Автоматическая коррекция систематических погрешностей измерительных каналов. Автоматическая коррекция изображений: мифы и реальность

Таблица 1 – Инструкции для автоматической коррекции параметров инструмента

В процессе обработки режущая кромка инструмента должна точно следовать вдоль запрограммированной траектории. В силу различия используемых инструментов, их размеры должны быть учтены и введены в систему управления перед началом воспроизведения программы. Только в этом случае траектория может быть рассчитана безотносительно к параметрам используемых инструментов. После того, как инструмент установлен в шпиндель и активизирована соответствующая коррекция (компенсация его размеров), система ЧПУ автоматически принимает в расчет эту коррекцию.

Рисунок 1 – Инструментальный комплекс

Адрес Н осуществляет компенсацию длины, а адрес D - компенсацию радиуса.

Компенсация длины возможна двумя способами: по отношению к передней плоскости шпинделя и по отношению к «нулевому инструменту».

Рисунок 2 – Компенсация длины инструмента по отношению к передней плоскости шпинделя и к нулевому инструменту

В первом случае величина компенсации может быть только положительной (для рисунка Рисунок 2 Н1=70.832, Н2=81.712, Н3=100.003), во втором случае выбирают «нулевой инструмент», который имеет нулевое значение компенсации, а остальные величины компенсаций могут быть как положительными, так и отрицательными (для рисунка Рисунок 2 Н1=-20.813, Н2=0, Н3=25.821). В обоих случаях величины компенсации сохраняются в соответствующей таблице.

Центр фрезы движется по эквидистантной траектории, параллельной контуру детали, отстоящей от нее на величину, равную радиусу фрезы. Эквидистантную траекторию называют также траекторией центра фрезы. Значения компенсации для различных инструментов вносят в таблицу; например: D1=14 (при диаметре фрезы 28 мм); D2=22 (при диаметре фрезы 44 мм). Направление смещения определяется, если смотреть на траекторию сверху вниз, то есть со стороны "+Z" в направлении "-Z".

Рисунок 3 – Принцип эквидистантной коррекции

Вдоль контура и тех сопряжений кадров, для которых угол наклона касательной остается неизменным, эквидистанта однозначно определяется параметрами контура. В других же нерегулярных случаях внешних сопряжений кадров система ЧПУ рассчитывает сопряжения отрезков эквидистант соответственно инструкциям G68 или G69.

Рисунок 4 – Однозначное определение контура эквидистантой и расчет внешних сопряжений отрезков эквидистант

В случае нерегулярных сопряжений внутренних контуров система ЧПУ рассчитывает пересечения эквидистант для определения нужной траектории. В некоторых случаях это может привести к полному искажению контура. Чтобы избежать этого, некоторые системы ЧПУ располагают функцией «контроля коллизий»

Рисунок 5 – Расчет внутренних сопряжений отрезков эквидистант

Для того чтобы система ЧПУ успела выполнить смещение относительно запрограммированного контура необходимо добавить к исходной траектории участок подвода. На этом участке происходит активация автоматической коррекции радиуса инструмента. Большинству систем для активации коррекции требуется пройти расстояние, не меньшее величины радиуса инструмента. Обязательным условием для активации коррекции является наличие именно прямолинейного перемещения на рабочей подаче.

Коррекция радиуса инструмента слева – G41. Инструкция G41 инициирует положительную эквидистантную коррекцию слева от заготовки, если смотреть в направлении подачи. Для реализации коррекции радиус фрезы программируют в D-слове, а номер инструмента в Т-слове. Вместе с инструкцией G41 можно программировать линейные перемещения; тогда активизация эквидистантной коррекции произойдет «по пути» движения к конечной точке кадра.

N60 G41 X... Y... Z... D...

N65 G41 X... Y... Z...

Коррекция радиуса инструмента справа – G42. Инструкция G42 инициирует эквидистантную коррекцию справа от заготовки, если смотреть в направлении подачи. Все остальное - идентично инструкции G41.

Коррекция длины инструмента – G43. Компенсация длины инструмента осуществляется путем программирования команды G43 и H слова данных. Обычно компенсация длины активируется совместно с холостым перемещением по оси Z.

