ITRM20070135A1 - APPARATUS FOR DETECTING OBJECTS IMMERSED IN INCOERENT MATERIALS AND DETECTION METHOD - Google Patents

APPARATUS FOR DETECTING OBJECTS IMMERSED IN INCOERENT MATERIALS AND DETECTION METHOD Download PDF

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ITRM20070135A1
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Francesco Fedi
Carlo Giancaspro
Alessandro Pacaccio
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    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H11/00—Defence installations; Defence devices
    • F41H11/12—Means for clearing land minefields; Systems specially adapted for detection of landmines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

“ Apparato per il rilevamento di oggetti immersi in materiali incoerenti e metodo di rilevamento” "Apparatus for detecting objects immersed in inconsistent materials and detection method"

Campo dell’invenzione Field of the invention

La presente invenzione si riferisce ad apparato per l’individuazione di oggetti immersi in materiali incoerenti e metodo di utilizzo. The present invention refers to an apparatus for identifying objects immersed in inconsistent materials and method of use.

Stato della Tecnica State of the art

Il rilevamento di oggetti immersi in pietrame, terra e miscugli di materiali affini, si realizza per ispezione rigorosamente manuale per mezzo dell’inserimento di una bacchetta nel terreno. Sta alla sensibilità dell’operatore esercitare la giusta forza e alla sua abilità intuire la forma dell’oggetto eventualmente rilevato sulla base della porzione di bacchetta affondata e sull’angolo di inserzione. The detection of objects immersed in stones, earth and mixtures of similar materials, is carried out by strictly manual inspection by inserting a rod into the ground. It is up to the operator's sensitivity to exert the right force and to his ability to guess the shape of the object that may be detected on the basis of the sunken portion of the rod and on the angle of insertion.

Tale procedura soffre dell’incertezza riveniente dalla disomogeneità del fuso granulometrico, determinandosi casi in cui si rilevino falsi positivi per via di ostacoli incontrati dalla bacchetta. This procedure suffers from the uncertainty arising from the inhomogeneity of the particle size, resulting in cases in which false positives are detected due to obstacles encountered by the rod.

Uno specifico caso in cui sia necessario riconoscere oggetti sotterrati prima di procedere alla rimozione degli strati di materiale coprente attiene la procedura di bonifica di terreni disseminati da mine. A specific case in which it is necessary to recognize buried objects before proceeding with the removal of the layers of covering material concerns the procedure for the reclamation of land strewn with mines.

In tale caso, all’incertezza intrinseca della procedura di individuazione, si aggiunge la pericolosità dell’oggetto da rilevare con alto grado di rischio per l’operatore. Al fine di ridurre la probabilità di incidente esistono una serie di regole che devono essere rispettate dalle squadre di artificieri, ma che determinano un forte rallentamento delle operazioni di bonifica. Pertanto scopo della presente invenzione è quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti (risolvere i problemi su descritti) e di indicare un apparato e metodo di utilizzo dello stesso che sia più efficiente ed affidabile: in particolare, consenta di rilevare oggetti immersi in materiale incoerente senza l’intervento diretto dell’uomo e che riduca i tempi di individuazione di oggetti sotterrati, indipendentemente dalla criticità dell’operazione, ridimensionando l’effetto dei falsi positivi. In this case, the inherent uncertainty of the identification procedure is added to the danger of the object to be detected with a high degree of risk for the operator. In order to reduce the probability of an accident, there are a series of rules that must be respected by the bomb squads, but which cause a strong slowdown in the reclamation operations. Therefore, the purpose of the present invention is to overcome all the aforementioned drawbacks (solve the problems described above) and to indicate an apparatus and method of use thereof that is more efficient and reliable: in particular, it allows to detect objects immersed in inconsistent material without direct human intervention and that reduces the time for identifying buried objects, regardless of the criticality of the operation, reducing the effect of false positives.

