NO170042B - Fremgangsmaate og optoelektronisk innretning for sanntidsmaaling av en gjenstands tredimensjonale bevegelser i en modelltank - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse har som formål å skaffe til veie en fremgangsmåte og en optoelektronisk innretning for mål-ing i sann tid av en mobil gjenstands eller konstruksjons bevegelser under påvirkning av et fluid, særlig en gjenstand i form av en modell av en boreplattform eller en nautisk modellkonstruksjon og plassert i en forsøkstank. Målinger av opp-førselen for skipsmodeller under hydrodynamiske forsøk i en skipsmodelltank hvor det er mulig å tilveiebringe bølger med variabel amplitude og frekvens er særdeles viktig for å kunne beregne et skips oppførsel under de virkelige forhold.

Bevegelsesmålinger utført på modeller foregår gjerne ved at det plasseres et målehode i form av en sonde på modellen, f.eks. akter på en skipsmodell. Dette medfører ulemper ved at det alltid må være mekanisk kontakt mellom modellen eller den gjenstand som undersøkes og sonden som inngår i målesyste-met.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å eliminere enhver mekanisk kontakt mellom en gjenstand som skal undersøkes og selve måleinnretningen og tillate sanntidsmålinger, hvilket betyr at endringen over tid måles for romkoordinatene for gjenstandens tyngdepunkt G: Xg, Yg, Zg. For et skip kalles de periodiske endringer i skipets lengde-, bredde- og høyderetning (X, Y hhv. Z-aksen) gjerne for jaging, svaiing eller slingring hhv. hiving. Bevegelsene relateres under forsøk i en modelltank i forhold til et fast referansepunkt. Videre kan et skips eller en skipsmodells bevegelsesmønster innbefatte ytterligere tre periodiske komponenter, nemlig dreining om de samme tre akser: krengning eller rulling, representert ved krengningsvinkelen <p, stamping eller duving, representert ved duvingsvinkelen ©, og giring, representert ved retningsvinkelen ^ . Til sammen representerer disse seks bevegelsesformer de seks frihetsgrader for en masse i bevegelse i rommet, f.eks. referert til et koordinatsystem med origo i massens tyngdepunkt G.

Fra patentskriftet DE-3428983 er kjent en innretning

for bestemmelse av posisjonen av gjenstander i et tredimensjo-nalt rom. Innretningen bygger på anvendelse av to videokameraer for posisjonsbestemmelsen, og man går ut fra tre kontrastområder/lysflekker på objektet. Innretningen er også lagt til

rette for å måle bevegelsen. Et vesentlig poeng er at lysflekkene ikke skal ligge langs en og samme linje. Hensikten med denne kjente innretning er hovedsakelig robotstyring og gjen-kjennelse av formen av den observerte gjenstand. Posisjonen av de observerte punkter i form av lysflekker sammenlignes med forhåndslagrede data. Spesielt benyttes denne gjenkjennings-innretning ved serieproduksjon for automatisk godkjennelse av gjenstander som ikke avviker mer enn tillatte verdier i forhold til en referansegjenstand. Under den automatiske prosess avbildes gjenstanden ved hjelp av kameraene og omdannes til en matrise hvis enkelte ledd tilsvarer de enkelte observasjons-punkter på gjenstanden. Deretter sammenligner en sammenlignings-enhet i innretningen den tilveiebragte avbildning punkt for punkt med den lagrede referanse. En slik innretning anses imidlertid ikke brukbar eller hensiktsmessig for registrering av deformasjoner eller sammensatt bevegelse av en modell i en modelltank når modellen påvirkes av ytre krefter såsom de som oppstår i vann.

I og med oppfinnelsen lanseres en slik innretning av optoelektronisk art, i form av en videreføring av den kjente teknikk. Oppfinnelsens optoelektroniske innretning er særlig egnet for sanntidsmåling av flytende eller neddykkede gjenstanders tredimensjonale bevegelsesmønster i en modelltank og er forøvrig slik som det fremgår av innledningen av det etter-følgende patentkrav 1.

Oppfinnelsens innretning er særlig kjennetegnet ved

de trekk som fremgår av karakteristikken i dette krav, og ytterligere særtrekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå

av de etterfølgende underkrav 2-11.

En fremgangsmåte for å utføre optoelektronisk sanntidsmåling ved hjelp av en slik innretning er angitt i patent-kravene 12 og 13.

Innretningen omfatter altså kretser for å beregne bevegelsesparametre (såsom den translatoriske bevegelse i x-retningen, jagingen, den translatoriske bevegelse i y-retningen, svaiingen eller slingringen, eller dreiebevegelsen om z-aksen, giringen, representert ved retningsvinkelen i forhold til en ønsket kurs) som fastlegger den flytende modell-konstruksjons bevegelser, og regulerings- og sammenlignings-kretser for registrering av punkter langs dens bevegelsesbaner, referert til referansekoordinater (se forøvrig fig. 14b i tegningene): Innretningen ifølge ifølge oppfinnelsen gjør det mulig å måle bevegelsene av en modell som er anbrakt i en modelltank og som skal undersøkes under påvirkning av bølger, vind eller strøm, og helt uten noen begrensende mekanisk forbindelse mellom måleutrustningen og modellen og med en stor grad av nøyaktig-het.

Anvendelsen av et stereoskopisk system med to kameraer gjør det videre mulig å måle deformasjoner i den observerte modell, i den hensikt å simulere og forutsi forskjellige skips-konstruksjoners oppførsel i sjøen for analyse og sammenligning av deres nautiske egenskaper.

