JP2019518942A - デジタル画像とモデルに基づくフィルタ技術を用いた電気機械量の推定 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
個別のセンサに依存する場合:
・異なる量を推定するために異なるタイプのセンサが必要となる;
・十分な精度を提供するために、実行不可能なほど多数のセンサが必要になることがある;
・個別のセンサは干渉する傾向がある(センサの存在は測定中の量を摂動させる);
フィールドセンサに依存する場合:
・個別の測定点を生成するために情報が操作されることが多い。従って、利用可能なモデル情報が利用可能なセンサ情報に最適に整合しないので、利用可能なデータの大部分が失われる。
・精度を向上させるために物理的システム/物体に関する貴重な知識を活用することができない他の方法論(例えば、DIC)によってフルフィールド量を抽出するために情報が処理されることが多い。
・純粋なフィールド測定手法は、検討中の仕組みについて多少の準備を要することがある。
・3D電気機械的機器および/または部品の場合、利用可能な方法は、対象となる電気機械的機器および/または部品の各側に少なくとも1つのステレオリグを必要とし、現実的な構造に多額の費用がかかることに直ちにつながる。これらの方法はまた、構造の可視部分についての情報のみを提供し、不可視の量(例えば、内部ひずみ)についての詳細は提供しない。
・より高価な撮像技術を使用する方法(コンピュータ断層撮影法CTI、磁気共鳴映像法MRI、単光子放出型コンピュータ断層撮影法SPECT、陽電子放出型断層撮影法PETなど)を使用することができるが、制御された環境が必要であり、また例えば、それらの通常動作時は、電気機械的機器および構成要素には直接適用できない。さらに、前述の技術は、電気機械的用途には必要でない内部非可視部分を含むシステムの3D画像を可能にし、該方法のコストを劇的に増加させる。加えて、これらの方法の大半は、静的または準静的画像取得にのみ使用でき、測定装置によって発生する磁場の乱れにより、不可能ではないにしても、電気機械的用途へのそれら方法の使用は困難である。
・状態:位置、速度、加速度、ひずみ、ひずみ速度、電流などを含むがこれに限定されない;
・入力:機械力、機械的トルク、機械的圧力、電圧を含むが、これに限定されない;
・パラメータ:密度、ヤング率、ポアソン比、材料パラメータ、物理的寸法、抵抗、静電容量を含むが、これに限定されない。
推定は、ビデオ、画像および写実的数値モデルの両方を組み合わせた動的フィルタリング技術から得ることができる。
・物理的電気機械機器のデジタル画像を取得するための少なくとも1つの手段と;
・物理電気機械的システムの画像およびビデオを得るための少なくとも1つの手段の出力を受信するように適合され、好ましい実施形態で提示された方法を実行するように適合されたプロセッサと、を含む。
・状態:位置、速度、加速度、ひずみ、ひずみ速度、電流などを含むがこれに限定されない;
・入力:機械力、機械的トルク、機械的圧力、電圧を含むが、これに限定されない;
・パラメータ:密度、ヤング率、ポアソン比、材料パラメータ、物理的寸法、抵抗、静電容量を含むが、これに限定されない。
・電気機械的機器またはその一部の写実的数値モデルの作成、
・少なくとも1つが、物理的電気機械機器の外面の外観または1つまたは複数の2D画像内のその一部を捕捉することを可能にする撮像装置である物理的センサを組み合わせることを可能にする測定ステップ、
・所望の電気機械量の推定値を提供するために、写実的数値モデルと測定ステップとを組み合わせる推定ステップ、
・推定ステップは、電気機械的機器の少なくとも該1つまたは複数の2D画像またはその一部と、写実的数値モデルによって生成された画像との間の類似性メトリックの使用に主に基づくが、それだけに基づくわけではない。
− 物理的オブジェクトのフィールドを測定するための少なくとも1つの手段と、
− 物理的オブジェクトのフィールドを測定するための少なくとも1つの手段の出力を受信するように適合され、上述の方法を実行するように適合された処理と、を含む。
・動作追跡および画像取得ソフトウェア:例えば、画像およびビデオの取得、ブロブ追跡、特徴検出などであり、これらはリサーチコードでもコマーシャルコードであってもよい。
・写真またはビデオカメラ:所望の精度に応じて、ウェブカメラなどの低忠実度メディアから、高忠実度および高速メガピクセルカメラまで様々なカメラであってよく、画像とビデオは、グレースケールとカラーの両方で取得できる。
