MEHHATROONIKAINSTITUUT Mehhatroonika õppetool
Rehvi turvise sügavuse mõõtmine
Allar Busch Harri Parker Oliver Mets Renee Kauler Sandra Sepp Ervin Piigli
Juhendajad: Maido Hiiemaa Prof. Mart Tamre
Tallinn 2013
1
Sissejuhatus ......................................................................................................................... 3
2
Ülevaade hetkeolukorrast .................................................................................................... 5
3
2.1
Olukord Eestis .................................................................................................... 5
2.2
Seadusandlus ...................................................................................................... 6
2.3
Olemasolevad lahendused .................................................................................. 7
2.3.1
Visuaalse indikaatori abil............................................................................ 7
2.3.2
1 € mündi abil ............................................................................................. 8
2.3.3
Rehvisügavuse mõõteseade ........................................................................ 8
2.3.4
Digitaalne rehvisügavuse mõõteseade ........................................................ 9
2.3.5
Automaatne rehvisügavuse mõõtja (ProContour H3-D jure) ..................... 9
projekti lahenduse variandid.............................................................................................. 12 3.1
3.1.1
Variant 1 – Nõelad .................................................................................... 12
3.1.2
Variant 2 – Rullikud ................................................................................. 16
3.2
4
Mehaaniline ...................................................................................................... 12
Kaudne meetod................................................................................................. 18
3.2.1
Ultraheli .................................................................................................... 18
3.2.2
Valguskiirus .............................................................................................. 19
3.2.3
Interferents ................................................................................................ 21
3.2.4
Faasinihe ................................................................................................... 22
3.2.5
Triangulatsioon ......................................................................................... 23
Pakutav lahendus – triangulatsioon ................................................................................... 24 4.1
Lahenduse ülevaade ......................................................................................... 24
4.1.1
Konstruktsiooni arendus ........................................................................... 24
4.1.2
Lõplik konstruktsioon ............................................................................... 26
4.1.3
Katsestendi komponendid ......................................................................... 27
4.1.4
Optika........................................................................................................ 29
4.1.5
Tarkvara .................................................................................................... 32
5
Kokkuvõte ......................................................................................................................... 37
6
Lisad .................................................................................................................................. 38
2
1 SISSEJUHATUS 2011.aasta 4.detsembrist rakendunud EL-i määrusega on määratud kindlaks kõige raskemad autoveoalased rikkumised. Üks selline rikkumine on sõiduki sõitmine väga tõsiste puudustega rehvidega ehk sõitmine liialt kulunud rehvidega, kus rehvi mustri jääksügavus on alla lubatud suurust. Autorehvid etendavad suurimat osa tehnikast tingitud avariides. Auto juhtimine toimub rehvide ja tee vahelise nelja väikese kokkupuutepinna kaudu. Seetõttu võib julgelt väita, et rehvid on sõiduki üheks tähtsamaks komponendiks. Rehvidest sõltuvad auto juhitavus, pidurdamine ja ka kiirendus ehk sõiduohutus. Kuna praegu toimub rehvide mustri sügavuse mõõtmine käsitsi ja visuaalselt, siis võib oletada, et paljud transpordivahendid sõidavad liialt kulunud rehvidega, mida tõestavad ka viimasel ajal toimunud mitmete traagiliste tagajärgedega liiklusõnnetused. Samuti võib väita, seoses rehvide mustri sügavuse mõõtmisega käsitsi on vastavatel ametkondadel ja ametiisikutel võimatu teostada rehvide kulumise mõõtmisi sõidukitel pidevalt ja massiliselt. Pisteliselt teostatud rehvide mustri sügavuse mõõtmised transpordivahenditel on ebapiisav ja see võib olla ka üks põhjus, miks meie teedel ja tänavatel sõidavadki paljud transpordivahendid liialt kulunud rehvidega, mis kujutab vahetut ohtu liiklusohutusele. Samas peaksid kõik vedajad ja transpordifirmad olema väga huvitatud rehvide kulumise jälgimisest. Kõik vedajad on huvitatud, et rehvide läbisõidu suurus oleks vastavuses valmistajatehase poolt lubatud suurusele. Rehvide kulumise kaudu on võimalik kaudselt hinnata transpordivahendi tehnilist seiskorda, nt rataste kokkujooksu, pidurite korrasolekut jm muid tehnilisi näitajaid, mis mõjutavad rehvide liigset kulumist. Arvestades rehvide küllaltki kallist hinda on ettevõtjatel, vedajatel majanduslik otstarbekas teostada rehvide mustri sügavuse mõõtmisi perioodiliselt. Rehvi mustri sügavuse mõõtmistulemuste kaudu saab hinnata, kas auto juures on midagi tehniliselt korrast ära, mis põhjustab liialt suure rehvide kulumise. Kokkuvõttes peaks rehvi mustri sügavuse mõõtmise seadme kasutusele võtmine kaasa aitama liikluse ohutuse suurenemisele meie teedel. Transpordifirma omanikele ja vedajatele annab rehvi mustri sügavuse mõõtmise seadme kasutusele võtmine
3
majanduslikku tulu, sest teostatud mõõtmistulemuste kaudu avastab sõiduki tehnilised vead, mis võivad põhjustada rehvide liigset ja ennetähtaegset kulumist. Rehvimustri sügavuse mõõtmiseks kasutatakse praegu: rehvimustri sügavuse mõõdikuid (tyre gauges automative series) või Moto Detail digitaalne rehvimustri sügavuse mõõtmisseade ja muid seadmeid. Nende kasutamise miinus ongi, et välitingimustes on nende kasutamine küllaltki ebamugav ja aeganõudev. Mõõtmise teostamine võtab palju aega ja tulemused fikseeritakse käsitsi. Sihtgrupp, kes peaks olema huvitatud rehvi mustri jääksügavuse seadme kasutamisest oleks
järgmine:
transpordifirmad,
vedajad,
liikluspolitsei,
Rehviliit,
sõidukite
tehnoülevaatuspunktid, rehvitöökojad, rehvivahetuspunktid, autode remonditöökojad jne. Projekti
tulemusena
on
vaja
teha
rehvimustri
sügavuse
mõõtesüsteemide
lahendusprintsiipide sobivusuuring ja rehvimustri sügavuse mõõteseadme printsiibi võimaliku lahendusuuring ning pakkuda välja omapoolse rehvimustri sügavuse mõõtesüsteemi ideelahenduse.
