Zastosowanie metod fotogrametrycznych do projektowania i analizy

1896
MECHANIK NR 12/2016
Zastosowanie metod fotogrametrycznych do
projektowania i analizy foteli autobusowych i kolejowych
Application of photogrammetry to design and inspect bus and railway seats
MICHAŁ WIECZOROWSKI
MACIEJ SZYMAŃSKI
BARTOSZ GAPIŃSKI
ARTUR RĘKAS
SEBASTIAN SZYMAŃSKI
MIROSŁAW GRZELKA *
DOI: 10.17814/mechanik.2016.12.541
W artykule przedstawiono zastosowanie metod fotogrametrycznych do projektowania i badania foteli komunikacji masowej.
Zaprezentowano zarówno fotogrametrię statyczną stosowaną
do analizy geometrii foteli, jak i dynamiczną, wykorzystywaną
m.in. w testach zderzeniowych. Pokazano zasady fotogrametrii
i omówiono przykładowe badania.
SŁOWA KLUCZOWE: fotogrametria, badania statyczne, badania
dynamiczne, deformacja
oraz Regulaminów Europejskiej Komisji Gospodarczej
Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG ONZ), a także
Białej Księgi Amerykańskiej.
Firma STER jako czołowy producent foteli na świecie
wytwarza je dla wszystkich wymienionych powyżej typów
pojazdów. Przykłady takich realizacji pokazano na rys 1.
In the paper application of photogrammetry method to design
and test seats for public transportation was presented. Both,
static photogrammetry used for geometry analysis as well as
dynamic one applied for crash tests were shown. Bases of
photogrammetry and examples of inspections were briefly discussed.
KEYWORDS: photogrammetry, static tests, dynamic inspection,
deformation
Fotogrametria to dziedzina nauk technicznych zajmująca
się pozyskiwaniem informacji o obiektach fizycznych i ich
otoczeniu drogą rejestracji, pomiaru i interpretacji zdalnie
pozyskiwanych obrazów. Pomiar fotogrametryczny daje
informacje o kształcie obiektu, jego usytuowaniu względem
innych obiektów w przestrzeni, ewentualnie przemieszczeniu lub odkształceniu [7]. Obrazy, jakimi posługuje się fotogrametria, mogą być rejestrowane w różnych zakresach
długości fal promieniowania elektromagnetycznego [1, 6]:
●● w zakresie widzialnym (kamery fotograficzne i skanery),
●● w podczerwieni (kamery specjalne i termowizyjne),
●● w zakresie mikrofal (specjalne odbiorniki i radary),
●● w paśmie promieniowania rentgenowskiego (kamery
rentgenowskie) [8].
W zależności od sposobu wykorzystania zdjęć rozróżnia się:
●● fotogrametrię płaską (1-obrazową),
●● fotogrametrię przestrzenną (2-obrazową), zw. również
stereofotogrametrią, w której uzyskuje się przestrzenny
model sfotografowanego przedmiotu lub terenu na podstawie stereogramu, tj. pary zdjęć wykonanych z dwóch
różnych punktów przestrzeni.
Fotogrametria jest technologią bazująca na standardowej fotografii i jest szczególnie przydatna do digitalizacji
dużych obiektów. Opiera się na wykonaniu wielu zdjęć
określonego obszaru bądź obiektu, a następnie automatycznym lub ręcznym wskazaniu wspólnych punktów na
każdej fotografii [3–5, 9]. Fotogrametrię często wykorzystuje się razem z innymi technikami skanowania 3D do
zapewnienia pomiarów całej powierzchni części i do utrzymania wąskiej tolerancji na dużych obszarach. Punktami
współrzędnymi są tylko te punkty, które da się określić na
mierzonej płaszczyźnie obiektu. Punkty są jednoznacznie
rozpoznawane przez system, dzięki czemu można określić
bezpośrednie ich położenie w przestrzeni pomiarowej [2,
10].