Riassunto dell’invenzione Summary of the invention

E’ oggetto della presente invenzione un apparato per l’individuazione di oggetti immersi in materiali incoerenti avente le caratteristiche della rivendicazione 1. Secondo un altro aspetto dell’invenzione è previsto un metodo di utilizzo per l’individuazione di oggetti immersi in materiali incoerenti come definito nella rivendicazione 10. The object of the present invention is an apparatus for identifying objects immersed in inconsistent materials having the characteristics of claim 1. According to another aspect of the invention, a method of use is provided for identifying objects immersed in inconsistent materials as defined in claim 10.

Detto apparato comprende un dispositivo meccanico che realizza una matrice tattile, un dispositivo di acquisizione, elaborazione e rappresentazione dei dati prelevati dalla matrice tattile ed un dispositivo di comunicazione tra detti dispositivi. Said apparatus comprises a mechanical device which produces a tactile matrix, a device for acquiring, processing and representing the data collected from the tactile matrix and a communication device between said devices.

La matrice tattile consta di M x N bacchette rigide disposte su M righe ed N colonne. Dette bacchette vengono forzate dal dispositivo meccanico ad entrare nel terreno. La forza impressa è limitata appositamente al fine di evitare l’esplosione di eventuali ordigni. L’escursione di ciascuna bacchetta rappresenta il dato di partenza per l’elaborazione effettuata dal dispositivo di acquisizione, elaborazione e rappresentazione, il quale ha il fine di mostrare a video la superficie dell’eventuale oggetto con cui le bacchette fossero entrate in contatto. The tactile matrix consists of M x N rigid rods arranged in M rows and N columns. These rods are forced by the mechanical device to enter the ground. The force exerted is specifically limited in order to avoid the explosion of any bombs. The excursion of each wand represents the starting data for the processing carried out by the acquisition, processing and representation device, which has the purpose of showing on the screen the surface of any object with which the wands had come into contact.

Scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui: The purposes and advantages of the present invention will become clear from the detailed description that follows of an example of its embodiment (and its variants) and from the attached drawings given purely for explanatory and non-limiting purposes, in which:

Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings

Fig.1 Rappresenta un schema a blocchi dell’apparato dell’invenzione; Fig.2 Rappresenta il blocco “Dispositivo di acquisizione, elaborazione e rappresentazione delle superfici”; Fig.1 Represents a block diagram of the apparatus of the invention; Fig.2 Represents the block “Surface acquisition, processing and representation device”;

Fig.3- Rappresenta il blocco del “Dispositivo Meccanico”; Fig.3- Represents the block of the "Mechanical Device";

Fig.4 Rappresenta una vista frontale del dispositivo meccanico, con in evidenza la matrice tattile; Fig.4 Represents a front view of the mechanical device, with the tactile matrix in evidence;

Fig.5 Rappresenta una vista laterale di un esempio di utilizzo dell’apparato dell’invenzione; Fig.5 Represents a side view of an example of use of the apparatus of the invention;

Fig.6 Rappresenta una vista in tre dimensioni della proiezione dei punti acquisiti dall’apparato dell’invenzione. Fig.6 Represents a three-dimensional view of the projection of the points acquired by the apparatus of the invention.

Descrizione di una realizzazione preferita dell’invenzione Description of a preferred embodiment of the invention

L’apparato oggetto del presente brevetto, comprende un dispositivo meccanico 8, rappresentato logicamente dal blocco “Dispositivo Mec canico”, e da un dispositivo di acquisizione, elaborazione e proiezione 9 realizzato logicamente dal blocco "Dispositivo di acquisizione, elaborazione e rappresentazione delle superfici”, vedi fig.1. The apparatus object of this patent comprises a mechanical device 8, logically represented by the "Mechanical Device" block, and by an acquisition, processing and projection device 9 logically realized by the "Surface acquisition, processing and representation device" block , see fig. 1.