4
2 ÜLEVAADE HETKEOLUKORRAST 2.1 Olukord Eestis Olles suhelnud auto- ja veoautorehvide edasimüüjatega, võib öelda, et Eestis on probleem mittekvaliteetsete ja kulunud rehvide kasutusega. Rehvid on tihti see koht, kus autoga seotud kuludest esimesena kokku hoitakse; kahjuks on see nii ka transpordifirmade puhul, kus näitena võib tuua olukorra, kus uus rehv ostetakse siis, kui vana lõhkeb. Eestis kehtiva seaduse alusel on minimaalne rehvimustri jääksügavus veoautol 2,0 mm ja sõiduautol 1,6 mm. Võib märkida, et näiteks Norras, kus on piirkondasi ohtlike mägiteedega, on minimaalne veoauto rehvimustri sügavus 5 mm. Ostes uue rehvi, on sõiduautodel rehvimustri sügavus keskmiselt 8-10 mm ning veoautodel 10-20 mm olenevalt sellest, kus on rehvi kasutusala ja millise silla rehviga on tegu. Veoautodel on vedaval sillal ja mittevedaval sillal erinev rehvimuster, samuti pakuvad tootjad linnaliiklusesse (ühistransport) mõeldud rehve, kus on parem küljetugi, et kurvides rehv läbi ei vajuks.
Joonis 1 Tüüpiline veoauto esisilla muster
Tõrge! Ei leia viiteallikat. on välja toodud tüüpiline veoauto esisilla muster, mis on disainitud eesmärgiga saavutada võimalikult väike veertakistus. Joonis 2 on näidatud tüüpiline veoauto vedava silla rehvimuster, mis on disainitud hea haarduvuse eesmärgiga.
5
Joonis 2 Tüüpiline veoauto vedava silla rehvimuster
2.2 Seadusandlus Eestis kehtiva seaduse, Teede- ja sideministri 18. mai 2001. a määruse nr 50 «Mootorsõiduki ja selle haagise tehnoseisundile ja varustusele esitatavad nõuded» muutmine, paragrahvi 3, lisa 1 kood 1507, punkt 3 ütleb, et rehvimustri sügavus peab olema veoautol vähemalt 2,0 mm. 1 Paragrahvi 3 lisa 1 kood 1507 muudetakse ja sõnastatakse järgmiselt: 3) rehvi mustri sügavus peab olema vähemalt 2,0 mm; Kontrollimine: vastavalt
direktiivile
96/96/EÜ
(paranduste
direktiivid
1999/52/EÜ, 2001/9/EÜ ja 2001/11/EÜ) valmistaja või tema volitatud esindaja poolt välja antud tunnistuste olemasolul.»; «Kood 1508. EURO3 ohutu veoauto («EURO3 safe lorry») 3) rehvi mustri sügavus peab olema vähemalt 2,0 mm; Kontrollimine: vastavalt
direktiivile
96/96/EÜ
(paranduste
direktiivid
1999/52/EÜ, 2001/9/EÜ ja 2001/11/EÜ) valmistaja või tema volitatud esindaja poolt välja antud tunnistuste olemasolul.»; Kood 1509. Ohutu veoauto või EURO3 ohutu veoauto haagis 1
https://www.riigiteataja.ee/akt/86840 - Riigiteataja
6
Nõuded: 1) rehvi mustri sügavus peab olema vähemalt 2,0 mm; Kontrollimine: vastavalt
direktiivile
96/96/EÜ
(paranduste
direktiivid
1999/52/EÜ, 2001/9/EÜ ja 2001/11/EÜ) valmistaja või tema volitatud esindaja poolt välja antud tunnistuse olemasolul.»;
2.3 Olemasolevad lahendused Peamiselt kasutatakse rehvide mõõtmiseks otseseid indikaatoreid, millest on ülevaade järgnevates peatükkides. Lisaks nendele on turul olemas ka üks optiline mõõteseade, mis ei ole väga levinud variant.
2.3.1 Visuaalse indikaatori abil Rehvitootjad valmistavad rehvid selliselt, et rehvimustri sisse on pandud kulumispiiri tähistav märge - rehvimajakas. Kui ülejäänud osa rehvimustrist kulub selle märgendini, siis tuleks rehvid välja vahetada. Suverehvidel tähistab märk 1,6 mm piiri ning talverehvil 3 mm. Märgendi kuju ja asukoht sõltub rehvitootjast. Antud joonisel (Joonis 3) on ta terve rehviulatuses joonena, kuid võib ka olla katkendjoonena või klotsikestena, mis asetsevad mustrite vahel.
Joonis 3 Rehvimajakas
7
Selle meetodi eeliseks on kindlasti see, et ei nõua täiendavaid väljaminekuid lisaseadmete näol, kuid miinuseks selle nähtavus ning see on ainult indikatsiooniks, kas rehv vastab nõuetele või mitte.
2.3.2 1 € mündi abil Rehvimustri sügavuse mõõtmise meetod 1 Euro mündiga (Joonis 4). Münt tuleb asetada turviseblokkide vahele ning kui selle kollane äär ära kaob, siis on mustri sügavus piisav, kui aga jääb nähtavaks, siis on sügavust alla 3 mm.
Joonis 4 Mõõtmine 1€ mündi abil
Selle meetodi miinused ja plussid on analoogsed eelmisele mõõtevariandile.