・センサ取得システム:測定段階では、視覚的測定値以外の他の測定値、例えば加速度、速度、位置、ひずみ、温度などを補うことができ、標準的な測定手順に続いて、専用のデータ収集システム(DAQ)をこの目的に使用できる。
・カメラからターゲットPCへのデータ転送は、転送されるデータの速度と量に応じて、任意のタイプのプロトコル、例えばCameralink、USB3、GiGe、CoaXPressなどで実行できる。
・フレーム取込み器:潜在的に大量のデータを取得する場合、カメラと、例えば、RAMメモリ、ハードディスクまたはSSD、またはこの目的のために使用可能な任意のタイプのメモリなどの記憶媒体との間の十分な高速接続を可能にするために、フレーム取込み器が必要となることがある。
・モデルの更新:この応用例では、物理的電気機械機器および/または部品に対していくつかの特定のテストが実行され、1つまたは複数の表示またはセンサから画像が捕捉される。試験中(既知でない可能性がある)既知の励起は、物理的電気機械機器および/または部品が、例えばモデル較正のために使用される基準状態に対してその物理的状態を変化させ、分布フィールドまたは変形された分布フィールドを生成し、捕捉された物理的フィールド測定値(または画像/ビデオ)の変動をもたらす。一例として、動きおよび/または変形の影響を受ける機械的構成要素について検討することができる。これらの動きおよび変形は、他の基準構成に対して、取り込まれた画像の画素強度の(潜在的にはnull)変化を引き起こす。物理的電気機械機器および/または部品による影響を受ける分散されたまたは変形された分布フィールドの近似を作成するために、物理的電気機械機器および/または部品に適用されたのと同じ既知の励起で写実的電気機械数値モデルを励起することができる。写実的フィールド測定値は、数値モデル(例えば、写実的電気機械数値モデルの画像)上でシミュレートされる。数値モデルの写実的フィールド測定値と物理的フィールド測定値が所望の精度レベルまで整合しない場合、写実的数値モデルのパラメータは、整合が達成されるまで更新される。整合は、最適化技術、DIC技術、特徴抽出などの組み合わせ(しかし、それだけではない)により得ることができる。一実施形態では、画素強度は、任意の適切な最適化法によって最小化され目的関数として使用される相関または類似性メトリックを作成するために使用される。例として、動きおよび/または変形の影響を受ける物理的電気機械機器および/または部品が考慮される。写実的電気機械数値モデルが変形されると、物理的電気機械機器および/または部品の外観に似ている適用テクスチャがそれと共に変形する。次いで、数値モデル上の写実的フィールド測定値は、「テクスチャへのレンダリング」行う技術のような既知の技術によりシミュレートすることができる。計算は、例えば、CPUまたはGPUの両方で実行できる。写実的電気機械数値モデルのパラメータは、数値モデル上の写実的フィールド測定値と物理的フィールド測定値の整合が満足できるまで更新することができる(例えば、写実的電気機械数値モデルの画像が物理的電気機械機器および/または部品の画像に類似することを意味する、お互いに可能な限り類似した画素強度分布を提示する)。例えば、パラメータを更新することによって、満足できる整合を達成することができる。DIC技術は、通常は人間の目には見えない動きまたは変形が潜在的に検出されるように、副画素レベルでの精度で画素強度変動を追跡することを可能にする。考えられるアプリケーションの例は次のとおりです(ただしこれに限定されません)。:(a)(産業)機構(例えば、ロボットマニピュレータ、連続生産と自動化に携わる産業機械−例えば、織機、レーザーカッター、自動車製造チェーンなど)、サスペンションシステムなどの運動特性の更新;(b)作業環境(例えば、クレーン、建物、車両、車両部品、ロボットマニピュレータ、連続生産および自動化に携わる産業機械、風力タービンなど)におけるコンポーネントの材料パラメータの更新、が挙げられる。