Отмена коррекций радиуса и длины инструмента – G40, G49. Компенсация длины инструмента отменяется путем программирования команды G49 или H00. Компенсация радиуса инструмента отменяется программированием команд G40 или D00. Отмена коррекции G40 может сопровождаться прямолинейным движением в активной плоскости. В этом случае выход из эквидистантной траектории осуществляется «по пути» к конечной точке кадра. Если активны функции круговой интерполяции, то действие инструкции G40 не должно сопровождаться перемещением.

Сопряжение эквидистант на стыке кадров (по дуге) – G68; по траектории пересечения эквидистант – G69. Инструкции являются модальными и работают при активной эквидистантной коррекции. Их действие сводится к автоматической генерации дуги (G68) или траектории пересечения эквидистант на стыке «не плавно» сопрягаемых кадров. Инструкция G68 инициирует автоматическое соединение разрыва эквидистант с помощью дуги радиуса r.

Рисунок 6 – Автоматическое соединение разрыва эквидистант по дуге

Инструкция G69 инициирует автоматическое соединение разрыва эквидистант по траектории пересечения эквидистант.

Рисунок 7 – Автоматическое соединение разрыва эквидистант по траектории пересечения эквидистант

Как следует из (10), статическая точность АЦП многотактного интегрирования определяется только точностью источника опорного напряжения и смещением нуля интегратора и компаратора, которые суммируются с опорным напряжением. Смещение нуля можно устранить автоматической компенсацией. Для этого в цикл преобразования вводят дополнительную стадию установки нуля (см. рис. 11), во время которой интегратор отключается от источников сигналов и совместно с компаратором охватывается глубокой отрицательной обратной связью, как это показано на рис 13. Здесь в качестве компаратора используется ОУ. Между интегратором и входом АЦП включен неинвертирующий повторитель в качестве буферного усилителя Б.

В фазе автоматической компенсации нуля ключи S 1 , S 3 , S 5 разомкнуты, а ключи S 2 , S 4 , S 6 , S 7 - замкнуты. Поэтому интегратор, компаратор и буферный усилитель образуют повторитель напряжения, выходное напряжение которого U к подается на конденсатор автоматической компенсации С ак Входное напряжение буферного усилителя равно нулю, а выходное - его смещению нуля U 0б После окончания переходных процессов на конденсаторе С ак установится напряжение, равное U 0б +U 0и, где U 0и - смещение нуля интегратора. Одновременно конденсатор С оп заряжается от источника опорного напряжения.

На стадии интегрирования входного напряжения ключи S 4 и S 7 размыкаются, а S 1 - замыкается. Так как на это время напряжение на конденсаторе С ак запоминается, смещение нуля в течение фазы интегрирования компенсируется. При этом дрейф нуля определяется только кратковременной нестабильностью, которая очень мала. То же самое сохраняется на стадии счета.

Поскольку в контуре компенсации смещения нуля последовательно включены два усилителя, то легко могут возникнуть автоколебания. Для стабилизации последовательно с ключем S 7 следует включить резистор.

После окончания фазы интегрирования схема управления анализирует выходное напряжение компаратора. Если среднее значение входного напряжения положительно, то на выходе компаратора устанавливается напряжение высокого уровня. В этом случае одновременно с размыканием ключа S 1 замыкаются ключи S 4 и S 5 , подключая ко входу буферного усилителя конденсатор С оп с сохраненным на нем опорным напряжением, причем так, что это напряжение имеет полярность, противоположную полярности источника опорного напряжения. Если среднее значение входного напряжения отрицательно, то на выходе компаратора устанавливается напряжение низкого уровня. Тогда замыкаются ключи S 3 и S 6 , подключая ко входу буферного усилителя опорный конденсатор другими полюсами. В обоих случаях в стадии счета происходит изменение напряжения интегратора U и (t ) в направлении, противоположном тому, которое имело место в стадии интегрирования. Одновременно схема управления формирует код знака. Таким образом, в простейшем случае выходной код АЦП представляет собой прямой код со знаком.