2.3.3 Rehvisügavuse mõõteseade Mõõtepiirkond 0-20 mm, väikseim jaotise väärtus on 0,1 mm. Tööpõhimõte on selline, et seadmel olev teravik (nõel) lükatakse rehvimustri sisse ning seejärel võetakse mehaaniliselt skaalalt lugem, kuhu on ära märgistatud 1,6 mm ja 3 mm piir (Joonis 5).
Joonis 5 Analoog mõõteseade
8
Võrreldes eelnevate variantidega saab selle abil teada juba täpsema turvise sügavuse, kuid see eeldab, et mõõtjal peab olema seade eelnevalt soetatud, mis väljendub teatud kulutuse näol. Analoogset seadet kasutab ka Politsei ja Piirivalveamet ning Rehviliit.
2.3.4 Digitaalne rehvisügavuse mõõteseade Mõõtepiirkond 0-25 mm, väikseim jaotise väärtus 0,01 mm, veapiir (+/-) 0,02 mm. Töötab samal põhimõttel nagu eelmine seade, kuid selle erinevusega, et tal on olemas näidu kuvamiseks digitaalne näidik, mistõttu vajab antud seade töötamiseks patareisid (Joonis 6).
Joonis 6 Digitaalne mõõteseade
Võrreldes analoogse mõõteseadmega on antud vahendil palju suurem täpsus, kuid tuleb arvestada, et ka väljaminek selle soetamiseks on arvestatavalt suurem. Analoogset seadet kasutab ka Politsei ja Piirivalveamet ning Rehviliit.
2.3.5 Automaatne rehvisügavuse mõõtja (ProContour H3-D jure) Automaatne rehvisügavuse mõõtja leiutati 2006 aastal Saksamaal, mis erinevalt eelnevatest meetoditest mõõdab rehvimustrit liikumise pealt (Joonis 7). Töötab ta lasertriangulatsiooni meetodil (Joonis 8). Tarkvara tuvastab, kas muster jääb lubatud
9
piiridesse. Iga mõõtemoodul genereerib umbes 400 pilti sekundis, kusjuures iga pilt katab 400 x 25 mm suuruse ala.
Joonis 7 Mõõtemoodul
Mõõtemoodulid sisaldavad laserit ning kiiret digikaamerat, mis salvestab rehvist 3D profiili. Kuna tulemusi töödeldakse reaalajas, siis liiklustihedus süsteemi ei sega. Kahte rehvi mõõdetakse alati eraldi ning nende jaoks on ka eraldi kasutajaliides.
Joonis 8 Tööpõhimõte
10
Mõõtemoodulid paigaldatakse vaatluskaevudesse või U-tähe kujulisse avasse (Joonis 9). Kui rehvimustri sügavus ei vasta miinimumnõuetele, siis vastav auto pildistatakse ning pilt saadetakse edasi politseiametnikele.
Joonis 9 Mooduli kasutusvariandid
ProContour H3-D juret on saadaval kahes tüübis B ja C, kusjuures B on ettenähtud suurema liiklusega kohtades maksimumkiirusega 120 km/h, selle käigus suudab ProContour H3-D jure B teha kindlaks rehvimustri sügavuse, mustri ning rehvitüübi. ProContour H3-D jure C aga väiksema liikluskiirusega aladel nagu näiteks parkimisaladel maksimumkiirusega 15 km/h, mille käigus suudab ta tuvastada rehvimustri sügavuse, mustri, rehvitüübi, rehvirõhu ning teljekoormuse. Lahenduse eeliseks on suur efektiivsus ning täpsus, täiendavalt suudab see järelvalvajale väljastada rohkem lisainformatsiooni kui ainult mustri sügavus. Lahenduse miinuseks on kõrge hind.
11
3 PROJEKTI LAHENDUSE VARIANDID Olemasolevate lahendustega tutvumine ning nende analüüs andis hea ülevaate, mis turul leidub ning mis on juba proovitud ja ennast tõestanud variandid. Lähtuvalt meeskonnaliikmete erinevatest kogemustest ja oskustest jagunesid pakutavad uued lahendused üsna kiirelt kaheks:
Otsene mõõtmine (mehaaniline)
Kaudne mõõtmine (optiline/heli)
Järgnevalt on ülevaade erinevate variantide elujõulisustest ja võimalustest.
3.1 Mehaaniline Mehaanilise mõõtelahenduse pakutud variandid osutusid suhteliselt sarnasteks – üks neist lihtsama, kuid vastupidavama variandina ning teine tehniliselt keerukama konstruktsiooniga.
3.1.1 Variant 1 – Nõelad Esimene mehaaniline idee põhineb testinõelte rakendamisel (Joonis 10). Antud nõelad on laialdaselt kasutusel testimisseadmetes, kus on tähtis vastupidavus ning üsna pikk eluiga. Nõelte materjalivalik on küllaltki lai ning meie lahendusele oleks parim kõrglegeeritud vedru teras, mis on enamvähem sarnane roostevaba terasega.
Joonis 10 Lülitusega testinõelte tööpõhimõte.
12
Testinõele pakkuvaid ettevõtteid on palju ning samuti on ka lai valik otsikuid. Rehvimustri sügavuse mõõtmiseks on parimad ümarpeaga (Bullet Nose) testinõelad. (Joonis 11)
Joonis 11 Ümarpea otsik
Kuna rehvimustri sügavuse mõõtja peab kannatama karme välistingimusi (vesi, kivid, tolm ja nende kombinatsiooid), siis on tarvis kasutada tihendit (Joonis 12). Tihendi eesmärk on ära hoida vee sattumist testinõela sisemusse, kus see võib põhjustada lühist. Samuti hoiab tihend otsese tolmu ja liiva sattumist liikuva osa vahele, mis lühendab testinõela eluiga.
