Ny standard hjælper optiske trackere med at følge objekter i bevægelse præcist

At kaste et perfekt slag i virtuel bowling kræver ikke, at dit spilsystem præcist sporer positionen og orienteringen af ​​din svingende arm. Men hvis du betjener en robotgaffeltruck rundt på en fabrik, at manipulere en mekanisk arm på et samlebånd eller styre en fjernstyret laserskalpel inde i en patient, evnen til at lokalisere præcis, hvor den er i tredimensionelt (3-D) rum er kritisk.

For at gøre denne måling mere pålidelig, et offentligt-privat team ledet af National Institute of Standards and Technology (NIST) har skabt en ny standardtestmetode til at evaluere, hvor godt et optisk sporingssystem kan definere et objekts position og orientering - kendt som dets "positur" - med seks grader af frihed:op/ned, højre venstre, frem/tilbage, tonehøjde, krøj og rul.

Optiske sporingssystemer fungerer efter et princip, der ligner et menneskes stereoskopiske syn. En persons to øjne arbejder sammen for samtidig at tage deres omgivelser ind og fortælle hjernen præcis, hvor alle mennesker og objekter i dette rum er placeret. I et optisk sporingssystem, "øjnene" består af to eller flere kameraer, der optager rummet og er sammen med stråleudsendere, der sender et signal - infrarødt, laser eller LIDAR (Light Detection and Ranging)—off objekter i området. Når begge datakilder føres ind i en computer, rummet og dets indhold kan virtuelt genskabes.

Det er relativt nemt at bestemme en genstands position, hvis den ikke bevæger sig, og tidligere præstationstests for optiske sporingssystemer var udelukkende baseret på statiske målinger. Imidlertid, for systemer som dem, der bruges til at styre automatiseret styret køretøj (AGV) gaffeltrucks – de robotiske lastdyr, der findes på mange fabrikker og varehuse – er det ikke godt nok. Deres "syn" skal være 20/20 for både stationære og bevægelige genstande for at sikre, at de arbejder effektivt og sikkert.

For at imødekomme dette behov, en nyligt godkendt ASTM International standard (ASTM E3064-16) giver nu en standardtestmetode til evaluering af ydeevnen af ​​optiske sporingssystemer, der måler positur i seks frihedsgrader for statisk – og for første gang, dynamisk - objekter.

NIST-ingeniører hjalp med at udvikle både værktøjerne og proceduren, der blev brugt i den nye standard. "Værktøjerne er to vægtstangslignende artefakter, som de optiske sporingssystemer kan lokalisere under testen, " sagde NISTs elektronikingeniør Roger Bostelman. "Begge artefakter har en 300-millimeters stang i midten, men den ene har seks reflekterende markører fastgjort til hver ende, mens den anden har to 3D-former kaldet cuboctahedrons [et fast stof med 8 trekantede flader og 6 firkantede flader]." Optiske sporingssystemer kan måle de fulde stillinger af begge mål.

Ifølge Bostelmans kollega, NIST-datamatiker Tsai Hong, testen udføres ved at lade evaluatoren gå to definerede stier – en op og ned af testområdet og den anden fra venstre og højre – med hver artefakt. Flytning af en artefakt langs banen orienterer den for X-, Y- og Z-akse målinger, mens du drejer den tre veje i forhold til stien giver tonehøjden, yaw and roll aspekter.

"Vores testseng på NIST's Gaithersburg, Maryland, hovedkvarteret har 12 kameraer med infrarøde sendere placeret rundt i lokalet, så vi kan spore artefakten under hele løbeturen og bestemme dens positur på flere punkter, " sagde Hong. "Og da vi ved, at de reflekterende markører eller de uregelmæssige former på artefakterne er fikseret med en afstand på 300 millimeter, vi kan beregne og sammenligne med ekstrem præcision den målte afstand mellem disse stillinger."

Bostelman sagde, at den nye standard kan evaluere et optisk sporingssystems evne til at lokalisere ting i 3D-rum med hidtil uset nøjagtighed. "Vi fandt ud af, at fejlmarginen er 0,02 millimeter for at vurdere statisk ydeevne og 0,2 millimeter for dynamisk ydeevne, " han sagde.

Sammen med robotteknologi, optiske sporingssystemer er kernen i en række applikationer, herunder virtual reality under flyvning/medicinsk/industriel træning, motion capture-processen i filmproduktion og billedstyrede kirurgiske værktøjer.

"Den nye standard giver et fælles sæt målinger og en pålidelig, let implementeret procedure, der vurderer, hvor godt optiske trackere fungerer i enhver situation, " sagde Hong.

E3064-16 standardtestmetoden er udviklet af ASTM Subcommittee E57.02 on Test Methods, en gruppe med repræsentanter fra forskellige interessenter, herunder producenter af optiske sporingssystemer, forskningslaboratorier og industrivirksomheder.