Il dispositivo meccanico 8 comprende una matrice tattile formata da (M x N) bacchette mobili 1 spaziate, l’una rispetto all’altra di Δxe Δy , vedi fig.2. In relazione alle necessità è possibile variare sia il numero di bacchette, sia la spaziatura Δxe Δy , sia entrambi. In particolare, la riduzione della spaziatura corrisponde ad un aumento della risoluzione dell’apparato. The mechanical device 8 comprises a tactile matrix formed by (M x N) movable rods 1 spaced, one relative to the other by Δx and Δy, see fig.2. In relation to the needs it is possible to vary both the number of rods, the spacing Δx and Δy, and both. In particular, the reduction in spacing corresponds to an increase in the resolution of the device.

Ciascuna bacchetta 1 , trasla coassialmente a se stessa e liberamente rispetto alle altre scorrendo all’interno della guida di supporto 2. Tale traslazione si realizza per azione di un attuatore meccanico 3, il cui schema del controllo di moto 7 (Controllo di moto della bacchetta), vedi fig.1 , si basa sulla chiusura in retroazione di due rami: il primo, rappresentato da una cella di carico 4 che assicura il controllo di forza sulla bacchetta; il secondo, rappresentato da un relè di fine corsa 5; entrambi agenti su un interruttore automatico di blocco 54. Each rod 1 translates coaxially to itself and freely with respect to the others by sliding inside the support guide 2. This translation is achieved by the action of a mechanical actuator 3, whose motion control scheme 7 (Motion control of the rod ), see fig. 1, is based on the feedback closure of two branches: the first, represented by a load cell 4 which ensures force control on the rod; the second, represented by a limit switch relay 5; both acting on an automatic blocking switch 54.

A M x N bacchette corrisponde un sistema di attuatori, sensori e sistemi di controllo indipendenti gli uni dagli altri. A M x N rods correspond to a system of actuators, sensors and control systems that are independent from each other.

Detto controllo di forza, regolabile a seconda delle necessità, risulta indispensabile affinché l’oggetto da riconoscere 10 non venga danneggiato, o peggio, non esploda, qualora si trattasse di ordigni bellici, per effetto della compressione generata delle estremità delle bacchette sulla superficie dell’oggetto medesimo; mentre detto relè di fine corsa, interrompe l’alimentazione dell’attuatore evitando il danneggiamento dello stesso, quando la relativa bacchetta è completamente estratta dalla guida 2. Said force control, adjustable according to need, is essential so that the object to be recognized 10 is not damaged, or worse, does not explode, in the case of military devices, due to the compression generated by the ends of the rods on the surface of the object itself; while said limit switch relay interrupts the power supply of the actuator avoiding damage to the same, when the relative rod is completely extracted from the guide 2.

Detto blocco logico 9 può essere facilmente realizzato, per es., a mezzo di un comune elaboratore industriale, oppure hardware dedicato, munito di apposito programma e dotato di almeno una scheda di acquisizione, di monitor su cui mostrare le ricostruzioni e da interfacce di comunicazione standard quali RS232 e/o USB attraverso le quali acquisire i dati da immagazzinare per post-elaborazioni. Said logic block 9 can be easily realized, for example, by means of a common industrial computer, or dedicated hardware, equipped with a specific program and equipped with at least one acquisition card, a monitor on which to show the reconstructions and communication interfaces. standards such as RS232 and / or USB through which to acquire the data to be stored for post-processing.

La modalità di impiego dell’apparato dell'invenzione sono le seguenti: a. l’apparato viene posizionato in prossimità di un’area da scandagliare The methods of use of the apparatus of the invention are as follows: a. the apparatus is positioned near an area to be scanned

b. i diversi attuatori si attivano forzando, in modo controllato, le bacchette a penetrare il terreno; b. the different actuators are activated by forcing, in a controlled way, the rods to penetrate the ground;

c. quando tutti gli M x N attuatori della matrice hanno interrotto la propria azione, ovvero, quando le bacchette hanno raggiunto l’oggetto 10 oppure sono giunte a fine corsa, il dispositivo 9, automaticamente, acquisisce, da ogni sensore di posizione 6, l’escursione ε di ciascuna bacchetta, attraverso il dispositivo di comunicazione 12; c. when all the M x N actuators of the die have interrupted their action, that is, when the rods have reached the object 10 or have reached the end of their stroke, the device 9 automatically acquires, from each position sensor 6, the excursion ε of each rod, through the communication device 12;

d. nota la posizione spaziale di M x N punti appartenenti, presumibilmente, alla superficie dell’oggetto 10, vedi figg. 5 e 6, rispetto un sistema di riferimento solidale con l’apparato, il dispositivo 9 elabora la ricostruzione della superficie interpolante tali punti e la mostra a video. d. note the spatial position of M x N points belonging, presumably, to the surface of the object 10, see figs. 5 and 6, with respect to a reference system integral with the apparatus, the device 9 processes the reconstruction of the surface interpolating these points and shows it on the video.