Joonis 12 Tihendiga ümarpea testinõel
13
3.1.1.1 Ülesehitus Mehaanilist rehvimustri sügavuse mõõtjat näeb alloleval joonisel (Joonis 13). Äravoolukanalid, mis on väikese nurga all, juhivad süsteemi sattunud vee külgedelt välja.
Joonis 13 Mehaaniline rehvimustri sügavuse mõõtja ülesehitus
Konstruktsioon koosneb kahest osast. Ülemine plaat, mis on lihtsasti lahtivõetav, annab võimaluse vahetada testinõelasid. Alumine konstruktsioon keevitatakse kokku terasprofiilidest ning kaetakse terasplaatidega. Kindlasti ei saa see olema täismaterjal nagu on hetkel kontseptsiooni piltidel.
Joonis 14 Isomeetriline vaade I mehaanilisest lahendusest
14
Testinõeltega rehvimustri sügavuse mõõtja on põhimõttelt mobiilne kiirustõke („lamav politseinik“), mida on võimalik paigutada sõiduteele. Antud süsteem on diskreetne ning annab teada, kas rehvimustri sügavus on piisav või mitte. Testinõelad on paigutatud lähestikku kahte ritta, et katta kogu rehvi ulatus (Joonis 14). Juhul, kui sõidab üle rehv, mille mustrisügavus on vähemalt 3 mm, siis mustri sisse sattuvad nõelad jäävad ülemisse asendisse ning ei toimu lülitust. Olukorras, kus sõidetakse üle liialt kulunud rehviga, vajutatakse alla kõik testinõelad ning lülitused registreeritakse mikrokontrolleri poolt. Tulemus edastatakse raadiosageduse või mõnel muu viisil kasutajaliidesele.
3.1.1.2 Katsetused Alguses tundus
kõige
suuremaks probleemiks
testinõela vastupidavus
rehvi
pealesõitmise hetkel, kus tekivad jõud, mis võivad väänata nõela. Sellest omakorda võib tekkida olukord, kus nõelad kiiluvad kinni. Arvutuslikult lahendada seda probleemi tundus mõttetu, kuna ei pruugi saada õiget tulemust. Seega sai ehitatud lihtne katsestend, mis koosnes alumiiniumklotsist, kuhu sisse oli puuritud augud testinõelte jaoks, ning 50x150 mm puitprussist, kuhu sai paigaldada alumiiniumklotsi (Joonis 15).
Joonis 15 Prussi sees olev alumiiniumklots koos erinevate testinõeltega
Valmis katsestendi viisime välja ning sõitsime sõiduautoga korduvalt nõeltest üle. Sõiduautol olid kulunud suverehvid ligikaudu 1,7 mm mustrisügavusega. Katse 15
õnnestus ning testinõelad ei väändunud, isegi mitte siis kui nõela pea ulatus klotsist välja 4-5 mm.
3.1.1.3 Kokkuvõte I mehaanilist lahendust otsustasime mitte edasi arendada seoses edusammudega optilise mõõtesüsteemi arendamisega ning seetõttu ei ole lahendust detailsemalt uuritud ega lahendatud. Samuti nägime, et antud mehaaniline lahendus ei ole nii töökindel kui optiline mõõtesüsteem.
3.1.2 Variant 2 – Rullikud Teine mehaaniline lahendus tekkis ideest lahendada probleem, et üle veerev rattas võib vigastada mõõtepead. Alloleval eskiisil (Joonis 16) on näidatud üks võimalik variant selle probleemi lahendamiseks, kus mõõtepeana on kasutatud pöörlevat ratast. Selline lahendus kõrvaldab ohu, et ülesõitev kiirendav või pidurdav ratas purustaks mõõtepea, sest mõõtepea liigub rattaga ülesõites vajadusel kaasa.
Joonis 16 Eskiis II mehaanilisest lahendusest
Selline lahendus töötab registreerides mustri sügavust rehvimustri pikisoones, kuid risti sügavusi antud lahendus ei mõõda. Allolevatel joonistel (Joonis 17 ja Joonis 18) on näha süsteemi mõõtepeade mastaapi autoratta suhetes ning sellise suurusega mõõtepeaga on ilmne, et risti rehvimustrite sügavuse mõõtmine ei õnnestu.
16
Joonis 17 Isomeetriline vaade II mehaanilise lahendus suurus võrreldes auto rattaga
Joonis 18 Pealtvaade II mehaanilisest lahendusest
Lahendus on dimensioneeritud esialgu selliselt, et registreeritakse ainult seda, kas rehvimuster on Eesti seadustele vastav või mitte ehk ratta üleveeremisel registreeritakse kõik andurid, mis ei ole sattunud rohkem kui 1,6 mm sügavusse avasse. Võimalik reaalne nõuetele mittevastava rehvi registreerimine toimuks selliselt, et arvuti algoritm registreerib sobimatuks sellise rehvi, mille allavajutatud andurite piirkonna sees ei ole ühtegi üles jäänud andurit. Dimensioneeritud lahendusel oli piki ülesõitmise suunas andur iga 5,6 mm tagant, mis on piisavalt tihe, et pikisoonega rehvimustri korral muster registreerida. Andurite jaotus on näidatud jJoonis 19.
17
Joonis 19 II mehaanilise lahenduse mõõtepeade võimalik tihedus
II mehaanilist lahendust otsustasime mitte edasi arendada seoses edusammudega optilise mõõtesüsteemi arendamises ning seetõttu ei ole lahendust detailsemalt uuritud ega lahendatud.
3.2 Kaudne meetod Alustasime erinevate kaudsete meetodite kaardistamisega, mille abil on võimalik erinevaid vahemaid mõõta. Peamiselt jagunesid need kaheks, (ultra-) helisignaali abil või valgussignaali (laseri) abil. Mainitud võimalusi on kirjeldatud järgnevates alampeatükkides lähemalt.
