.

В качестве блока вторичной обработки информации используют, например, ПК.As a block of secondary information processing using, for example, a PC.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели такому условию патентоспособности как «новизна».No technical solutions coinciding with the set of essential features of the claimed utility model have been identified, which allows us to conclude that the claimed utility model conforms to such a patentability condition as “novelty”.

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого устройства.The patentability condition "industrial applicability" is confirmed by the example of a specific implementation of the claimed device.

Увеличение числа сканирующих модулей до четырех не только позволяет получать трехмерное (3D) изображение объекта, но и производить самокалибровку устройства с учетом погрешностей текущих измерений.Increasing the number of scanning modules to four not only allows you to obtain a three-dimensional (3D) image of the object, but also to self-calibrate the device taking into account the errors of current measurements.

Выполнение модулей идентичными с функциями микроконтроллера, позволяет производить их соединение друг с другом в любом порядке, например, последовательно или параллельно, преимущественно, во взаимно ортогональных плоскостях, а также выбирать один из них в качестве управляющего модуля, принимающего информацию со всех остальных модулей, производящего первичную обработку всей полученной информации и передающего первично обработанные данные на подключаемый к нему блок вторичной информации, например, ПК.The execution of the modules identical with the functions of the microcontroller allows them to be connected to each other in any order, for example, sequentially or in parallel, mainly in mutually orthogonal planes, as well as select one of them as a control module that receives information from all other modules that produce primary processing of all received information and transmitting primary processed data to a secondary information unit connected to it, for example, a PC.

Кроме того, управляющий модуль одновременно производит самокалибровку устройства с учетом погрешностей измерений.In addition, the control module simultaneously performs the self-calibration of the device taking into account measurement errors.

Процесс самокалибровки включает в себя внесение данных в ПК, касающихся сведений о расстояниях между модулями, и осуществляется следующим образом. От излучателя одного из модулей посылается сигнал в направлении приемников остальных модулей. Сигнал, достигший приемников быстрее всех, предположительно будет считаться прямым и, следовательно, данное расстояние будет считаться кратчайшим. Из полученных длин кратчайших отрезков составляют и получают координаты нахождения модулей. В случае изменения или отклонения модулей от своего предыдущего местоположения ПК записывает новые относительные координаты модулей, что позволяет получать координаты объекта относительно управляющего модуля более точными. Благодаря самокалибровке, устройство учитывает погрешность координат объекта.The self-calibration process includes entering data into the PC regarding information about the distances between the modules, and is carried out as follows. A signal is sent from the emitter of one of the modules in the direction of the receivers of the remaining modules. The signal that reaches the receivers faster than anyone else is supposed to be considered direct and, therefore, this distance will be considered the shortest. From the obtained lengths of the shortest segments, they compose and obtain the coordinates for finding the modules. If the modules change or deviate from their previous location, the PC records the new relative coordinates of the modules, which allows you to get the coordinates of the object relative to the control module more accurate. Thanks to self-calibration, the device takes into account the accuracy of the coordinates of the object.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, гдеThe inventive utility model is illustrated by drawings, where

Фиг.1 - вариант схемы расположения модулей 3-D сканера в пространстве;Figure 1 is a variant of the layout of the modules 3-D scanner in space;

Фиг.2 - схема единичного модуля (например, 1.1) устройства для бесконтактного определения трехмерных координат.Figure 2 - diagram of a single module (for example, 1.1) of a device for non-contact determination of three-dimensional coordinates.

Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта представляет собой систему, состоящую из, по меньшей мере, четырех идентичных модулей 1.1-1.4, соединенных между собой, при этом каждый модуль содержит ультразвуковой излучатель сигнала 2.1-2.4.A device for non-contact determination of the three-dimensional coordinates of an object is a system consisting of at least four identical modules 1.1-1.4 interconnected, each module containing an ultrasonic signal emitter 2.1-2.4.

Кроме того, каждый модуль включает приемник 3.1-3.4 и усилитель 4.1-4.4 отраженного от объекта сигнала. В качестве усилителей применяют, как правило, операционные усилители.In addition, each module includes a receiver 3.1-3.4 and an amplifier 4.1-4.4 of the signal reflected from the object. As amplifiers used, as a rule, operational amplifiers.