Il dispositivo 9 ricostruisce la superficie dell’oggetto 10, applicando filtri matematici adattati per lo specifico utilizzo, per minimizzare il peso dei falsi positivi. The device 9 reconstructs the surface of the object 10, applying mathematical filters adapted for the specific use, to minimize the weight of false positives.

In una realizzazione preferita, la posizione e di detta bacchetta 1 è rilevata a mezzo di una sonda magnetostrittiva che realizza un trasduttore di posizione. In particolare l’emettitore magnetico è solidale alla bacchetta mobile 1 , mentre la sonda ricevente è solidale con la guida 2. La misura del tempo intercorso tra la generazione del segnale e la sua ricezione offre la precisa indicazione della posizione del magnete mobile, rispetto al ricevitore fisso. In a preferred embodiment, the position e of said rod 1 is detected by means of a magnetostrictive probe which forms a position transducer. In particular, the magnetic emitter is integral with the mobile rod 1, while the receiving probe is integral with the guide 2. The measurement of the time elapsed between the generation of the signal and its reception offers a precise indication of the position of the moving magnet, with respect to the fixed receiver.

In detta realizzazione preferita, l’attuatore 3 è un motore elettrico passopasso e la trasmissione del moto è realizzata a mezzo di una vite senza fine giuntata con la bacchetta 1. In said preferred embodiment, the actuator 3 is a step-by-step electric motor and the motion transmission is achieved by means of a worm screw joined with the rod 1.

Inoltre, in detta realizzazione preferita, il dispositivo di comunicazione è di tipo wireless, mentre in un’altra rappresentazione preferita è di tipo cablato e rappresentato da una fascia cavi opportunamente lunga per motivi di sicurezza. Furthermore, in said preferred embodiment, the communication device is of the wireless type, while in another preferred representation it is of the wired type and represented by a suitably long cable band for safety reasons.

Per quanto attiene il sistema di controllo 7, in una realizzazione preferita è realizzato a mezzo di PLC con ingressi e uscite analogici e digitali; in un’altra realizzazione preferita uno specifico software viene fatto girare nell’unità 9, gestendo tutte le fasi riportate nel metodo su esposto incluso il controllo di moto delle bacchette. As regards the control system 7, in a preferred embodiment it is implemented by means of a PLC with analogue and digital inputs and outputs; in another preferred embodiment a specific software is run in unit 9, managing all the steps reported in the above method including the motion control of the rods.