Den nå følgende beskrivelse av oppfinnelsen skal be-lyse typiske utførelsesformer, og det vises til de ledsagende tegninger, hvor fig. 1 viser skjematisk en oversikt over den optoelektriske innretning med to videokameraer for bildeopptak, her i perspektiv samt tilknyttet utrustning for elektronisk databehandling, fig. 1 viser skjematisk en lysflekk slik den avbildes i bildeplanet i et videokamera, fig. 3 viser et flyt-diagram for hovedtrinnene i den dataprosessering som finner sted i oppfinnelsens EDB-enheter, fig. 4 viser ovenfra et eksempel på anordning av lysflekkene på en konstruksjon som skal observeres, fig. 5 viser en perspektivisk oversikt av et eksempel på anordning av bildeplanene for de to videokameraer i forhold til en gruppe lysflekkér, fig. 6 viser skjematisk i oppriss måleutrustningen ifølge oppfinnel-

sen, her anordnet i tilknytning til en skipsmodelltank,

fig. 7 viser perspektivisk et eksempel på en modellkonstruksjon, fig. 8 viser et tidsdiagram for de ulike signaler som fremkommer fra videosignalene generert av kameraene, fig. 9 viser skjematisk et luminanssignal som funksjon av tiden,

fig. 10 viser koblingsskjemaet for en kretsutførelse for den analoge signalbehandling av videosignalet generert av et videokamera, fig. 11 viser i blokkform et eksempel på de teller- og lagringskretser som mottar signalene fra kretsene vist på

fig. 10, fig. 12 viser et blokkskjema over styre- og kommuni-

kasjonskretsene som i oppfinnelsens måleutrustning er tilkoblet en datamaskin og de kretser som er vist på fig. 11,

fig. 13 viser blokkskjemaet for sammenkoblingen av de elektro-niske kretser som er tilkoblet de to videokameraer når disse er koblet for stereoskopisk avsøking, fig. 14a viser sett ovenfra en modell innrettet for å observeres av innretningen i samsvar med oppfinnelsen, fig. 14b viser en skipsmodells totalt seks frihetsgrader og vanlige benevnelser for bevegelsen i disse, og fig. 15 viser et oversiktsskjema av observasjons- og måle-systemet som benyttes når en modell observeres med den optoelektroniske innretning som her skal beskrives.

På fig. 1 er vist en massiv, bevegelig gjenstand 1

som i det følgende vil bli kalt konstruksjon, såsom en modell av en båt eller en nautisk innretning og som flyter i en modelltank. Over konstruksjonen er anordnet to videokameraer 11, 12

i fast posisjon slik at kameraenes synsfelt dekker lysflekker 71, 72, 73, 74 anordnet på konstruksjonen 1 på bestemte steder på denne. I videokameraet 11 er angitt et bildeplan Pil og kameraobjektivets pupillesentrum S^.

Kameraene 11, 12 kan ha bildeanalysatorrør eller fortrinnsvis være fotodiodekameraer såsom CCD-kameraer. Som eksempel er benyttet CCD-kameraer hvis oppløsning bestemmes av 384 linjeelementer i 576 linjer, idet størrelsen av hvert foto-element er 12pm i kvadrat. Slike kameraer kan arbeide med en maksimal delbildefrekvens på 90 Hz.

Videosignalene som genereres av de to synkroniserte kameraer 11, 12 føres til en EDB-utrustning 9 som omfatter EDB-enheter, innbefattet en datamaskin 5 og ytterligere enheter som sørger for opptak (registrering) og prosessering av de videosignaler som genereres av kameraene 11, 12. Disse enheter omfatter en analog enhet 2 med analoge kretser som kan skille ut synkroniseringssignaler og registrere enkeltpunkter i kameraets bildeplan for registrering av avbildningen av lysflekkene 71, 72, 73, 74. Videre omfattes en tellerenhet 3 med kretser som registrerer og lagrer koordinatene og lengdene av de enkelte linjer eller segmenter som hver av lysflekkene blir omdannet til ved avbildningen i kameraenes bildeplan. Endelig inngår en styre- og kommunikasjonsenhet 4 som sørger for over-føring av informasjon i form av binære data til datamaskinen 5 fra de øvrige enheter via en overføringsbuss 6. Kretsene i enheten 4 omfatter bl.a. tidsstyre- og bufferkretser.

Fig. 2 viser den avbildning 7 som en lysflekk 71, 72, 73 eller 74 danner i et kameras 11 eller 12 bildeplan. Som vist på figuren registreres lysflekken som en avbildning i form av en gruppe avsøkningslinjer Y^-Y^ med bestemte lengder.

Størrelsen av lysflekkene 71-74, plasseringen av kameraene 11, 12 i forhold til konstruksjonen 1 og kameraoptik-ken er fortrinnsvis slik at avbildningen 7 av hver av lysflekkene i det fotofølsomme avbildningsplan i hvert av kameraene kommer til å dekke en flate som blir avsøkt av mellom fem og femten avsøkningslinjer. De analoge prosesseringskretser som er tilkoblet tellerenheten 3 fastlegger identifikasjon av koordinatene x, y for hver linje eller hvert lyssegment i avbildningen 7 av en lysflekk i et kameras bildeplan, og lengden Dx av hver linje eller hvert lyssegment i den gruppe linjer som avbilder lysflekken. F.eks. fremgår av fig. 2 at avbildningen 7 av en lysflekk består av syv lyssegmenter med forskjellig lengde, idet lysflekken bygges opp av de avsøkningslinjestyk-kene som dekker lysflekkens avbildningsareal.

EDB-utrustningen 9, innbefattet datamaskinen 5 ut-fører så en beregning av tyngdepunktet for hver avbildning 7

av lysflekkene 71, 72, 73 som observeres av det ene kamera 11 eller 12, og dette bidrar til å øke nøyaktigheten ved posi-sjonsbestemmelse av hver lysflekk vesentlig.

Logiske kretser registrerer så posisjonen for hvert enkelt punkt slik at lysflekkenes tyngdepunkt til enhver tid er bestemt i sanntid for å kunne følge gjenstanden som skal observeres. Med sanntid menes her at måleresultatet presen-teres med en tidsforsinkelse på 16,6 ms, hvilket i eksemplet tilsvarer en delbildefrekvens i kameraet på 60 Hz.