・入力−状態−パラメータ推定:特に活発な研究分野は、メカトロニクスシステム、メカニカルシステム、一般的なマルチフィジカルシステムの入力、状態、パラメータの推定を扱っている。特に、例えば位置、速度、加速度、歪み、温度などから得られた局所測定値を結合するためのフレームワークとして、カルマンベースのフィルタリング(Kalman based filtering)および移動水平推定(MHE)の分野がしばしば用いられる。更新された写実的電気機械数値モデルが利用可能である場合、物理的電気機械機器および/または部品のいくつかのフィールド測定値は、実際の動作状態の間、または例えば専用の試験装置での試験の下で捕捉することができる。数値モデル上の仮想フィールド測定値(例えば、画像および/またはビデオ)が物理的電気機械機器および/または部品上の画像および/またはビデオにぴったり整合するまで、写実的電気機械数値モデルに励起を適用することができる。特に、写実的電気機械数値モデルが変形され、適用されたテクスチャがそれと共に変形すると、例えばCPUまたはGPU上で実行される「テクスチャへのレンダリング」のような既知の技術により画像をシミュレートすることができる。
・モデリング環境:リサーチまたは市販ソフトウェアを使用して、静的および動的シミュレーション(例えば、有限要素、有限体積、有限差分ソフトウェア、(柔軟)多体ソフトウェア)を実行することができる。
・画像/フィールドマッチングソフトウェア:画像マッチングは、任意のまたは何らかの形態の画像相関およびマッチングを実行することを可能にする(入手可能であれば、リサーチまたは市販の)アドホック専用ソフトウェアで行うことができる(例えば、単一画素または画素のサブセットの画素強度を使用して、写実的モデルと物理システム/構成要素の間の画像マッチングを実行するために使用されるソフトウェア、DICソフトウェアなど)。
・最適化および推定ソフトウェア:カルマンフィルタベースのライブラリ(Kalman filters based libraries)、MHEベースのライブラリ、ルーエンバーガー観測器(Luenberger observer)のライブラリ、例えば、これらに限定されないが、内点法、レーベンバーグ・マーカート(Leuvenberq−Marquardt)法、線形および非線形最小二乗などのような最適化アルゴリズム(の採用)により、状態入力およびパラメータ推定を実行できる。これらはリサーチコードでもコマーシャルコードであってもよい。
Claims (23)
- 物理的オブジェクトを感知する方法であって、
前記方法は、
−前記物理的オブジェクトの写実的仮想オブジェクトを提供する工程と、
−測定ステップを実行する工程であって、前記測定ステップが前記物理的オブジェクトを記録することおよび少なくとも1つの2次元画像を含む前記物理的オブジェクトの物理的フィールド測定値を取得することを含む工程と、
−推定ステップを実行する工程であって、前記推定ステップが写実的仮想オブジェクトに外部励起を適用して写実的仮想フィールド測定値を作成し、前記写実的仮想フィールド測定値を前記物理的フィールド測定値と比較して、前記物理的オブジェクトを感知することを含む工程と
を含む方法。 - 前記方法は、前記少なくとも1つの2次元画像の時間履歴を使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 物理的オブジェクトの感知は、前記物理的オブジェクトの以下の量:
・状態:位置、速度、加速度、ひずみ、ひずみ速度、電流を含むがこれに限定されない、
・入力:機械力、機械的トルク、機械的圧力、電圧を含むがこれに限定されない、
・パラメータ:密度、ヤング率、ポアソン比、材料パラメータ、物理的寸法、抵抗、静電容量を含むがこれに限定されない、
の1つまたは複数を推定する工程を含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。 - 前記方法が、前記物理的オブジェクトの前記量の推定の時間履歴を提供する工程を含む、請求項3記載の方法。
- 前記物理的オブジェクトは電気機械機器および/または構成要素である、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 写実的仮想オブジェクトを提供する工程が、前記物理的オブジェクトの写実的数値モデルの作成を含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 測定ステップを実行する工程が、少なくとも1つが前記物理的オブジェクトの外面を少なくとも1つの2次元画像で可視化するための撮像デバイスである物理的センサの出力を組み合わせることを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 推定ステップを実行する工程が、1つまたは複数の所望の量の推定値を提供するために前記写実的仮想フィールド測定値を前記物理的フィールド測定値と組み合わせることを含み、前記推定ステップは、少なくとも、前記物理的オブジェクトまたはその一部の少なくとも1つの2次元画像と、前記写実的仮想オブジェクトによって生成された画像との間の類似性メトリックの使用に基づいている、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 