Интегральные АЦП многотактного интегрирования изготавливаются в виде полупроводниковых ИМС. Можно различить две главные группы:

схемы с параллельным или последовательным выходом для сопряжения с микропроцессорами (например, ICL7109, выходное слово которого включает 12 бит плюс знак в параллельном 14-ти или 8-ми разрядном коде, или 18-разрядный плюс знак МАХ132 с последовательным интерфейсом);

схемы с двоично-десятичными счетчиками с дешифраторами для управления семисегментными индикаторами, в том числе мультиплексированными. Такие АЦП применяются в качестве основы для цифровых вольтметров. Примерами могут служить ICL7106 (отечественный аналог - 572ПВ5) с диапазоном +/-2000 отсчетов или ICL7135 (отечественный аналог - 572ПВ6) с диапазоном +/-40000 отсчетов.

«Параметры автоматической цветокоррекции» отвечают за автоматический подбор настроек тона и цвета с помощью корректировок «Уровни» и «Кривые». Они также управляют командами «Автотон», «Автоконтраст» и «Автоматическая цветовая коррекция».

«Параметры автоматической цветокоррекции» отвечают за автоматический подбор настроек тона и цвета с помощью корректировок «Уровни» и «Кривые». Они также управляют командами «Автотон», «Автоконтраст» и «Автоматическая цветовая коррекция». Здесь можно указать процент отсечения теней и светлых участков и назначить цветовые значения теням, средним тонам и светлым участкам.

Эти параметры можно однократно применить в корректировках «Уровни» или «Кривые» или сохранить в качестве значений по умолчанию для команд «Автотон», «Автоконтраст», «Автоматическая цветовая коррекция» и кнопки «Авто» в диалоговых окнах «Уровни» и «Кривые».

Диалоговое окно «Параметры автоматической цветокоррекции»

1. Щелкните на значке «Уровни» или «Кривые» на панели «Коррекция».
2. Щелкните кнопку «Авто» на панели «Коррекция», удерживая клавишу «Alt» (Windows) или «Option» (Mac OS).
3. Укажите, какой алгоритм должен использоваться для корректировки общего тонального диапазона изображения. Усиление монохроматического контраста Отсекает значения во всех каналах одинаково. Сохраняет общее отношение между цветами, но делает светлые участки светлее, а тени - темнее. Этот алгоритм использует команда «Автоконтраст». Усиление контраста в каналах Максимизирует тональный диапазон в каждом канале, чтобы выполнить более глубокую корректировку. Так как все каналы корректируются по отдельности, алгоритм «Улучшить контраст по каналам» может убрать или создать новые цветовые оттенки. Этот алгоритм использует команда «Автотон». Поиск темных и светлых цветов Находит среди самых светлых и самых темных пикселов изображения пикселы со средними значениями и использует их для максимизации контраста с минимизацией отсечения. Этот алгоритм использует команда «Автоматическая цветовая коррекция».
4. Включите параметр «Привязать к нейтральным средним тонам», чтобы команда выполнила поиск среднего нейтрального цвета на изображении и отрегулировала значение гаммы (средних тонов), превратив этот цвет в нейтральный. Этот алгоритм использует команда «Автоматическая цветовая коррекция».
5. Чтобы указать, насколько сильно должны отсекаться черные и белые пикселы, введите процентные значения в текстовые поля «Усечение». Рекомендуется использовать значения от 0,0% до 1%.

   По умолчанию команды Photoshop отсекают белые и черные пикселы на 0,1%, то есть игнорируют 0,1% с каждого конца диапазона при идентификации самых светлых и самых темных пикселов на изображении. Так как качество изображений, обеспечиваемое современными сканерами и цифровыми камерами, очень высокое, эти значения отсечения по умолчанию могут оказаться слишком большими.

6. Чтобы определить (нацелить) цветовые значения для самых темных, нейтральных и самых светлых областей изображения, щелкните образец цвета.
7. Сделайте одно из следующего.