3.2.1 Ultraheli Ultraheli andur töötab sarnasel põhimõttel radariga mis registreerib raadio või helilainete kaja uuritavalt objektilt. Ultraheli andurid genereerivad kõrgesagedusega helilaineid ja registreerivad kaja, mis tuleb helilainetele ette jäänud objektidelt. Andurid arvutavad aja vahe saadetud ja registreeritud signaali vahel ning tuletavad sellest objekti kauguse andurist (Joonis 20). Ultraheli andureid kasutatakse kauguse mõõtmiseks, kiiruse mõõtmiseks ja suuna mõõtmiseks.
18
Joonis 20 Ultraheli anduri põhimõtte skeem
Mõõteseadmes on muundur, mis muundab elektrienergia heliks, genereerib helilaineid üle 18 kHz ning vastuvõtja, mis registreerib helilained ja muundab need elektrienergiaks, mida on võimalik mõõta. Antud lahendust ei saa rehvi turvise kõrguse mõõtmiseks kasutada, kuna mõõdetav pind asub nii-öeldes kitsa kanali põhjas, mille seinad hakkavad omakorda helisignaale peegeldama ning selle tulemusena pole võimalik enam eristada vajalikku signaali.
3.2.2 Valguskiirus Valguskiirus on rahvusvaheline füüsikaline konstant, mida tähistatakse tähega c ja mille väärtuseks vaakumis loetakse täpselt 299 792 458 m/s. Valguslaineid on võimalik sarnaselt ultrahelilainetega kasutada kauguse mõõtmiseks. Valguslaine saatmine registreeritakse ning loetakse aega kuni registreeritakse tagasipeegelduv laine. Teades konstanti c on võimalik tuletada objekti kaugus. Antud füüsikalist põhimõtet proovisime labori tingimustes katsetada.
19
Laser
Ostsilloskoop
Joonis 21 Katse elektroonikaskeem
Katsetamaks valguse kiirusega lühikeste vahemaade mõõtmise võimalikkust tuli ehitada katseskeem (Joonis 21). Katseskeemi saab jagada kolmeks: saatja (laser) ja selle juhtimine, vastuvõtja (fototransistor, fotodiood
või
fototakisti) ja mõõteriist
(ostsilloskoop). Laseri sisse- ja väljalülitamine toimub lülitiga S1. Kasutusel on „pushbutton“ tüüpi lüliti, mida vajutades tekib transistori baasiahelas vool, mis küllastab transistori Q1 ja transistor avaneb täielikult. Transistori täielikul avanemisel tekib kollektori ja emitteri vahel ühendus, mille kaudu sulgub laseri käivitamiseks vajalik vooluahel. Takisti R2 on vajalik pingelangu tekitamiseks, sest laser saab 5V toite, kuid laseri nimipinge on 3V. Vastuvõtjana saab antud elektriskeemi konfiguratsioonis kasutada nii fototransistori, fotodioodi kui ka fototakistit. Kõikide loetletud elektroonikakomponentide puhul muutub komponendile valguse langemisel selle takistus ja seetõttu moodustub koos takistiga R3 pingejagur, mis on skeemil välja toodud musta kasti sees. Nii pingejaguril tekkiv pingenivoo kui ka nupu S1 vajutus fikseeritakse ostsilloskoobi abil (Joonis 22).
20
Joonis 22 Skeemi katsetamine. Kollane - laseri aktiveerimine; Roheline - fotoelemendi küllastumine
Seda lähenemist ei saanud me katsetuste tulemusena lõpplahenduses kasutada – kuigi teoreetiline lähenemine võimaldaks selle meetodiga mõõta 0,6 mm täpsust, siis kasutusel olevad fotosensorite küllastusaeg on pikka ja mitte piisavalt konstantne suurus, et suuta eristada ajalisi erinevusi mõõtmaks läbitud teepikkust. Seoses valguse suure kiirusega on mõistlik valguslaineid kasutada kaugemate vahemaade mõõtmiseks.
3.2.3 Interferents Interferents on füüsikaline nähtus, kus kahe laine liitumisel saadakse uus laine, mille amplituut on suurem või väiksem. Üldjuhul mõeldakse interferentsi all selliste lainete liitumist, mis on üksteisega seotud või koherentsed. Selle jaoks peavad lained tulema samast allikast või olema lähedase sagedusega. Kauguse mõõtmine interferentsi abil teostatakse ühe laserkiire kaheks jagamisega, kus üks kiir peegeldub referentspinnal ning teine mõõdetaval pinnal (Joonis 23). Peale tagasipeegeldumist kiired liidetakse uuesti ning mõõdetakse kujutise pindala.
21
Joonis 23 Interferentsi kasutamise põhimõtteskeem
Meetod pakub võimalust kauguse suhteliseks mõõtmiseks, st. mõõdetav objekt peab asukohta muutma ja selle asukoha muutuse ajal mõõdetakse interferentspildi intensiivsuse (pindala) muutust. Rehvimustri korral oleks vaja aga mõõta absoluutset kaugust, seega selline mõõtmismeetod antud ülesande puhul ei toimi. Meetod on kasutatav peamiselt laboritingimustes.
3.2.4 Faasinihe Faasinihke abil distantsi mõõtmist teostatakse võimsuse modulatsiooniga laseri abil. Seda saab kasutada pikkade vahemaade mõõtmiseks, kuid ei ole väga täpne - seetõttu ei ole see meetod sobilik antud rakendusse. Tihti samastatakse seda meetodit aja valguse levimise kiiruse aja mõõtmise meetodiga, kuna faasi nihe on proportsionaalne ajaga, mis kulus selle edasi-tagasi liikumiseks (Joonis 24).
Joonis 24 Faasinihke mõõtmine
22
3.2.5 Triangulatsioon Triangulatsioon on geomeetriline meetod distantsi mõõtmiseks erinevate vahemaade puhul 1 mm kuni mitmed kilomeetrid, kus laserkiir peegeldatakse mõõdetavalt pinnalt. Meetodi abil mõõdetakse ühemõõtmelise sensori peal tagasi peegeldunud signaali asukohta(Joonis 25).