For hver enkelt lysflekk inneholdes informasjonen

i f.eks. en datatabell med 32 åtte-bits dataord. De to første dataord i denne tabell inneholder en besifring for det aktuelle delbilde, ordinaten Yq for det første lyssegment (langs av-søkingsretningen over linjen), og antallet lyssegmenter som fastlegger lysflekken. De fjorten øvrige dataord tjener til en presis fastlegging av lysflekkens geometri, til dette benyttes abscissen X^ for hvertlyssegment såvel som hvert seg-ments lengde Dx. Hver lysflekk avsøkes således av maksimalt fjorten linjer i kameraets avbildningsmatrise.

Etter at tyngdepunktet i det polygon som beskriver lysflekken er beregnet rommes den nyttige informasjon i ti dataord. Koordinatene for tyngdepunktets avbildning lagres i 2x4 dataord og antallet delbilder i to ord. Hvis således dette system for observasjon og databehandling arbeider i sanntid vil man være istand til å kunne behandle minst tre ganger så stor informasjonsmengde som dette, dersom lagringskapasite-ten er tilsvarende.

De logiske kretser som utfører prosessering av den trippelinformasjon som koordinatene X, Y og lengdene Dx kan sies å representere, følger dette skjema (fig. 3): Etter et starttrinn 51 og et initialiseringstrinn 52 hvor begynnelsesverdiene legges inn følger en fordelerkjerne som sørger for aktivitetsfordelingen i avhengighet av de ytre hendelser i form av informasjon i styre- og kommunikasjonsenheten 4 eller tilstedeværelsen av lysflekker som skal analyseres.

Et samle- og sorteringstrinn 54 samt et trinn 55 for tyngepunktsberegninger styres begge av fordelerkjernen 53. Kjernen 53 avtaster to variable. Hvis informasjon foreligger i enheten 4 aktiveres initialiseringstrinnet 52, men hvis informasjon ikke foreligger utfører kjernen en avkjenning av tabellen over informasjonstripler (X,Y,DX) for i beslutningstrinnet 56 å avgjøre om tabellen er full, og dersom dette er tilfellet, aktivere beregningstrinnet 55 for tyngdepunktet.

Samle- og sorteringstrinnet 54 utfører en algoritme som er vist i tabell I og II ved at informasjonstriplene leses inn i enheten 4. Trinnet 54 fastlegger således om et bestemt lyssegment hører til en bestemt lysflekk som allerede er registrert i det inneværende halvbilde, og avsøkingen skjer ut fra verdiene av X og Y i henhold til følgende ulikhet:

X(Y-l)-p <X(Y)<X(Y-1) + p,

slik at dersom denne ulikhet tilfredsstilles finnes det i en foregående linje (Y-l) et lyssegment med lengden p som parameter, og da lagres verdiene for X og Dx v i den datatabell som representerer denne lysflekk, hvoretter neste lyssegment under-søkes ved at sekvensens indeks NB inkrementeres.

Hvis det bestemte lyssegment ikke registreres som til-hørende lysflekken opprettes en ny tabell for lysflekken og hvis adresser kommer fra en adressetabell som inneholder 1024 inngangsverdier. X, Y og Dx lagres så i denne tabell og indek-sen NB stilles tilbake til 1.

Beregningen av tyngdepunktet foregår i samsvar med den ^algoritme som følges i tabell III. Det genereres her en indeks som indikerer adressen til den følgende prosesserings-tabell. Tyngdepunktsberegningen utføres således og lagres i en datatabell for resultatet og hvis kapasitet er 128 kB.

Når test- og registreringsfasene er gjennomløpt for koordinatene for lysflekkenes avbildninger er det mulig å bestemme romkoordinatene for hver av lysflekkene i forhold til et fast referansepunkt og deretter dreievinklene for den konstruksjon som er under observasjon.

Den optoelektroniske innretning i samsvar med oppfinnelsen tar sikte på å kunne beregne koordinatene X:g, Yg og Zg for tyngdepunktet G for en flytende konstruksjon 1 under observasjon,på en meget nøyaktig måte i forhold til et referansepunkt som ligger fast i forhold til en forsøksplattform.

For dette benyttes minst to videokameraer 11, 12 slik at den flytende konstruksjon 1 observeres under forskjellige synsvinkler som fortrinnsvis ligger 90° forskjøvet. Kameraene 11, 12 er innstilt slik at minst tre felles lysflekker 71, 72, 73 på konstruksjonen 1 befinner seg i begge kameraers observasjonsfelt. Dermed oppnås en stereoskopisk av-søking og avbildningen av hver av lysflekkenes koordinater i begge kameraer gjør det mulig å bestemme samtlige seks be-vegelsesarter for den flytende konstruksjon.

For å forbedre målingenes nøyaktighet er det gunstig at det er innlagt en viss redundans ved at antall lysflekker som befinner seg i hvert kameras observasjonsfelt er fire eller fem. En fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen består i at en gruppe som består av fire lysflekker 71 - 74 anordnes i observasjonsfeltet for hvert av kameraene 11, 12 slik at det dannes en stereoskopisk virkning som omfatter alle fire lysflekker. I dette tilfelle kan tre lysflekker 71 - 73 være plassert på overflaten av konstruksjonen 1 (fig. 1), mens den fjerde lysflekk 74 befinner seg i en viss avstand ovenfor de øvrige tre. Kameraene 11, 12 er således plassert slik at de avsøker gjenstanden eller konstruksjonen 1 ovenfra, og denne utførelsesform sikrer pålitelige målinger uten at informasjonsmengden som skal behandles blir unødvendig stor.

På fig. 4 er vist hvordan fem lysflekker 71 - 75 er anordnet på en flytende konstruksjon 1, og i dette tilfelle ligger tre og tre lysflekker slik at de danner en V og hvor den midtre lysflekk 73 ligger i skjæringslinjen mellom to linjer som henholdsvis inneholder lysflekkene 71, 72, 73 og 73, 74, 75.