Wyróżniamy fotogrametrię statyczną, kiedy obiekt jest
w stanie spoczynku, wykorzystywaną do digitalizacji
obiektu, kontroli jakości wykonania, itp., oraz dynamiczną
– obiekt w stanie dynamicznym – kiedy występują przemieszczenia, stosowaną do analizy przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń, drgań, odkształceń, itp.
Pojazdy komunikacji zbiorowej obejmują różne środki
transportu – mogą to być pojazdy drogowe – autobusy
i trolejbusy oraz pojazdy szynowe – tramwaje, metro i pociągi, a także pojazdy specjalne, jak na przykład szynowe
kolejki górskie.
Rys. 1. Przykładowe fotele STER
Każda z wymienionych grup pojazdów cechuje się innymi wymaganiami, oczekiwaniami i przepisami w odniesieniu do stosowanych w nich foteli. Pojazdy drogowe
– autobusy i trolejbusy są homologowane do użytku na
podstawie Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady
* Prof. dr hab. inż. Michał Wieczorowski ([email protected]), mgr inż. Maciej Szymański ([email protected]) –
Ster Sp. z o.o.; dr inż. Bartosz Gapiński ([email protected]),
dr inż. Artur Rękas ([email protected]) – Akademia Górniczo-Hutnicza
Kraków; Sebastian Szymański ([email protected]) – OBR
– Ster Sp. z o.o.; dr inż. Mirosław Grzelka ([email protected].
pl) – Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Mechanicznej
Fotogrametria
MECHANIK NR 12/2016
+
1897
MECHANIK NR .../20...
Procedura
badawcza
Wyróżniamy
fotogrametrię statyczną kiedy obiekt jest w
stanie spoczynku, wykorzystywaną do digitalizacji obiektu,
Z punktu
widzenia
producenta
jakim jest
STER,
kontroli
jakości
wykonania,
itp., orazfoteli,
dynamiczną
– obiekt
w
stanie
kiedy występują
przemieszczenia,
wysocedynamicznym
pożądane jest– zastosowanie
urządzenia
pomiarostosowaną
do analizy na
przemieszczeń,
prędkości,
przyspiewego pozwalającego
rejestrację danych
wymaganych
szeń,
odkształceń,
itp. ale również jednocześnie
przezdrgań,
uregulowania
prawne,
pozwalającego na pełną analizę zmian geometrii fotela
Procedura
badawczaw trakcie prowadzonego testu. Rówi jego wyposażenia
nie ważna jest rzeczywista geometria fotela przed przeZ punktu widzenia
foteli,
jakim
jest STER,
prowadzeniem
testu i producenta
potwierdzenie
jego
zgodności
wywysoce pożądane jest zastosowanie urządzenia pomiaromiarowej z dokumentacją, jak i ocena geometrii całości
wego pozwalającego na rejestrację danych wymaganych
fotela po przeprowadzonym teście. Do przeprowadzenia
przez uregulowania prawne, ale również jednocześnie pobadań nad zastosowaniem
metod
do
zwalającego
na pełną analizę
zmianfotogrametrycznych
geometrii fotela i jego
badań statycznych
i identyfikacji
deformacji
konstrukcji
wyposażenia
w trakcie
prowadzonego
testu. Równie
ważna
fotela
w testach dynamicznych
użyto
odrębnych
systemów
jest
rzeczywista
geometria fotela
przed
przeprowadzeniem
fotogrametrycznych.
Oba
urządzenia
pozwalają
nazpomiar
testu i potwierdzenie jego zgodności wymiarowej
dokudzięki stereoskopowemu
układowi
optycznemu
zawieramentacją,
jak i ocena geometrii
całości
fotela po przeprowającemu dwie
kamery
w matryce
CCD oraz
dzonym
teście.
Dowyposażone
przeprowadzenia
badań
nad
projektor oświetlenia.
przypadku pomiaru do
geometrii
zastosowaniem
metodWfotogrametrycznych
badań foteli
statycznych
i identyfikacji
deformacji
konstrukcji
fotela w tezastosowano
kilka układów
optycznych
pozwalających
na
stach
dynamicznych
użyto
odrębnych
systemów
uzyskanie
różnych objętości
pomiarowych
– uwarunkowafotogrametrycznych.
