LS2D: LED scanner per la ricostruzione di sezioni 2D in applicazioni industriali

As a result of the massive development that has occurred over the past decade in the industrial process automation, the implementation of reliable and efficient measurement and control systems has gained greater importance. In particular, the current profile-measuring market offers very high precision solutions at equally high costs, without providing intermediate alternatives. To address these needs, the aim of this thesis project is to investigate and develop an innovative low-cost ray tracing-based technology to measure and reconstruct the 2D cross-section of convex profile objects. The device is called 2D Led Scanner. Taking a cue from fan beam optical tomography, all the steps leading to the development of an elliptical acquisition ring based on 64 pairs of led emitters and ambient light sensors are presented: from the choice of the photosensitive technology to the development of the acquisition firmware, describing the characterization of the sensors and the design of the entire flexible electronic board. Subsequently, starting from the hardware implementation and the acquisition firmware, an innovative reconstruction algorithm with a low computational cost is proposed, aimed at identification of the rays tangential to the section, image post-processing and object profile reconstruction. Finally, two measurement techniques are compared through simulations and experimental verifications in order to quantify the precision and accuracy of the device. Despite the low cost and the primitive state of the technology, the 2D Led Scanner guarantees, for tubular objects with a perimeter between 140 mm and 250 mm, at most a measurement error of 1% in approximately 90% of cases, with an acquisition time of 900 ms. These results pave the way for further developments, presented at the end of the study, that could guarantee such accuracy for almost all cases and improve the performance of the whole system.

In seguito all’enorme sviluppo che si è registrato nell’ultimo decennio nel campo dell’automatizzazione dei processi industriali, ha acquisito sempre maggiore importanza la realizzazione di sistemi di misura e di controllo validi ed efficienti. In particolare, il mercato attuale dei misuratori di profilo offre soluzioni ad altissima precisione a costi altrettanto elevati, senza offrire alternative intermedie. Per rispondere a tale esigenza, questo progetto di tesi mira allo studio e alla realizzazione di una tecnologia innovativa low-cost basata sul ray-tracing allo scopo di misurare e ricostruire la sezione trasversale 2D di oggetti a profilo convesso. Il dispositivo prende il nome di Led Scanner 2D. Prendendo ispirazione dalla tomografia ottica con raggi a ventaglio, vengono presentati tutti i passaggi che hanno portato alla realizzazione di un anello di acquisizione di forma ellittica basato su 64 coppie di emettitori led e sensori di luce ambientale: dalla scelta della tecnologia fotosensibile allo sviluppo del firmware di acquisizione, passando per la caratterizzazione dei sensori e per il design dell’intera scheda elettronica flessibile. Successivamente, sulla base dell’implementazione hardware e del firmware di acquisizione, viene proposto un innovativo algoritmo di ricostruzione a basso costo computazionale, volto all’identificazione dei raggi tangenti alla sezione, alla relativa fase di post-processing e alla ricostruzione del profilo dell’oggetto. Infine, due tecniche di misurazione sono messe a confronto tramite simulazioni e verifiche sperimentali, allo scopo di quantificare la precisione e l’accuratezza del dispositivo. Nonostante il basso costo e il primitivo stato della tecnologia, il Led Scanner 2D garantisce, per oggetti tubolari di perimetro compreso tra i 140 mm e i 250 mm, un massimo errore di misurazione pari all’1% in circa il 90% dei casi, con tempi di acquisizione intorno ai 900 ms. Questi risultati aprono la strada verso ulteriori ricerche, presentate al termine dello studio, che potrebbero garantire una tale precisione per quasi la totalità dei casi e migliorare le prestazioni dell’intero sistema.