Fig. 5 viser en annen utførelse med stereoskopisk avbildning, og ifølge denne er syv lysflekker 71 - 77 fordelt slik at det dannes to figurer med form av en V, idet tre lysflekker 73, 74 og 75 ligger på en linje som er felles for de to V-formede figurer og slik at denne linje dekkes av begge kameraers 11, 12 observasjonsfelt og hvis respektive avbildningsplan er vist som Pi 1 og Pi 2. For de tre lysflekker 73 - 75 foreligger således stereoskopisk avbildning, mens mono-skopisk avbildning finner sted for lyspunktene 71, 72 og 76,

77, hvilke ikke dekkes av mer enn det ene kameras observasjonsfelt. På fig. 5 er S, og S2 de respektive kameraobjektivers pupillesentrum. Utførelsen vist på fig. 5 er imidlertid noe mer kompleks enn den som er vist på fig. 1 som ikke viser mer enn fire lysflekker 71 - 74, og en tredimensjonal avbildning av et objekt vil kunne opptas eksakt ved hjelp av kun fire lyskilder eller lysflekker på et objekt under forutsetning av at to lysopptagere såsom kameraene 11, 12 anvendes.

Fig. 6 viser skjematisk en skipsmodelltank med en fast plattform 13, en vannflate 14 på hvilken en flytende konstruksjon 1 som skal observeres befinner seg, og en vogn 10 som bærer kameraer 11, 12 og den måleutrustning som er knyttet til disse kameraer. Vognen 10 kan manøvreres slik at lysflekkene 71 - 74 kommer til å ligge innenfor syns- eller observasjonsfeltet for kameraene selv når vannflaten 14 danner bølger. Måleutrustningen tillater således at den modell som konstruksjonen 1 danner kan følges under sine bevegelser og slik at de tre translatoriske og de tre dreiende bevegelser kan måles og analyseres.

For å kunne bestemme en modells eller en konstruksjons 1 bevegelser i forhold til et fast referansepunkt såsom origo i et romlig koordinatsystem (OXYZ) er det naturligvis nødvendig at man ikke bare kjenner posisjonene for lysflekkene 71 - 74 på konstruksjonen når denne er i ro, men at også samtlige parametre som er knyttet til målebetingelsene (de elektrooptiske registreringer) er kjente. For dette er det til-strekkelig å analysere en modellkonstruksjon 8 som er mobil og kan bringes til en bestemt posisjon i forhold til det faste referansepunkt OXYZ i modelltanken, og modellkonstruksjonen 8 har da et tilsvarende antall lysflekker 81 - 89 hvis posisjoner på konstruksjonen er kjente. Antallet lysflekker er fortrinnsvis likeledes mellom fem og femten, og de er fordelt i minst to plan for å representere en romfigur som tilsvarer lysflekkene 71 - 74 på den konstruksjon som til slutt skal observeres og dennes forventede bevegelsesomfang. Modellkonstruksjonen 8 tjener således som referanse for kalibrering av måleutrustningen. Når dette er utført fjernes denne og kameraene 11, 12 holdes i den stilling de hadde under kalibreringsfor-søket for fra denne stilling å observere en konstruksjon 1 som plasseres i tanken i samme område som modellkonstruksjonen befant seg. I og med kalibreringen er samtlige av de parametre som er nødvendige for beregning av konstruksjonens 1 tyngdepunkt i koordinatsystemet kjent, ut fra koordinatene for lysflekkene 71 - 74 i kameraenes 11, 12 bildeplan. Som vist på fig. 7 har modellkonstruksjonen 8 i dette eksempel form av et enkelt fagverk med skinner som ligger horisontalt og vertikalt og på hvilke lysflekkene 81 - 89 befinner seg.

Disse lysflekker som benyttes under kalibreringen har samme utførelse som lysflekkene 71 - 74 som benyttes under målingene, og slike lysflekker kan generelt være utformet på forskjellig måte. De kan f.eks. være selvlysende i form av lysdioder eller bestå av lyspærer eller glimlamper. Lysflekkene kan også være passive, dvs. de kan rett og slett være reflekterende flekker eller lyse partier som belyses av pro-sjektører 70 plassert utenfor kameraenes observasjonsfelt.

De forskjellige målekretser som kan benyttes i en slik optoelektronisk innretning skal nå beskrives med henvis-ning til fig. 1 og 8 - 13:

De to videokameraer 11 og 12 bør drives synkront,

og kameraet 11 kan f.eks. da være det dirigerende, mens kameraet 12 (slavekamera) styres av det første og mottar fra dette synkroniseringssignaler ST og linjesignaler SL såvel som tids-pulser fra en tidsstyreenhet som bestemmer taktfrekvensen (den valgte frekvens for gunstig virkningsgrad i de fotoføl-somme celler).

På fig. 13 er blokkskjematisk vist et slikt synkro-nisert videoopptakssystem med fire hovedblokker av hvilke to er felles for de to opptakskanaler, mens to er duplisert for hver av disse kanaler, slik at det tilsammen inngår seks moduler.

En tidsstyreenhet 4' bestemmer analysepunktene i

tid for opptaket av koordinatene i bildeplanet. Denne enhet gir videre paritet til delbildet og sørger for tilbakestilling til null ved innledningen av et måleopptak, slik at dette alltid starter med et oddetalls delbilde.

En sekvenskrets 4" tilveiebringer ulike kommandosignaler til de moduler som befinner seg i de to kanaler i målekjeden. Tidsstyreenheten 4' og sekvenskretsen 4" er felles for begge målekanaler.

Måleutrustningens analoge enhet utgjøres.i dette tilfelle av to identiske målemoduler 2', 2" for henholdsvis hoved-og slavekameraet. Disse moduler gir koordinatene i bildeplanet for kanten av hvert lyssegment såvel som dettes lengde.

I hver av målekanalene finnes en modul 3' hhv. 3" som sørger for temporær lagring av informasjon (som kan være kodet som to dataord på 16 bit ) såvel som overføring til datamaskinen.

Synkroniserings- og linjesignalene ST og SL, et paritetssignal STP for delbildet og et referansesignal for sortnivået kan genereres i en analog enhet 2 såsom den som er vist på fig. 10 ut fra de kompositte videosignaler som genereres av kameraene 11, 12.