Oba
urządzenia pozwalają
na pomiar
ne to było wymaganą
dokładnością
pomiaru. Dla
testów
dzięki
stereoskopowemu
układowi
zawierajądynamicznych
zastosowano
jednąoptycznemu
wielkość przestrzeni
cemu
dwie kamery
w matryce
oraz były
propomiarowej
– był towyposażone
sześcian o boku
2 m, aCCD
pomiary
jektor
oświetlenia.
W
przypadku
pomiaru
geometrii
foteli
realizowane z częstotliwością 500 Hz. W przypadku tego
zastosowano
kilka układówbyła
optycznych
pozwalających
na
urządzenia rejestrowana
jedynie zmiana
położenia
uzyskanie różnych objętości pomiarowych – uwarunkowane
w czasie specjalnych znaczników umieszczonych na mieto było wymaganą dokładności pomiaru. Dla testów dynarzonym obiekcie. Dla zastosowanej objętości pomiarowej
micznych zastosowano jedną wielkość przestrzeni pomianiepewność
jestbyły
nie
rowej
– był identyfikacji
to sześcianposzczególnych
o boku 2 m, punktów
a pomiary
gorsza niż 0,05
mm, co należy
uznać
za przypadku
wartość w tego
pełrealizowane
z częstotliwością
500
Hz. W
ni wystarczającą.
urządzenia
rejestrowana była jedynie zmiana położenia w
W trakcie
zrealizowanych
przeprowadzono
poczasie
specjalnych
znacznikówbadań
umieszczonych
na mierzomiaryobiekcie.
geometrii
produkowanych
w STER.
Przykłanym
Dlafoteli
zastosowanej
objętości
pomiarowej
niedową mapę
odchyłek geometrycznych
korpusu
pewność
identyfikacji
poszczególnych dla
punktów
jestfotela
nie
pokazano
rys.mm,
2. co należy uznać za wartość w pełni
gorsza
niż na
0,05
wystarczającą.
W trakcie zrealizowanych badań przeprowadzono pomiary geometrii foteli produkowanych w STER. Przykładową
mapę odchyłek geometrycznych dla korpusu fotela pokazano na rys. 2.
Rys.
Odkształcenia
w prób
trakcie
prób 2-dla
pasa 2 i 3
Rys. 3.3.Odkształcenia
ramyramy
fotelafotela
w trakcie
dla pasa
i 3-punktowego
punktowego
Stanowisko do badania odkształceń statycznych – obciążenie oparcia fotela. Zdefiniowany punkt pomiarowy w miejscu górnego punktu kotwiczenia pasów bezpieczeństwa.
Przebieg odkształcenia oparcia fotela w zdefiniowanym
punkcie pomiarowym pokazano na rys. 4.
Rys. 4. Stanowisko do badania odkształceń statycznych – obciążenie
oparcia fotela
w miejscu górnego punktu kotwiczenia pasów bezpieczeństwa. Przebieg odkształcenia oparcia fotela w zdefiniowanym 4.punkcie
pomiarowym
rys. 4. – obciążeRys.
Stanowisko
do badania pokazano
odkształceńna
statycznych
nie oparcia fotela
Podsumowanie
Podsumowanie
Przeprowadzone badania w pełni potwierdziły przydatPrzeprowadzone
badania w pełni
potwierdziły
przydatność
metod fotogrametrycznych
do analiz
deformacji
konność
metod
fotogrametrycznych
do
analiz
deformacji
konstrukcji. Dynamiczne systemy fotogrametryczne pozwalają
strukcji.
Dynamiczne
systemy
fotogrametryczne
pozwalają
analizować przemieszczenia obiektów, a także prędkości
analizować
przemieszczenia
obiektów,
a także
i przyspieszenia.