推定ステップを実行する工程は、所望の電気機械量の推定値を提供するために前記写実的数値モデルおよび測定ステップを組み合わせることを含み、前記推定ステップは、少なくとも、前記電気機械的機器またはその一部の少なくとも1つの2次元画像と、前記写実的数値モデルによって生成された画像との間の類似性メトリックの使用に基づいている、請求項5および6に従属する限りでの先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記物理的オブジェクトの前記写実的仮想オブジェクトの物理的挙動は、システムの離散近似として得られる静的または動的モデルによって表される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記システムの離散近似が、常微分、偏微分または微分代数方程式、有限要素モデル、計算流体力学モデル、柔軟多体モデル、の1つまたはそれらの組み合わせによって表される、請求項10に記載の方法。
- 前記物理的オブジェクトの前記写実的仮想オブジェクトが、1つまたは複数の線形および非線形モデル次数低減技術を使用する、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記1つまたは複数の線形または非線形モデル次数低減技術は、コンポーネントモード合成、クルイロフ(Krylov)に基づく方法、適切な直交分解、動的モード分解、平衡切捨て、離散経験的補間法、エネルギー節約型サンプリングおよび重み付けのうちの1つまたは複数である、請求項12に記載の方法。
- 前記モデルが時間領域で解決される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記推定は、ビデオ、画像および前記写実的数値モデルの両方を組み合わせた動的フィルタリング技術から得る、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記動的フィルタリング技術が、カルマンベースの技術(Kalman−based techniques)、移動水平推定(Moving Horizon Estimation)またはルーエンバーガー観測器(Luenberger observer)のうちの1つまたは複数を含む、請求項15に記載の方法。
- 前記推定ステップは、前記物理的オブジェクトの推定量の確率的誤差範囲の評価を可能にする、請求項3に従属する限りでの先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記方法が、前記写実的仮想オブジェクトへの既知の入力として、前記物理的オブジェクトの量のサブセットを測定および使用することを含む、請求項3に従属する限りでの先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記方法が、前記推定ステップ中にビデオおよびカメラ画像に加えてさらなる電気機械量を測定および使用することを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 写実的仮想オブジェクトを提供する工程は、前記物理的オブジェクトの数値モデルを作成することと、少なくとも1つの画像で前記モデルのジオメトリをテクスチャ加工することとを含む、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 前記物理的オブジェクトの物理的フィールド測定値は変形された物理的フィールドである、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
- 処理システムを含む装置であって、前記処理システムが請求項1から21のいずれかに記載の方法を実行するようにプログラムされた、装置。
- 物理的オブジェクトを特徴付けるためのシステムであって、前記システムが、
・前記物理的オブジェクトの量を測定するための少なくとも1つの手段と、
・前記物理的オブジェクトのフィールドを測定するための前記少なくとも1つの手段の出力を受信するように適合され、また請求項1から21のいずれかに記載の方法を実行するように適合されたプロセッサと
を備えるシステム。
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