Forløpet av et slikt videokomposittsignal B er vist på fig. 8 over et utvalgt antall linjer mellom 1 og 625, indikert på linjene A. Et eksempel på en krets som kan skille ut linjesynkroniseringssignalene SL er vist innenfor rammen indikert med henvisningstallet 21 på fig. 10, og en slik krets kalles gjerne en synkseparator. Synkseparatoren 21 omfatter i dette tilfelle en PNP-transistor 213 som bringes til metning når synksignalene påtrykkes. Det sammensatte videosignal påtrykkes synkseparatorens inngang ved B over koblingskondensa-toren 210 til transistorens base som på forhånd er tilført for-spenning via motstandene 211 og 212. Denne transistors emitter er ført til den positive forsyningsspenning via motstanden 214 som er parallellkoblet med en kondensator 215, mens transistorens 213 kollektor er koblet til jord over kollektormotstan-den 216. Signalet føres ut fra transistoren 213 til basen på en NPN-transistor 218 over en seriemotstand 217. Linjesynk-signalet SL tas ut fra denne transistors 218 emitter over emittermotstanden 219.

Delbildesynksignalet ST og paritetssignalet STP behandles i en enhet 22 som er i stand til å skille mellom, synksignalene for delbilder med odde- og" liketallsbesifring.

For deteksjon av delbildets synksignal aktiveres en tilbakestillbar monostabil krets 220 av hver fallende flanke i synksignalet. Hvis ingen ny tilbakestilling har funnet sted før 42 ms har forløpt, dvs. 2/3 av linjens varighet, går kretsen 220 tilbake til sin stabile tilstand. Hvis derimot linjesynk-signalet påtrykkes ved linjens midlere del, hvilket er tilfellet med delbildesynksignalet, vil det påtrykkes et signal på kretsen 220 før denne har gått tilbake til sin stabile tilstand, og dette lagres i en vippe 221 av D-typen. Signalet på linjen C og D fra henholdsvis kretsen 220 og vippen 221 er også vist på fig. 8.

Paritetskontrollen av delbildet følger samme prin-sipp. Når delbildesynksignalet påtrykkes åpnes en monostabil vippe 222 over åtte linjeintervaller. Når denne vippe går tilbake til null samples delbildets synksignal og lagres i en vippe 223. Nivået på dette signal er representativt for delbildets paritet ved at det logiske nivå 1 tilsvarer et delbilde med oddetalls besifring.

Slukkesignalet i det sammensatte videosignal bestemmer sortnivået, og dette er indikert som n4 på fig. 9. Slukkesignalet hindrer låsing til et midlere lysnivå. En nivå-holdekrets 23 som består av elementene 230-233 og er vist på fig. 10 sørger for å låse sortreferansenivået i en analog lagringskrets under en samplingsperiode på 5 ms. Deretter subtraheres sortnivået fra luminanssignalet ved hjelp av en subtraktorkrets som bygger på en operasjonsforsterker 244 med mer enn 5 MHz båndbredde og som er motstandskoblet med motstandene 241, 242, 243 og 245.

To raske komparatorer 246 og 247 gir ut terskel-signaler FM hhv. FD som respektive tilsvarer passeringen av en terskelspenning SHI for lysnivået ni og terskelspenningen SB for lysnivået n2 ved stigende hhv. fallende videosignal (fig. 9). Terskelspenningene SHI og SB velges ved programmering av datamaskinen. De kan f.eks. være kodet inn som 5-bite dataord og påfølgende omvandling i en D/A-omvandler. En analog summasjons-krets kan videre legge til en spenning til det sammensatte videosignal, hvorved det muliggjøres en visuell overvåking i en monitor av de lysflekker som har et sterkere lysnivå enn terskelen som tilsvarer terskelsignalet FM. Dette gjør det enklere å innstille de ønskede terskler.

Et viktig karakteristisk trekk ved EDB-utrustningen ifølge oppfinnelsen er registreringen av enkeltpunkter i avbildningen og som består av lysflekker som har en viss stør-relse slik at de kan romme flere avsøkingslinjer og fra det ene delbilde til det neste holder seg i de områder som befinner seg i kameraenes observasjonsfelt.

Under den analyse som utføres ved hjelp av videokameraene kan søkingen etter lysflekker med fordel begrenses til visse soner som vil være avhengig av hvor lysflekkene befant seg i det foregående delbilde.

Identifikasjonen av lysflekkene innbefatter generelt registreringen av koordinatene i et bildeplan for de punkter som har et lysnivå som overstiger en bestemt terskelverdi eller tilsvarer en bestemt luminans eller farge. Såsnart luminans-signalets amplitude overstiger en bestemt terskel ni lagres bildekoordinaten (x,y) for kanten av lyssegmentet som da blir avsøkt av kameraet. Beregning av segmentlengden D,x foregår som en telling som varer helt til signalamplttuden overstiger et nytt nivå H som er programmerbart og kan være ubetydelig forskjellig fra ni, f.eks. noe lavere enn dette. Informasjons-trippelen (x,y,Dx) beskriver lysflekken og overføres til datamaskinen når videosignalets amplitude faller under et nytt nivå n2 som ligger lavere enn både ni og H.

Fig. 11 viser teller- og lagerkretsene for koordinatene og segmentlengdene for de forskjellige lysflekker. Delbildets synksignal initialiserer telleren Y 311 til en verdi Yo i et register 310 som fastlegger en parameter som er avhengig av kameraets utførelse. Telleren 311 inkrementeres så for hver påtrykt linjesynkpuls. Når telleren 311 passerer null in-dikeres at avsøkingslinjen er den første linje som inneholder informasjon (forutsatt at det foreligger en undertrykkelse av delbildets linjesynkpulser).

På samme måte startes en teller X 321 når en verdi Xo lagres i et register 320 under påtrykk av en linjesynkpuls. Telleren 321 inkrementeres av en tidsstyreenhet som er synkro-nisert med kameraenes styring. Verdien Xo er valgt slik at det sammensatte videosignal inneholder et luminanssignal når telleren 322 passerer null.