Jest to bardzo
pomocne
przyprędkości
projekto-i
przyspieszenia. Jest to bardzo pomocne przy projektowaniu
waniu zarówno części składowych urządzeń, jak i całych
zarówno części składowych urządzeń, jak i całych struktur.
struktur.
Podziękowania
Podziękowania
Prezentowane wyniki badań, zrealizowane w ramach tePrezentowane
wyniki badań,
zrealizowane
w ramach
tematu
nr 02/22/DSPB/1318,
zostały
sfinansowane
z dotacji
matu
nr 02/22/DSPB/1318,
zostały sfinansowane
z dotacji
na
naukę
przyznanej przez Ministerstwo
Nauki i Szkolnictwa
na naukę przyznanej
przezprojektu:
Ministerstwo
Nauki i SzkolnicWyższego
oraz w ramach
Opracowanie
technolotwawytwarzania
Wyższego oraz
w ramach
Opracowanie
techgii
nowej
generacjiprojektu:
ultralekkich
foteli do komunikacji
spełniających
wymagania
dyrektyw
nologii zbiorowej
wytwarzania
nowej generacji
ultralekkich
foteliUE,
do
regulaminów
ONZ orazspełniających
Białej Księgi wymagania
Amerykańskiej,
Innokomunikacji zbiorowej
dyrektyw
tech
In-Tech K2/IN2/58/182896/NCBR/12.
UE, regulaminów
ONZ oraz Białej Księgi Amerykańskiej,
Innotech In-Tech K2/IN2/58/182896/NCBR/12.
LITERATURA
LITERATURA
Rys. 2. Mapa odchyłek geometrycznych
Zgodnie z wymaganiami stosownych regulaminów prze-
Rys.
2. Mapa odchyłek
geometrycznych
prowadzono
próby obciążenia
fotela z pasem symulujące
efekt zderzenia. Uzyskane w trakcie próby wyniki pozwoliły
z wymaganiami stosownych regulaminów przena Zgodnie
określenie
przemieszczenia się poszczególnych punkprowadzono próby obciążenia fotela z pasem symulujące
tów struktury foteli, jak i systemu mocowania.
efekt zderzenia. Uzyskane w trakcie próby wyniki pozwoliły
badaniach
statycznych siła
jest do
nierunaW
określenia
przemieszczenia
sięprzykładana
poszczególnych
punktów
chomegofoteli
fotela
określenia,
czy osoba siedząca jest
struktury
jakwi celu
systemu
mocowania.
odpowiednio
zatrzymywana
siedzenie znajdujące
się
W badaniach
statycznych przez
siła przykładana
jest do nieruprzed
nią
i
nie
dozna
poważnych
obrażeń
oraz
czy
siedzechomego fotela, w celu określenia czy osoba siedząca jest
nie oraz jegozatrzymywana
zamocowania przez
są wystarczająco
wytrzymałe.
odpowiednio
siedzenie znajdujące
się
Badanie
się za
spełnione,obrażeń
jeśli pooraz
przyłożeniu
sił
przed
nią uznaje
i nie dozna
poważnych
czy siedzeprzemieszczenie
powierzchni
nie przekroczy
wynie
oraz jego zamocowania
są fotela
wystarczająco
wytrzymałe.
Badanie
uznaje
się za
jeśli działania
po przyłożeniu
sił
maganego
zakresu,
pospełnione,
zaprzestaniu
siły fotel
przemieszczenie
powierzchni
fotela niecoprzekroczy
pozostanie odkształcony
plastycznie,
świadczy owymaprzeganego
zakresu,
powystępującej
zaprzestaniu wdziałania
siły pozostanie
jęciu części
energii
trakcie kolizji.
Przykład
odkształcony
plastycznie,
co świadczy onaprzejęciu
analizy takiego
zjawiska przedstawiono
rys. 3. części
energii
występującej
w trakcie
kolizji. Przykład
analizy takieStanowisko
do badania
odkształceń
statycznych
– obgo
zjawiska
przedstawiono
na
rys.