   Чтобы использовать настройки открытой корректировки «Уровни» или «Кривые», нажмите кнопку «ОК». Если после этого нажать кнопку «Авто», те же настройки будут снова применены к изображению.

   Чтобы сохранить настройки в качестве параметров по умолчанию, нажмите кнопку «Сохранить в качестве значений по умолчанию», а затем нажмите кнопку «ОК». В следующий раз, когда вы откроете «Уровни» или «Кривые» на панели «Коррекция», те же настройки можно будет применить, щелкнув кнопку «Авто». Команды «Автотон», «Автоконтраст», «Автоматическая цветовая коррекция» используют процент отсечения по умолчанию.

   Примечание. При сохранении параметров автоматической корректировки цвета по умолчанию для команд «Автоматическая цветовая коррекция», «Автотон» и «Автоконтраст» не играет роли, какой алгоритм был выбран в шаге 2. Эти три команды автоматической корректировки используют только значения, установленные для целевых цветов и отсечения. Единственным исключением является команда «Автоматическая цветовая коррекция», которая также использует параметр «Привязать к нейтральным средним тонам».

Одной из главных задач, решаемых при создании контрольно-управляющих систем, является обеспечение необходимой точности измерительного канала и его долговременной метрологической стабильности.

Существенной составляющей общей погрешности измерительного канала является систематическая погрешность. Для получения возможности коррекции этой погрешности необходимо знать, как она себя ведет при изменении величины измеряемого сигнала. Ее поведение определяется формой реальной функции преобразования измерительного канала, точнее тем, как отклоняется эта функция от идеальной. Идеальная характеристика измерительного канала представляет собой линейную зависимость изменения величины сигнала на выходе канала от величины сигнала на входе канала. Характер изменения реальной характеристики в общем случае может быть не линейным.

Как бы не отличалось поведение реальной функции преобразования от идеальной, все отличия можно свести к сумме трех составляющих – погрешности смещения нуля, масштабной погрешности и погрешности нелинейности (рис.1). Разделение общей погрешности преобразования на такие составляющие существенно в первую очередь с практической точки зрения – определение величины каждой составляющей и коррекция каждой из них осуществляется по-своему.

Причины появления систематической погрешности канала связаны в первую очередь с инструментальными погрешностями его составных узлов и элементов. Погрешность смещения нуля, как аддитивная погрешность, складывается из погрешностей смещения нуля операционных усилителей или иных элементов принципиальной схемы канала. Масштабная погрешность по своему поведению является мультипликативной. Она обуславливается неправильным установлением коэффициентов передачи элементов схемы канала. Для коррекции погрешности смещения нуля и масштабной погрешности (сведения их к допустимому диапазону) в стандартной схеме включения элементов и узлов, как правило, предусматривается включение корректирующих элементов – обычно подстроичных резисторов.

Коррекция осуществляется на этапе первичной настройки устройства в лабораторных условиях с использованием необходимой измерительной техники. Однако после того как устройство будет помещено в реальные условия эксплуатации проведенная коррекция погрешностей может «рассыпаться» из-за воздействия на элементы схемы различных дестабилизирующих факторов.

Р и с. 1. Разложение систематической погрешности измерительного канала на отдельные составляющие

Самым очевидным дестабилизирующим фактором является изменение температуры. Другим распространенным фактором является нестабильность источников питания. И наконец, свою лепту в систематическую погрешность может вносить еще один медленно меняющийся фактор – старение элементов. Действие этих факторов (их изменения во время работы устройства) могут приводить к тому, что погрешности, скорректированные на этапе настройки устройства, вновь будут выходить за допустимые пределы. Общий вывод, вытекающий из этого, состоит в том, что такими простыми способами обеспечить долговременную метрологическую стабильность работы устройства, по крайней мере, затруднительно. В частности, это может потребовать применения прецизионной и дорогой элементной базы, чего конечно хочется избежать.

Добиться долговременной метрологической стабильности при использовании не дорогой и распространенной элементной базы можно только при условии, что погрешности элементов будут постоянно (периодически) отслеживаться и корректироваться. Очевидно, что постоянно проводить настройки вручную в ходе работы устройства невозможно. Обеспечить это можно только осуществляя эти действия в автоматическом режиме. В свою очередь организовать такой режим можно только тогда, когда центральное ядро контрольно-измерительной системы реализовано как «интеллектуальное» – на основе микропроцессорной техники.