Lagringen av innholdet i tellerne 311 og 321 i buf-ferregistere 312 og 322 skjer når signalet FM påtrykkes. Dette signal fastlegger likeledes lengden av lyssegmentet for telleren 331 som inkrementeres og hvis innhold overføres til et bufferregister 332 når signalet FD påtrykkes, dersom segmentlengden Dx registreres til å ha en le.ngde som er lik eller lengre enn en referanselengde. Bufferregistrene 312, 322 og 332 gir så fra seg sin lagrede informasjon til overførings-bussen 6 via trenivåkretser 313, 323 og 333.

Styre- og kommunikasjonsenheten 4 mellom på den ene side : målekretsene og den analoge enhet 2 og tellerenheten 3 og

på den annen side datamaskinen 5 genererer ut fra terskel-signalene FD og FM de forskjellige kommandosignaler som trengs for utførelse av målingene. En skjematisk oversikt over styre-og kommunikasjonsenhetens kretser er vist på fig. 12: Når signalet FM påtrykkes,aktiveres og inkrementeres en teller 42, 43 for undertrykkelse av parasittfrekvenser,

i takt med synkroniseringsfrekvensen. Styre- og kommunikasjons-

enheten 4 sperrer for overføring dersom lengden av lyssegmentet ligger under en viss gitt verdi. Hvis lysflekken stadfestes (identifiseres) under påtrykket av signalet FD overføres innholdet i bufferregistrene 312, 322 og 332 som henholdsvis tilsvarer tellerne 311, 321 og 331 til et FIFO-register (først inn-først ut) som befinner seg i samme enhet 4 og er koblet for multipleksoverføring.

En sperrekrets 45 som aktiveres av datamaskinen 5 sperrer målregistreringen av de enkelte lysflekker under en variabel tidsperiode etter identifikasjonen av et lyssegment,

og kretsen er koblet til den ene inngang av en OG-port 41 som på en annen inngang mottar signalet FM og på en tredje inn-

gang mottar et signal fra en overførings/sekvenskrets 47. Styrelogikken er utført slik at overføringene sperres dersom deteksjon av luminansen (FM aktiv) har funnet sted før tellin-gen av linjesynkpulsene har startet (x<o). På samme måte foregår det dersom signalet FD påtrykkes etter at luminanssignalet er borte når avsøkingen av linjen er ferdig. Fremgangsmåten sikrer undertrykkelse av de lysflekker som ligger helt ute i kantområdet eller overskrider grensen for det observerte område. På fig. 12 er kretsene 44 og 46 vipper.

Foreliggende oppfinnelse kan også anvendes for naviga-sjon av skipsmodeller eller andre flytende legemer såsom konstruksjonen 1 og på fig. 14a og 15, her i form av en modell-

båt som observeres ovenfra av de to videokameraer 11 og 12 og på hvilken fire lysflekker 71 - 74 er plassert.

I blokkskjemaet på fig. 15 er vist en enhet 91 som måler bevegelsene av konstruksjonen 1 og samtidig beregner av-vikshastigheten i sanntid og via et servosystem, indikert med blokken 92 på fig. 15 og som gir tilbakekoblet styring av konstruksjonen 1 for å holde retningsvinkelen \ p konstant.

De målte parametre x (jagingen), y (svaiingen) og retningsvinkelen ip som angir kursen eller giringen for kurs-endringen bestemmer kurslinjen for konstruksjonen, og disse parametre sammenlignes i et subtraksjonsledd 93 med fastlagte referanseverdier Xo, Yo,^. • Fra subtraksjonsleddet 93 over-føres det eventuelle feilsignal e til en reguleringsforsterker 94 med PID-karakteristikk som i dette tilfelle genererer et signal som svarer til retningsvinkelen $ og som overføres i en serie-kobling til pilotorganer for styring av det fartøy som i dette tilfelle utgjør konstruksjonen 1.

I anvendelser som har med navigering av legemer å gjøre kan videokameraene 11, 12 likeledes plasseres slik at de får en kjent retning i forhold til et fast referansepunkt i koordinatsystemet (OXYZ).

De ...algoritmer som benyttes under prosesseringen av måleresultatene for det observerte objekt skal kort beskrives nå, og ^Algoritmene utføres i samsvar med dataprogrammer som i første rekke ivaretar kommunikasjonen mellom brukeren og måle-systemet: F.eks. kan to programmer, INIT og ACQ benyttes, hvor det første program (initialisering) er tilpasset innles-ingen av begynnelsesverdier eller de terskelverdier som bestemmer identifikasjonen av lyspunktene, mens programmet ACQ (akkvisisjon) styrer registreringen og sorteringen av data fra hvert enkelt lyssegment og beregner disses tyngdepunkt.

Programmene er skrevet i programmeringsspråket "Assembleur" for å gi muligheten av sanntidsmåling i løpet av det tidsintervall som et delbilde opptar (vanligvis 1/50. s) .

Disse programmer for styring av informasjonsopp-taket er vist i form av flytdiagrammer i de viste tabeller.

Det finnes også programmer som sørger for prosessering av de registrerte rådata: Dette er programmer som særlig utfører beregning av koordinater i rommet ut fra de av-bildede koordinater og samplingskoeffisientene, og beregningen gir som resultat den bevegelige konstruksjons varierende vink-ler 6 og

I Tabell I er vist et eksempel på et registreringspro-gram AC som er skrevet i programmeringsspråket "Pascal"

og styrer opptaksrekkefølgen av informasjon fra lysflekkene. Programmet benytter også ...algoritmer skrevet i "Assembleur" slik at en dialog mellom et aktuelt grensesnitt og datamaskinen kan finne sted.

I første runde kan operatøren innstille terskelverdier slik at lysflekkene på modellen eller konstruksjonen (programmet INIT) kan betraktes på en monitorskjerm.