3.
ciążenie oparcia fotela. Zdefiniowany punkt pomiarowy
1. Bradshaw G.: “Non‐Contact Surface Geometry Measurement
Techniques”,
College,Surface
Dublin,Geometry
1998/1999.
1.Bradshaw
G. Trinity
“Non-Contact
Measurement Tech2. Brajlih
T.,Trinity
et al.College,
“Possibilities
using three-dimensional optical
niques”.
Dublin, of
1998/1999.
scanning
in
complex
geometrical
inspection",
Journal
of Mechan2.Brajlih T. et al. “Possibilities of using three-dimensional optical
scanning
ical
Engineering,
57, (2011):
pp. 826-833.
in complex
geometrical
inspection”.
Journal of Mechanical Engineering.
3. Campbell
R.J., pp.
Flynn
P.J. “A survey of free-form object represenVol. 57 (2011):
826–833.
tation and R.J.,
recognition
techniques”.
Under3.Campbell
Flynn P.J.
“A survey ofComput
free-formVision
objectImage
representation
standing.
81, 2,techniques”.
(2001): pp. Comput
166÷210.
and recognition
Vision Image Understanding. Vol.
4. Caspi
et al. “Range
imaging with adaptive color structured
81, No.D.,
2 (2001):
pp. 166–210.
light”. IEEE
Anal.imaging
20, 5, (1998):
pp. 470÷480.
4.Caspi
D. etT Pattern
al. “Range
with adaptive
color structured
5. Chen
etTal.
“Range
data
using pp.
colour
structured
light”. C.,
IEEE
Pattern
Anal.
Vol.acquisition
20, No. 5 (1998):
470–480.
lightingC.and
stereo
vision”.
Image Vision
15, (1997):
pp.
5.Chen
et al.
“Range
data acquisition
usingComput.
colour structured
lighting
445÷456.
and stereo vision”. Image Vision Comput. Vol. 15 (1997): pp. 445–456.
6.6.Gapinski
B., Wieczorowski
WieczorowskiM.M.,
et “Comparison
al. “Comparison
of Different
Gapinski B.,
et al.
of Different
MethMethods
of Measurement
Geometry
Scanods of Measurement
Geometry
Using Using
CMM, CMM,
OpticalOptical
Scanner
and
ner
and Computed
Tomography
3D”, Engineering.
Procedia Engineering.
69,
Computed
Tomography
3D”. Procedia
Vol. 69 (2014):
(2014):
pp. 255÷262.
pp. 255–262.
7.7.Koprowski
Z.,“Image
“Imageprocessing
processing
optical
coherence
Koprowski R.,
R., Wróbel
Wróbel Z.
in in
optical
coherence
totomography
using
Matlab”,
University
of Silesia,
2011.
mography using
Matlab”.
University
of Silesia,
2011.
KruthJ.P.,
J.P. et al. “Computed
“Computed tomography
8.8.Kruth
tomography for
for dimensional
dimensionalmetrolometrolgy”. CIRP
(2011):pp.
pp.821–842.
821–842.
ogy”,
CIRPAnnals.
Annals.Vol.
60,60(2011):
Majchrowski R.,
M. M.,
et al.et“Large
area concrete
surface
9.9.Majchrowski
R.,Wieczorowski
Wieczorowski
al. “Large
area concrete
topography
measurements
using optical
3D scanner”.
Metrology
and
surface
topography
measurements
using
optical 3D
scanner”,
Measurement
Vol. XXII,Systems.
No. 4 (2015):
pp. 565–576.
Metrology
andSystems.
Measurement
XXII,
4, (2015): pp.
10.Reich
C. et al. “3D-shape measurement of complex objects by com565÷576.
and fringe
projection”.
Optical Engineering.
10. bining
Reich photogrammetry
C., et al. “3D-shape
measurement
of complex
objects by
Vol. 39 (2000):
pp. 224–231. and fringe projection”, Optical Engi■
combining
photogrammetry
neering, 39, (2000): pp. 224-231.■