Joonis 25 Triangulatsioon
23
4 PAKUTAV LAHENDUS – TRIANGULATSIOON 4.1 Lahenduse ülevaade 4.1.1 Konstruktsiooni arendus Konstruktsiooni arendus oli suures osas eksperimentaalne protsess, kus esialgu tuli käepärastest vahenditest ehitatud katseobjektiga hinnata püstitatud eesmärgi saavutatavust. Esimese katsestendi puhul leidsid rakendust sinised hoiustamissahtlid, mille abil oli lihtne ehitada tugikonstruktsiooni ning mis leidsid ka kasutust katsekeha endana. Katseskeemi ülesehitus on näha järgneval joonisel (Joonis 26).
2 3 1
Joonis 26 Esimene katsestend
Laserkiire teekond on märgitud punase joonega. 1. Joonlaser on suunatud peeglile, mis peegeldab valguskiire katsekehale 2 2. Katsekehalt olev laserkiire kujutis peegeldatakse peegli abil kaamerasse 3 3. Kaamera jäädvustab laserkiire kujutise katsekehal 2 Kaamera poolt salvestatud kujutis on näha järgneval Joonis 27. Hoiustamissahtli põhjas olev reljeef on selgelt eristatav (valge ringi sees) ja seetõttu saab triangulatsiooni tööpõhimõtte esimese testimise lugeda õnnestunuks.
24
Joonis 27 Mõõdetav kujutis
Teise testimise eesmärgiks oli hinnata tööpõhimõtte sobivust juba reaalse katsekehaga, milleks oli 5 mm turvise jääksügavusega rehv. Tööpõhimõte jäi samaks, aga optilise elemendina lisandus klaas, millele toetus rehv (Joonis 28).
Joonis 28 Teine katsestend
Katsetus oli edukas, kuid tõstatas uued probleemid, mis on välja toodud optika alajaotuses. Katse tulemus on näha järgneval joonisel (Joonis 29) – rehvi muster on selgelt eristatav.
Joonis 29 Mõõdetav kujutis - rehv
Konstruktsiooni arenduse kokkuvõttena saab välja tuua järgnevad punktid, mida peab ka esmane prototüüp täitma:
25
Laseri asukoht peab olema seadistatav
Peeglite asukoht ja kaldenurk peavad olema seadistatavad
Lahendust on võimalik teostada madala korpuse sees, seetõttu peab ka prototüüp võimalikult väikese kõrgusemõõtmega olema.
Rehvi toetuspinnal olev kaitseklaas peab olema nurga all vähendamaks üleliigseid peegeldusi
Kõrvalise valguse sattumine prototüübi optikaruumi peab olema viidud miinimumini
Prototüüp peab olema mugavamaks optikaelementide seadistamiseks kergelt lahtivõetav.
4.1.2 Lõplik konstruktsioon Katsestendi konstruktsioon on ehitatud kergesti töödeldavast puidust, mis tagab esmaste tööriistadega
ehitamiseks
vajaliku
lihtsuse,
kuid
samas
pakub
piisavalt
töötlemisvõimalusi. Optikaruum on kaetud musta valgust neelava riidega, et vähendada igasuguseid kõrvalisi peegeldusi. Katsestendi gabariitmõõtmed on antud järgneval joonisel (Joonis 30).
A
95 mm
570 mm
Joonis 30 Kolmas katsestend
26
360 mm
Detail A
32 mm Lõplikus lahenduses saab mõõtmiseks kasutatava ava laiust olulisel määral vähendada. Prototüübi puhul kasutatav 32 mm ava on vajalik sobiliku ava laiuse määramiseks ning seejärel saab juba lõpp-produkti kohandada vastavalt katsetulemustele. Katsed näitasid, et piisav ava laius jääb 5 mm juurde. Väiksem ava laius annab suure eelise mõõtesüsteemi kaitsmisel väliste keskkonnamõjude ja üleliigse valguse eest. Konstruktsiooni koormustaluvus jääb 2-3 kg juurde, seega on võimalik katsetada rehvide sektoritega, kuid terviku rehviga katseid läbi viia ei saa.
4.1.3 Katsestendi komponendid 4.1.3.1 Laser Katsestendil kasutusel olev laseri parameetrid: •
Laserikiire omadused: joonlaser: o Joone laius: 3 mm 1 m kaugusel o Joone pikkus: 3 m 1 m kaugusel
•
Välismõõtmed: 9×20 mm (läbimõõt x pikkus)
•
Nimivool: 40 mA
•
Nimipinge: 3V DC
•
Eluiga: 5000 tundi
•
Laserkiire valguse lainepikkus: 650 nm
•
Töötemperatuuri vahemik: -10 °C ~ + 40 °C
•
Optiline võimsus: 5mW
•
Plastmassist optikaelemendid
27
Laseri kinnitus esmases prototüübis võimaldab muuta laseri kõrgust ja kaldenurka (Joonis 31).
Joonis 31 Laseri kinnituskonstruktsioon
Semestri jooksul läbi viidud katsetused näitavad, et laseri joone laius on täpse tulemuse saavutamiseks liiga suur, võimalik, et tegu on tehasepoolse praagiga (parameetrite hajumine), sest laserjoone laius ületas ühe millimeetri võrra tehase poolt andmelehes väljapakutud laiust.
4.1.3.2 Peeglid Kasutusel on tavalised peeglid, millel ei ole mingeid spetsiaalseid lisaomadusi. Prototüübis on peeglite kaldenurga reguleeritavuse saavutamiseks ehitatud järgneval joonisel nähaolev tugikonstruktsioon (Joonis 32).