Selve datainnsamlingen (akkvisisjonen - programmet ACQ) igangsettes deretter, og programmet løper helt til et antall npt lysflekker er registrert. (Denne informasjonsmengde tilveiebringes av operatøren).

Etter at disse rådata er opptatt og ført til datamaskinens sentrale lager tillater programmet lesing av resulta-tene, utførelse av ytterligere beregninger og permanent lagring av nyttig informasjon i form av delbildebesifring (ntr), antallet lysflekker i dette delbilde (np) og koordinatene i bildeplanet (xg, yg) i to registre f_acql og f_acq2 som hver er tilkoblet ett av videokameraene.

Tabell I består av to deler, hvor den første er en oversikt over de symboler som er benyttet, mens den andre del viser hvordan selve programmet forløper.

Terskel- eller begynnelsesverdiene inngår i programmet INIT i programmeringsspråket "Assembleur" og denne del kalles opp av programmet AC innenfor initialiseringstrinnet 52 vist på fig. 3.

Operatøren har mulighet for å velge det luminansnivå ni som bevirker registrering av et lyssegment. Denne nivå-verdi kan ligge mellom 0 og 64 og er avhengig av omgivelses-belysningen og kameraobjektivets blenderåpning.

Dessuten er det mulig å velge et minste antall bildeelementer (fr.: pels) som tilsier en nedre grense for registreringen av et lyssegment. Derved kan mindre lysende punkter som forårsakes av parasittære refleksjoner ignoreres og likeledes kan informasjon fra defekte bildeelementer i CCD-opptage-ren utelukkes.

ACQ-programmet for lyssegmentene (likeledes skrevet i programspråket "Assembleur") behøver ikke hentes unntatt når begynnelsesverdiene leses inn eller endres (i programmet INIT). ACQ-programmet leser i grensesnittet de to dataord som inneholder informasjon om kantkoordinatene for lyssegmentet, seg-mentets lengde og kameraets nummer.

Når denne informasjon er lagret undersøkes om det aktuelle segment tilhører en ny lysflekk og informasjonstrippe-len (x,y,dx) lagres i et besifret register etter lysflekkens nummer og nummeret til det videokamera som har observert denne lysflekk. Denne del av programmet fremgår av tabell IV.

I programmet inngår kontinuerlig overvåking av grensesnittet for å fastlegge om en lysflekk dukker opp i observasjonsfeltet. Når ingen slik informasjon foreligger rettes programmet mot beregning av tyngdepunktet for en lysflekk som er registrert tidligere under det foregående delbilde, og dette innebærer at tyngdepunktsberegningene kun utføres for lysflekker som er fullstendig registrert.

Den nyttige informasjon lagres i datamaskinens sentrale lager. Hvert 128 kB lagerområde gir anledning til lagring av data for 2000 påfølgende delbilder som inneholder tre lysflekker. Innsamlingstiden ved 60 Hz sampling dreier seg om ca. 35 s.

Dersom datamaskinens lagerkapasitet økes opp til

1 MB kan påregnes måleforløp med opp til 280 s varighet.

Den kompakte informasjonsmengde som oppnås ved at tyngdepunktsberegningen skjer i sanntid er svært fordelaktig ved at måleforsøket kan foregå over ca. seks ganger så lang tid med en gitt lagerkapasitet.

Beregningene av romkoordinatene som angir konstruksjonens bevegelser innebærer den relativt enkle oppgave å løse fire lineære ligninger med tre ukjente ut fra bildekoordinatene og de faktorer som ble bestemt ved kalibreringen, dersom den optoelektroniske innretning benytter to videokameraer for stereoskopisk observasjon av et legeme som har fire lysflekker. Besifring i deler av programmet vist nedenfor i flytdiagrams-form: Sortering 1, Sortering 2: bestemmelse av tilhørigheten til en bestemt lysflekk av hvert lyssegment og sortering i et adresse-register,

Beregning 1, Beregning 2: beregning av tyngdepunktet for de registrerte lysflekker.

Det skal bemerkes at den fullstendige tyngdepunkts-beregning utføres samtidig med databehandlingen, hvorved koordinatene (XG, YG) oppnås fra de mellomvariable sx, sy og s ut fra ligningene:

XG = sx/(4*s) ;YG = sy/(3*s)

Claims (13)

1. Optoelektronisk innretning for sanntidsmåling av flytende eller neddykkede gjenstanders tredimensjonale bevegel-sesmønster i en modelltank, hvor målingene bygger på registrering av det sammensatte bevegelsesmønster for minst fire kontrastområder kalt lysflekker (71-75) som på forhånd er påført på den gjenstand (1) som skal måles og som ved registreringen fremkommer som lyskilder i kontrast til omgivelsene, og hvor plasseringen på gjenstanden er slik at de ikke ligger på linje, omfattende minst to synkroniserte videokameraer (11, 12) rettet inn for observasjon av minst tre (73, 74, 75) av lysflekkene, og EDB-enheter (2, 3, 4, 5) for elektronisk signalbehandling av de videosignaler som kameraene (11, 12) genererer, KARAKTERISERT VED at hver lysflekk (71-75) har slike dimen-sjoner at det i videokameraenes (11, 12) bildeplan ved en gitt avstand til gjenstanden (1) dannes en avbildning (7) som under kameraenes avsøking dekkes av fra fem til femten avsøkingslinjer (Y^ - Y^), at EDB-enhetene (2, 3, 4, 5) omfatter en analog enhet (2) innrettet for å skille ut synkroniseringssignaler og signaler for registrering av koordinatene i forhold til et fast referansepunkt (OXYZ) for de avbildningspunkter som har en luminans som overstiger et bestemt luminansnivå (n^), en tellerenhet (3) for å telle og lagre koordinatene (X, Y) og lengden (Dx^ - Dx^) av hver av de illuminerte linjer som ved avsøkin-gen dannes i avbildningen (7) av en lysflekk (71-75), en styre-og kommunikasjonsenhet (4), og en datamaskin (5), idet EDB-enhetene (2, 3, 4, 5) er innrettet for å bestemme lysflekkenes (71 - 75) tyngdepunkts koordinater i hvert av kameraenes (11, 12) bildeplan, de samme tyngdepunktskoordinater i forhold til det faste referansepunkt (OXYZ), og gjenstandens (1) tredimensjonale bevegelsesmønster i form av tre translatoriske bevegelser og tre dreiebevegelser, ut fra endringen over tid av tyngdepunktskoordinatene i forhold til referansepunktet (OXYZ).