Рассмотрим сначала общие принципы организации автоматической коррекции систематических погрешностей канала, а затем ограничения ее проведения, вытекающие из условий реальной реализации измерительных каналов.

Линейные составляющие систематической погрешности (погрешностей смещения нуля и масштабной) определяются и корректируются с использованием достаточно простых подходов.

Постоянство погрешности смещения нуля на всем диапазоне входных воздействий позволяет для определения ее величины ограничиться проведением всего одного измерения. Как видно из рис.1, при нулевом входном воздействии отклонение реальной функции преобразования канала от идеальной определяется погрешностью смещения нуля. Поэтому для определения этой погрешности необходимо на вход канала подать входной сигнал равный нулю и измерить значение сигнала, получаемое при этом на выходе канала. Это значение будет соответствовать определяемой погрешности. Для подачи на вход канала сигнала равного нулю, нужно во входную цепь установить ключ, коммутирующий вход канала на время оценки погрешности на общую земляную шину (рис.2,а).

Р и с. 2. Построение входных цепей для возможности коррекции погрешности смещения нуля (а) и масштабной погрешности (б)

Очевидно, что коррекция погрешности смещения нуля будет сводиться в дальнейшем к вычитанию ее величины из значений на выходе канала, получаемых при проведении текущих измерений.

Линейный характер масштабной погрешности позволяют для определения ее поведения также обойтись одним измерением. Подключая ко входу измерительного канала известный по величине источник опорного напряжения и проводя измерение его величины, легко оценить во сколько раз полученный результат отличается от ожидаемого. Иными словами, поделив значение результата измерения опорной величины на истинное значение этой величины, мы получим поправочный коэффициент, который в дальнейшем можно будет использовать для коррекции результатов текущих измерений. Для подачи на вход канала сигнала, равного опорному, нужно во входную цепь установить ключ, подключающий ко входу канала на время оценки погрешности источник опорного напряжения (рис.2,б). Коррекция масштабной погрешности будет сводиться к умножению значений на выходе канала, получаемых при проведении текущих измерений, на полученный поправочный коэффициент.

Из приведенной последовательности действий видно, что определение поправочного коэффициента для коррекции масштабной погрешности необходимо проводить после определения погрешности смещения нуля и с учетом ее величины.

Конечно, если коррекции двух линейных составляющих систематической погрешности окажется достаточно, чтобы свести общую погрешность канала в допустимые приделы, можно ограничиться описанными простыми приемами уменьшения общей погрешности канала. Если же этого будет недостаточно, то нужно идентифицировать поведение нелинейной составляющей систематической погрешности, чтобы при проведении текущих измерений дополнительно учитывать еще и ее величину. Для точного определения характера нелинейного поведения систематической погрешности нужно проводить сквозной контроль – подавать на вход канала с калиброванного источника напряжений сигнал во всем возможном диапазоне его изменения и проводить оценочные измерения. В большинстве практических случаев ограничиваются измерением значений нескольких источников опорного напряжения. После чего интерполируют поведение реальной характеристики по этим нескольким реперным точкам.

Действия по определению текущих значений систематических погрешностей канала должны проводиться под управлением программы микропроцессорного ядра контрольно-управляющей систем. Контроль за уровнем систематической погрешности может производиться периодически. Период обновления оценок погрешности выбирается исходя из степени изменчивости дестабилизирующих факторов. В частности контроль может производиться все то время, пока контрольно-измерительная система не занимается текущими измерениями и обработкой результатов измерений. При этом к каждому очередному измерению будет всегда готова оценка погрешности, соответствующая моменту времени, непосредственно предшествующего моменту текущего измерения.

Проведение периодической автоматической коррекции не исключает необходимости использования в узлах измерительного канала каких-либо элементов настройки. Однако при этом они будут использоваться не для минимизации тех или иных погрешностей, а для того чтобы вывести реальную функцию преобразования канала в диапазон, где эти погрешности могут быть правильно оценены.