Joonis 32 Peeglite tugikonstruktsioon
28
4.1.3.3 Kaamera Katsestendide kaameraks kasutasime Logitech QuickCam Ultra Vision veebikaamerat (Joonis 33). Kaamera parameetrid: •
1.3 MPx sensor
•
Videopildi resolutsioon: 640 x 480 px
•
Foto resolutsioon: 1280 x 960 px
Eraldi seadistamise konstruktsiooni ei olnud vaja sellele luua, kuna kaamera pöördenurka oli võimalik seadistada.
Joonis 33 Logitech QuickCam Ultra Vision
4.1.4 Optika Järgnev peatükk annab ülevaate prototüübil kasutatavatest optilisest elementidest ning nende valiku kaalutlustest. Prototüübi külgvaade on järgneval joonisel (Joonis 34). Punasega on näidatud laserkiire käik, kusjuures tegemist on joonlaseriga. Optiliste elementidena saab välja tuua järjekorras: laser, rehvilepeegeldamise peegel, kaitseklaas, kaamerassepeegeldamise peegel, kaamera.
29
laser
kaamer a
Joonis 34 Lahenduse külgvaade
Kuna laseri ja kaamera paigutus on fikseeritud, siis peeglite paigutusega tuleb saavutada olukord, kus laserist peegeldatakse valgus rehvile, mille kaamera taas kinni püüab. Peeglite paigutus on peeglite asukoha ja kaldenurga seadistamise küsimus, mille korrektsuses saab veenduda kui kaamerapildis rehvimuster pildi keskel horisontaalselt on. Palju keerukam probleem on aga üleliigsest mürast (peegeldused) lahtisaamine. Katsetused ilma korpuse sisu kaitsva klaasita olid paljulubavad, sest pilt on müravaba ja hästi masinnägemises kasutatav. Probleemid pildi kvaliteediga ilmnesid peale klaasi paigaldamist. Esimesed katsed koos klaasiga on näha järgnevatel piltidel (Joonis 35 ja Joonis 36).
Joonis 35 Katse klaasiga 1
Joonis 36 Katse klaasiga 2
30
Sellisest pildist vajaliku informatsiooni väljalugemine masinnägemistarkvara poolt on raskendatud ja Joonis 35 puhul üldse võimatu. Kuna kaitseklaas on vajalik, siis tuli hakata välja töötama variante, kuidas sellest mürast lahti saada. Esmased katsed polariseerivate, peegeldumisvastaste ja erinevate lainepikkuste filtritega ei toonud tulemusi ja seetõttu tuli otsida alternatiivseid lahendusi. Tõhusaimaks lahenduseks oli kaitseklaasi kallutamine väikese nurga alla. Rehv Veerepind
Klaas
Laser
Kaamera
Peegel
Peegel
Joonis 37 Kaitseklaasi asend
Joonisel (Joonis 37) on näidatud punasega kasulik laserkiire käik ja rohelisega mittekasulikud peegeldused. Klaasi kallutamine nurga alla tekitas olukorra, kus mittevajalikud peegeldused ei jõua teise peeglini ja seetõttu ei jõua ka kaamerasse. Rehvile peegelduvad mittekasulikud peegeldused jäävad aga informatiivsest laseri joone kujutisest kaugemale ning sellega on ka nendepoolne häiring kõrvaldatud. Kokkuvõtvalt lahendas klaasi kallutamine mittekasulikest peegeldustest põhjustatud häiringuid.
31
4.1.5 Tarkvara Antud ülesande lahendamist alustasime tarkvaras Vision Assistant mis on National Instruments’i tarkvara. Seda olime ka varasemalt kasutanud õppeaines Masinnägemine. Põhiline kasutatav tarkvara oli aga National Instruments programm Labview, mis võimaldas teha pilditöötlust ja jõuda soovitud tulemuseni.
4.1.5.1 Sisendid väljundid Rehvimustri tuvastamiseks kasutasime tavalist veebikaamerat, millega saadakse pilt edasiseks töötluseks (Joonis 38).
Joonis 38 Originaalpilt
Algul salvestasime pildi arvutisse ja kasutasime seda töötluseks aga hiljem suutis programm ise võtta veebikaamerast pildi peale igat programmi läbi käimist. Väljundiks programmist on hetkel andmete massiiv, kus iga liikme väärtus näitab selle punkti mustri põhja asukohta nulljoone suhtes. Edasine andmetöötlus toimus Microsoft Excel’iga.
4.1.5.2 Vision assistent Esialgne töötlus käsi Vision Assistant’iga. Kasutasime veebikaamerast salvestatud pilti. Seda programmi oli hea kasutada, kuna saab kohest tagasisidet, kuidas mingi pilditöötlus funktsiooni kasutamine mõjutab pilti ennast
ning kuidas ta parandab
lõpptulemust. Esmalt tehakse color plane extraction, mille tulemusel saab eraldada pildist ühe värvi ning seejärel muuta ta hall skaala pildiks (Joonis 39).
32
Joonis 39 RGB; all vasakul - Red channel; all keskel - Green channel; all paremal - Blue channel
Edasi proovisime erinevaid filtreid, et muuta pildil joonte üleminekud ühtlasemaks. Seejärel muutsime binaarseks, et oleks edasine töötlus lihtsam. Kasutasime ka lisafiltreid eraldamaks väga väikeseid ja väga suuri objekte nagu müra ja ülevalgustus äärtes. Tulemuseks oli pilt, kus joon kirjeldab rehvi mustrit (Joonis 40).
Joonis 40 Töödeldud pilt
4.1.5.3 Labview Peale Vision assistant kasutamist konverteerisime sealse koodi Labview koodiks, et seal jätkata pilditöötlemise ja mustri sügavuse tuvastamist. Esialgne kood töötas rahuldavalt sama pildiga, kuid probleemid tekkisid pildi vahetamisel. See tulenes sellest, et eelnevalt loodud koodis olid filtri väärtused muudetud selliseks, et see töötaks 33
vastava pildiga aga kui pilt vahetus, siis ei olnud selle müra ja taust täpselt samade omadustega. Labview’s lisasime ka otse kaamerast pildi võtmise, mille tulemusel töötab programm nüüd automaatselt ja pilditöötlus toimub ka kohselt. Väljundiks on, nagu eelpool mainitult, andmete massiiv. LabView koodid on välja toodud Lisades.