La presente invenzione può essere realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di analisi di dati e ricostruzioni grafiche ed, eventualmente, di controllo attuativo, e in generale mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma è fatto girare su di un computer. Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione è previsto che detto programma per computer ed inoltre mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato; detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma è fatto girare su di un computer. The present invention can be carried out by means of a computer program which comprises means for analyzing data and graphic reconstructions and, optionally, for implementing control, and in general coding means for carrying out one or more steps of the method, when this program is run on a computer. According to a further aspect of the invention, it is provided that said computer program and also computer-readable means comprising a recorded message; said computer readable means comprising program coding means for carrying out one or more steps of the method, when said program is run on a computer.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire daN’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo. Implementation variants of the described non-limiting example are possible, without however departing from the scope of protection of the present invention, including all the equivalent embodiments for a person skilled in the art.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI: 1. Apparato per l'individuazione di oggetti immersi in materiali incoerenti, comprendente un dispositivo meccanico (8) a matrice tattile formata da una guida (2) e da (M x N) bacchette mobili (1) spaziate, l’una rispetto all’altra di Δxe Δy , in cui ciascuna bacchetta è indotta a scorrere coassialmente rispetto a se stessa entro la guida (2) da un attuatore meccanico (3) munito di controllo di moto (7) in retroazione e sensore di posizione (6). CLAIMS: 1. Apparatus for the identification of objects immersed in incoherent materials, comprising a mechanical device (8) with a tactile matrix formed by a guide (2) and by (M x N) movable rods (1) spaced, one with respect to the the other of Δx and Δy, in which each rod is induced to slide coaxially with respect to itself within the guide (2) by a mechanical actuator (3) equipped with motion control (7) in feedback and position sensor (6). 2. Apparato secondo la rivendicazione 1 , in cui è previsto un dispositivo di acquisizione, elaborazione e proiezione (9) per la ricostruzione della superficie di eventuali oggetti rilevati. 2. Apparatus according to claim 1, wherein an acquisition, processing and projection device (9) is provided for reconstructing the surface of any detected objects. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui è previsto un dispositivo di comunicazione (12) tra detti dispositivi (8) e (9). Apparatus according to claim 2, wherein a communication device (12) is provided between said devices (8) and (9). 4. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto controllo di moto (7) in retroazione è realizzato da due rami, di cui l’uno è relativo al controllo di forza, a mezzo della cella di carico (4) a soglia di intervento variabile e l’altro è relativo ad un relè di fine corsa (5); entrambi agenti su un interruttore automatico (54). 4. Apparatus according to one of the preceding claims, in which said motion control (7) in feedback is made up of two branches, one of which relates to the force control, by means of the load cell (4) with threshold of variable intervention and the other relates to a limit switch relay (5); both acting on a circuit breaker (54). 5. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di posizione (6) è basato su una tecnica magnetostrittiva. 5. Apparatus according to one of the preceding claims, wherein said position sensor (6) is based on a magnetostrictive technique. 6. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto attuatore (3) è di tipo elettrico passo-passo , connesso alla bacchetta (1) per mezzo di vite senza fine. 6. Apparatus according to one of the preceding claims, wherein said actuator (3) is of the electric step-by-step type, connected to the rod (1) by means of a worm screw. 7. Apparato secondo la rivendicazione 1 , collegato ad un dispositivo (9) comprendente: a. mezzi di acquisizione della posizione dei punti estremi delle bacchette; b. mezzi per la ricostruzione della superficie interpolante detti punti; c. mezzi di visualizzazione di tali superfici; d. mezzi di trasmissione dei dati acquisiti attraverso porte standard di comunicazione. 7. Apparatus according to claim 1, connected to a device (9) comprising: to. means for acquiring the position of the extreme points of the rods; b. means for reconstructing the interpolating surface of said points; c. means for displaying such surfaces; d. means of transmission of the acquired data through standard communication ports. 8. Apparato secondo la rivendicazione 1 , in cui è previsto un dispositivo di comunicazione (12) di tipo wireless 8. Apparatus according to claim 1, wherein a communication device (12) of the wireless type is provided 9. Apparato secondo la rivendicazione 1 , in cui è previsto un dispositivo di comunicazione (12) di tipo cablato Apparatus according to claim 1, wherein a communication device (12) of the wired type is provided 10. Metodo di rilevamento di oggetti in materiali incoerenti, comprendente le seguenti fasi: a. Posizionamento dell’apparato in prossimità della porzione di un’area da scandagliare; b. Avviamento degli attuatori che forzano, in modo controllato, le relative bacchette a penetrare il terreno; c. Acquisizione della posizione dei punti estremi delle bacchette; d. Ricostruzione e visualizzazione a video della superficie in -terpolante tali punti.10. Method of detecting objects in inconsistent materials, comprising the following steps: to. Positioning of the apparatus near the portion of an area to be sounded; b. Start-up of the actuators which force, in a controlled manner, the relative rods to penetrate the ground; c. Acquisition of the position of the extreme points of the rods; d. Reconstruction and video display of the surface in -terpulating these points.
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