Например, может оказаться, что реальная функция преобразования располагается относительно идеальной так, как показано на рис. 3.а. По идеальной функции преобразования видно, что канал рассчитан на измерение положительных входных напряжений, поэтому отрицательное значение погрешности смещения нуля для реальной функции преобразования оценено быть не может. Для того чтобы погрешность смещения нуля можно было оценить необходимо с помощью аппаратных элементов настройки вывести реальную функцию преобразования полностью в положительную область выходных напряжений.

В случае, который иллюстрируется рис. 3.б. наличие масштабной погрешности приводит к тому, что реальная функция преобразования находится выше идеальной. При подаче на вход канала опорного напряжения, равного максимальному входному напряжению, масштабную погрешность оценить не получится – на выходе канала напряжение, которое можно оценить, будет ограничиваться уровнем, соответствующим конечной точке шкалы идеальной функции преобразования. Выходом из этой ситуации является или выбор меньшего опорного напряжения или смещение реальной функции преобразования ниже идеальной. Смещение реальной функции преобразования должно осуществляться с помощью аппаратных элементов настройки.

Р и с. 3. Варианты расположения идеальной и реальной функций преобразования измерительного канала относительного друг друга

Отметим, что выбор поправочного коэффициента для коррекции масштабной погрешности может осуществляться с учетом вида нелинейной составляющей систематической погрешности. Например, выбирая наклон реальной функции преобразования относительно идеальной, нетрудно добиться того чтобы погрешности нелинейности «располовинились» (рис. 4) и тем самым отклонения реальной функции преобразования относительно идеальной были сведены к минимальным.

Р и с. 4. Минимизация нескорректированной нелинейной составляющей систематической погрешности.

Погрешности нелинейности будут при этом разного знака, а их абсолютные значения по величине меньше.

Кроме систематических погрешностей, рассмотренных выше, в измерительных каналах приходится иметь дело со случайными погрешностями. Поведение систематических и случайных погрешностей различно, поэтому отличаются и методы их коррекции. Известно, что при постоянстве во времени измеряемой величины наиболее эффективным методом уменьшения случайных погрешностей является проведение многократных изменений с последующим усреднением результатов. При этом погрешность среднего значения результата измерения уменьшается в раз, где n – число измерений.

Значительные трудности возникают при уменьшении случайной погрешности при измерении изменяющейся во времени величины. При этом для получения наилучшей оценки измеряемой величины применяют процедуру фильтрации. В зависимости от вида используемых преобразований различают линейную и нелинейную фильтрацию, где реализация отдельных процедур может быть осуществлена как аппаратными, так и программными средствами.

Фильтрация может применяться не только для подавления помех, наводящихся на входные цепи передачи аналогового сигнала, а при необходимости и для ограничения спектра входного и восстановления спектра выходного сигнала (об этом уже говорилось ранее). При необходимости могут применяться фильтры с перестраиваемой частотой среза.

Применение автоматической коррекции систематических погрешностей можно рассматривать как проведение адаптации канала к его собственному состоянию. Применение современной элементной базы позволяет сегодня реализовывать входные цепи, адаптирующиеся к характеристикам входного сигнала, в частности, к его динамическому диапазону. Для такой адаптации необходим входной усилитель с управляемым коэффициентом передачи. Если по результатам предшествующих измерений удалось установить, что динамический диапазон сигнала мал по сравнению с диапазоном входного сигнала АЦП, то коэффициент усиления усилителя увеличивают до тех пор, пока динамический диапазон сигнала не будет соответствовать диапазону работы АЦП. Таким образом удается добиться минимизации погрешности дискретизации сигнала и, следовательно, повышения точности проведения измерений. Изменение коэффициента усиления сигнала на входе учитывается при этом программно при обработке результатов измерений цифровым контроллером.

Критерии оценки соответствия динамического диапазона сигнала и диапазона работы АЦП будут рассмотрены далее, будут рассмотрены и способы адаптации входного канала к частотным свойствам входного сигнала.