Сбор и обработка информации в каждом модуле осуществляется с помощью микроконтроллеров 5.1-5.4, при этом разрядность микроконтроллера составляет не менее 16 бит.The collection and processing of information in each module is carried out using microcontrollers 5.1-5.4, while the capacity of the microcontroller is at least 16 bits.

Каждый микроконтроллер обеспечивает выполнение таких функций, как генерация электрического сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель, управление приемом и усилением отраженного от объекта сигнала, цифровая обработка полученного сигнала, передача полученных результатов на модуль, выбранный в качестве управляющего, в качестве которого может быть использован любой из четырех, например, 1.1, который осуществляет первичную обработку уже всей информации, полученной со всех модулей с целью получения координат исследуемого объекта, а также последующую передачу полученной и обработанной от всех модулей информации на блок вторичной обработки информации 6, в качестве которого применяют ПК.Each microcontroller provides functions such as generating an electric signal supplied to an ultrasonic emitter, controlling the reception and amplification of the signal reflected from the object, digitally processing the received signal, transmitting the results to a module selected as the control, which can be used as any four, for example, 1.1, which carries out the initial processing of all the information received from all modules in order to obtain the coordinates of the object under study, and also the subsequent transfer of information received and processed from all modules to the secondary information processing unit 6, which is used as a PC.

Помимо этого, управляющий модуль производит самокалибровку устройства.In addition, the control module performs a self-calibration of the device.

Порядок соединения модулей 1.1-1.4, приведенный на фиг.1, представляет собой только один из возможных вариантов осуществления полезной модели. На практике могут быть реализованы различные варианты расположения модулей 1.1-1.4.The connection order of the modules 1.1-1.4, shown in figure 1, is only one of the possible embodiments of the utility model. In practice, various options for the location of modules 1.1-1.4 can be implemented.

Осуществление полезной модели подтверждается примерами конкретного выполнения.The implementation of the utility model is confirmed by examples of specific performance.

Предлагаемое к защите устройство работает следующим образом.The device proposed for protection works as follows.

При проведении сканирования модули устройства должны быть надежно зафиксированы, чтобы исключить возможность их произвольного перемещения во время работы, что достигается посредством использования различных штативов и регулируемых универсальных подставок (на чертеже не показаны).During the scan, the device modules must be firmly fixed to exclude the possibility of their arbitrary movement during operation, which is achieved by using various tripods and adjustable universal stands (not shown in the drawing).

Сгенерированный микроконтроллером 5.1-5.4 сигнал подается на излучатель 2.1-2.4 модулированным, что позволяет приемнику 3.1-3.4 отличать сигнал от фона.The signal generated by the 5.1-5.4 microcontroller is modulated to the emitter 2.1-2.4, which allows the receiver 3.1-3.4 to distinguish the signal from the background.

Модулированный электрический сигнал, сгенерированный с помощью микроконтроллера 5.1-5.4, направляются на мембрану ультразвукового излучателя 2.1-2.4, который превращает его в акустический и, в свою очередь, направляет в сторону исследуемого объекта.The modulated electrical signal generated by the microcontroller 5.1-5.4 is sent to the membrane of the ultrasonic emitter 2.1-2.4, which turns it into an acoustic one and, in turn, directs it towards the object under study.

Акустический сигнал, достигая объекта, отражается от него и поступает в приемник 3.1-3.4, где преобразуется снова в электрический, а затем поступает на усилитель 4.1-4.4. Усиленный электрический сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера 5.1-5.4, где преобразуется в дискретный временной ряд, который анализируются программой микроконтроллера. Время, прошедшее между моментом излучения сигнала и моментом, когда отраженный импульс достиг приемника, используют для вычисления расстояния до исследуемого объекта.The acoustic signal, reaching the object, is reflected from it and enters the receiver 3.1-3.4, where it is converted again into an electric one, and then enters the amplifier 4.1-4.4. The amplified electrical signal is fed to the input of the ADC of the microcontroller 5.1-5.4, where it is converted into a discrete time series, which are analyzed by the microcontroller program. The time elapsed between the moment of signal emission and the moment when the reflected pulse reaches the receiver is used to calculate the distance to the object under study.