4.1.5.3.1 LabView koodi tööpõhimõte Esmalt eraldatakse arvuti mälus kindel puhver pildi jaoks, mis on vajalik, et järgnevalt kaamerast pilt salvestada. See pilt lisatakse loodud puhvrisse. Esimesel korral peale programmi käivitamist toimub sellega tausta salvestamine kui veel laser ei tööta. Hetkel toimib see manuaalselt laseri sisse välja lülitamisega aga hiljem on selleks andur, mis tuvastab rehvi olemas olu ning paneb siis programmi käima. Järgnevalt on tsükkel, mis kordub kuni on vaja mõõta; rohkemate mõõtmiste korral on võimalik hilisemalt keskmestada tulemusi. Sellest pildist tuleb eelneva pildi lahutamine, et eemaldada kogu informatsioon, mis ei sõltu laseri kiirest (Joonis 41).
Joonis 41 Tausta lahutamine
34
Peale taustalahutust toimub punase värvi osa pildist välja toomisega, et edasine töötlus saaks toimuda ainult punase osaga pildist. Järgmiseks on filter, mis ühtlustab jooni ning edasi on pildi hall skaalasse viimine. Hetkel on pildi binaarseks muutmise läved kasutajaliidesest muudetavad. Edasi on kaks filtrit, mis kaotavad ära väga väikesed ja suured objektid pildilt. Erosioonide arv on samuti praegusest kasutajaliidesest muudetav (Joonis 42). Viimastel katsetustel, kus oli töötav tausta lahutus, ei olnud need filtrid enam vajalikud kuna pärast pildi binaarseks muutmist oli seal alles ainult mustri joon.
Joonis 42 Kasutajaliides
Pärast eelnevat pilditöötlust toimub serva tuvastus. Seda teeb programm iga pikseli veeru kohta, leiab pikseli horisontaalse asendi selles veerus. Edasi lahutataks sellest baasiväärtus, mis püsib konstantsena, kuna rehvi pinna asukoht ei muutu ja saadakse teada mitu pikselit on joone ja baasi vahel. See jagatakse läbi teguriga, mis teisendab tulemuse millimeetriteks. Arvutuslikult on käesoleva süsteemi eraldusvõimeks 0,27 mm (tuleneb kaamera pikslitihedusest). Antud hetkel on süsteem kalibreeritud kummi plaatidega mis olid üksteise peale pandud nii et oleks võimalik mõõta kindlalt kui palju piksleid on üks millimeeter. Selle 35
tulemusega sai kalibreerida rehvimustri tuvastus programm nii et väljund tulemus oleks millimeetrites. Kindlasti tulevikus tuleb teha põhjalikum kalibreerimine, et tagada selle seose piisa täpsus. Lõpuks salvestatakse need andmefaili. Edasine töötlus on teostatud Microsoft Excel’is. Edasi arendades käivituks programm ise peale rehvi olemasolu tuvastamist. Kood peaks olema kirjutatud mõnes muus programmeerimise keeles (näiteks C++), et tuvastamine oleks kiirem.
4.1.5.4 Excel Andmed, mis Labview väljastab, sisestasime Microsoft Excel tabelisse, kus eemaldasime need andmepunktid, mis näitasid joone puudumist (ääred ja muster, mis olid valguse peegeldumiseks halva nurga all). Lisaks tegime ka lihtsama müraeemalduse, mis oli tingitud pildil oleva joone ebaühtlusest. Kuna meie laseri joon oli lai ning seetõttu võis servatuvastus eksida mõne pikseli jagu, mida tuli ühtlustada. Täiendavalt tuli ka korrigeerida baasjoont, kuna tegelikult on rehvi alumine pind alati samal kõrgusel, siis on võimalik see ära defineerida ning tulemused normaliseerida selle suhtes (Joonis 43). 7 6 5 4 3 2 1 1 28 55 82 109 136 163 190 217 244 271 298 325 352 379 406 433 460 487 514 541 568 595 622 649 676 703 730 757 784 811 838
0
Joonis 43 Mustri sügavus rehvi lõikes - Excelis töödeldud tulemus
36
5 KOKKUVÕTE Käesoleva töö tulemusena on määratud lahenduse tööprintsiip rehvi turvise sügavuse mõõtmise seadme töötava prototüübi arendamiseks. Pakutud tulemuseni jõudmiseks on läbi katsetatud ja uuritud mitmeid erinevaid füüsikalisi printsiipe ning mehaanilisi meetodeid. Eelmainitud katsete tulemusena on jäänud pinnale lasertriangulatsioonil ja masinnägemisel põhinev lahendus. Testid näitavad, et antud kombinatsioon suudab tagada piisava täpsuse ning töökindluse tagamaks võimaliku arendatava süsteemi sobilikkust selle kasutusvaldkonnas. Arendatud lahendus võimaldaks luua toodet, mis välimuselt ja mõõtudelt sarnaneks kiirustõkkele („magavale politseinikule“), millest kontrollitav auto sõidaks üle kiirusega 5-25 km/h. Tulemust analüüsiv kontroller asuks toote korpuses ning saadaks mõõdetud tulemused raadioside vahendusel mõõtmist järelvaatava isiku arvutisse. Töötava prototüübi arendamiseks tuleb järgnevalt teha tihedat koostööd tootest huvitatud osapooltega, et tagada toote konstruktsiooni, kasutajaliidese ja üldise funktsionaalsuse sobivust võimalikku töökeskkonda.
37
6 LISAD
Joonis 44 Vision Assistant'i kood LabView'sse konverteerituna
Joonis 44 Lahenduse kood LabView's
38