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å være tilpasset registrering av fem lysflekker (71-75) i samme plan og slik plassert at de danner en V på en flytende gjenstand (1), idet V-formens konverterende linjer hver inneholder to grupper med respektive tre lysflekker (71, 72, 73; 73, 74, 75) og slik at linjene møtes i en felles lysflekk (73).

3. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å være tilpasset registrering av fire lysflekker (71-74) på en flytende gjenstand (1), idet de ikke ligger på linje, men slik at tre av dem ligger i samme plan.

4. Innretning ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at de to videokameraer (11, 12) til enhver tid avbilder plan som tilnærmet ligger 90° i forhold til hver-andre.

5. Innretning ifølge ett av kravene 1-4, KARAKTERISERT VED å være tilpasset observasjon av en stiv, bevegelig modellkonstruksjon (8) på hvilken det på bestemte steder i forhold til et fast referansepunkt (OXYZ) er anordnet minst et titall lysflekker (81-89) fordelt over minst to ad-skilte plan, omfattende innstillingsorganer for å kunne innstille videokameraene (11, 12) i forhold til modellkonstruksjonen (8).

6. Innretning ifølge ett av kravene 1-5, KARAKTERISERT VED at registreringen med analoge signaler fra videokameraene (11, 12) skjer ved en frekvens i størrelses-ordenen 60 Hz.

7. Innretning ifølge ett av kravene 1-6, KARAKTERISERT VED å omfatte organer som avbryter registreringen av de analoge signaler fra videokameraene (11, 12) for de avbildningssoner som ikke observerer noen lysflekk.

8. Innretning ifølge ett av kravene 1-7, KARAKTERISERT VED at videokameraene (11, 12) kan forskyves i en kjent retning i forhold til det faste referansepunkt (OXYZ).

9. Innretning ifølge ett av kravene 1-8, KARAKTERISERT VED videre å omfatte beregningsorganer for bevegelsesparametre (såsom den translatoriske bevegelse i x-retningen, jagingen, den translatoriske bevegelse i y-retningen, svaiingen eller slingringen, eller dreiebevegelsen om z-aksen, giringen, representert ved retningsvinkelen <y>p i forhold til en ønsket kurs), som fastlegger den flytende gjenstands eller konstruksjons (1, 8) bevegelser, og regulerings- og sammenlig-ningsorganer for punkter langs dens bevegelsesbane, angitt som målte verdier (x, y, \ p ) i forhold til referanseverdier (x , y , <*>o<>.>

10. Innretning ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at regulerings- og sammenligningsorganene arbeider på en frekvens som er lavere enn registreringsfre-kvensen for målingene og i størrelsesorden 10 Hz.

11. Innretning ifølge ett av kravene 1-10, KARAKTERISERT VED at lysflekkene (71-75; 81-89) dannes av skive-formede reflektorer som belyses av prosjektører (70) anordnet i nærheten av videokameraene (11, 12).

12. Fremgangsmåte for optoelektrisk sanntidsmåling av flytende eller neddykkede gjenstanders tredimensjonale bevegelsesmønster i en modelltank, hvor målingene bygger på registrering av det sammensatte bevegelsesmønster for minst fire kontrastområder kalt lysflekker (71-75) som på forhånd er påført på den gjenstand (1) som skal måles og som ved registreringen fremkommer som lyskilder i kontrast til omgivelsene, og hvor målingene videre bygger på anvendelse av minst to synkroniserte videokameraer (11, 12) rettet inn for observasjon av minst tre (73,

74, 75) av lysflekkene, og EDB-enheter (2, 3, 4, 5) for elektronisk signalbehandling av de videosignaler som kameraene (11, 12) genererer, KARAKTERISERT VED å omfatte: a) anordning av lysflekkene (71-75) på bestemte steder på gjenstanden (1) hvis bevegelser skal observeres, slik at lysflekkene ikke blir liggende på linje, b) plassering og innretting av kameraene (11, 12)slik at deres sentrale siktelinjer konvergerer mot gjenstanden (1) som skal observeres, slik at hvert kameras observasjonsfelt dekker minst tre av lysflekkene, og slik at hver lysflekk i bildeplanet danner en så stor avbildning (7) at den dekker en avsøkingsflate som blir avsøkt av mellom fem og femten av-søkingslinjer (Y^-Y^), c) utskilling av synkroniseringssignalene og alle luminanssignaler hvis luminans overstiger et bestemt luminansnivå (n^), fra de videosignaler som genereres av de to videokameraer (11, 12), d) registrering og lagring av koordinatene (X,Y) og lengden (Dx^-Dx^) av hver av de illuminerte linjer som ved avsøkingen av en lysflekk dannes i hvert videokameras (11, 12) bildeplan, e) beregning av koordinatene i kameraets bildeplan for hver lysflekks tyngdepunkt, ut fra koordinatene (X,Y) og lengdene (Dx^-Dx^) av de illuminerte linjer, beregning av de samme tyngdepunktskoordinater i forhold til et fast referansepunkt (OXYZ), og utledning av gjenstandens (1) tredimensjonale bevegelsesmønster i form av tre translatoriske bevegelser og tre dreiebevegelser, ut fra endringen over tid av tyngdepunktskoordinatene i forhold til referansepunktet (OXYZ).

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED en innledende kalibreringsrutine omfattende observasjon av en modellkonstruksjon (8) med lysflekker (81-89) anordnet på bestemte og hensiktsmessige steder og med fastlagte koordinater i forhold til et fast referansepunkt (OXYZ).