Первичные временные ряды, содержащие информацию обо всех координатах объекта, сначала обрабатываются микроконтроллерами 5.1-5.4, а затем передаются на управляющий модуль, например, 1.1, в котором происходит первичная обработка уже всей полученной с модулей 1.1.-1.4 информации и формируется «облако точек». Данное «облако» передается на блок вторичной обработки информации 6, при этом ПК обрабатывает данную информацию и производит вычисление координат объекта по трем ортогональным направлениям (3D-объект) с последующей визуализацией полученных результатов на мониторе.The primary time series containing information about all the coordinates of the object are first processed by microcontrollers 5.1-5.4, and then transferred to a control module, for example, 1.1, in which the initial processing of all the information received from modules 1.1.-1.4 takes place and a “point cloud” is formed . This "cloud" is transmitted to the secondary information processing unit 6, while the PC processes this information and calculates the coordinates of the object in three orthogonal directions (3D object) with subsequent visualization of the results on the monitor.

В заявляемом устройстве для связи с ПК 6 используют универсальный высокоскоростной интерфейс, например, USB, который обеспечивает необходимую пропускную способность для передачи информации от каждого сканирующего модуля 1.1-1.4.In the inventive device for communication with PC 6 use a universal high-speed interface, for example, USB, which provides the necessary bandwidth for transmitting information from each scanning module 1.1-1.4.

Питание на микроконтроллеры 5.1-5.4 подается по USB интерфейсу (на чертеже не показан).Power to the microcontrollers 5.1-5.4 is supplied via the USB interface (not shown in the drawing).

Создание компактного устройства достигается в том числе, путем использования smd-компонентов.The creation of a compact device is achieved, among other things, by using smd components.

Применение заявляемого устройства для бесконтактного определения трехмерных координат объекта позволяет получить и построить его трехмерное изображение.The use of the claimed device for non-contact determination of three-dimensional coordinates of an object allows to obtain and build its three-dimensional image.

Универсальность устройства обеспечивается за счет возможности расположения его модулей в пространстве в любой последовательности, в разных плоскостях, при этом компактность устройства сохраняется.The universality of the device is ensured by the possibility of arranging its modules in space in any sequence, in different planes, while the compactness of the device is maintained.

Кроме того, устройство производит самокалибровку.In addition, the device performs self-calibration.

Claims (2)

1. Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат объекта (3D-сканер), включающее блок излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, блок приема отраженного от объекта ультразвукового сигнала, блок обработки информации, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, четыре модуля, каждый из которых выполнен с возможностью излучения ультразвукового сигнала в направлении объекта, приема и усиления отраженного от объекта ультразвукового сигнала, а также с функциями цифровой обработки сигнала в микроконтроллере, обеспечивающем генерацию модулированного сигнала, цифроаналоговое и аналого-цифровое преобразование сигнала, обработку полученной информации, при этом любой из модулей, взятый в качестве управляющего и представляющий собой блок первичной обработки информации, полученной со всех модулей, производит самокалибровку устройства и подключен к блоку вторичной обработки информации, получаемой со всех модулей.1. A device for non-contact determination of the three-dimensional coordinates of an object (3D scanner), including a block for emitting an ultrasonic signal in the direction of the object, a block for receiving an ultrasound signal reflected from the object, an information processing unit, characterized in that it contains at least four modules, each of which it is made with the possibility of emitting an ultrasonic signal in the direction of the object, receiving and amplifying an ultrasonic signal reflected from the object, as well as with functions of digital signal processing in the microcontroller providing the generation of the modulated signal, digital-to-analog and analog-to-digital signal conversion, processing of the received information, while any of the modules taken as the control unit and representing the primary processing unit of the information received from all the modules performs self-calibration of the device and is connected to the secondary processing unit information received from all modules. 2. Устройство для бесконтактного определения трехмерных координат (3D-сканер) по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока вторичной обработки информации используют, например, ПК.

2. A device for non-contact determination of three-dimensional coordinates (3D scanner) according to claim 1, characterized in that, for example, a PC is used as a secondary information processing unit.

Images