1513445 - Преобразователь координат

Преобразователь координат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к обработке измерительной информации и может быть использовано в геодезических трилатерационных системах для преобразования пространственных координат. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач за счет возможности определения пространственного местоположения точки пересечения сферических поверхностей положения в прямоугольной системе координат. Поставленная цель достигается тем, что в известный цифровой преобразователь координат, содержащий блок управления, блок постоянной памяти, сумматоры координат, задающий генератор, регистр координат, введены арифметический блок, схема сравнения, ключ, три регистра координат, мультиплексор и новая организация связей между элементами устройства, за счет чего появляется возможность определять пространственные положения точки по трем расстояниям до нее относительно трех опорных точек с пространственными прямоугольными координатами. 5 з.п. ф-лы, 11 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4363777/24-24 (22) 13.01.88, (46) 07.10.89. Бюл. М 37 (72) О.Р.Дуда, Н.П.Суховей, А.А.Абраменко, Л.M.ÑBå÷êàðåBà, А.В.Рудич и А.А.Жалило (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

h" 726534, кл. С 06 F 7/548, 1977.

Авторское свидетельство СССР

8 614439, кл. G 06 F 7/548, 1974. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КООРДИНАТ (57) Изобретение относится к обработке измерительной информации и может быть использовано в геодезических трилатерационных системах для преобразования пространственных координат.

Цель изобретения вЂ” расширение класса решаемых задач за счет возможности

Цель изобретения - расширение класса решаемых задач за счет возможности определения пространственного местоположения точки пересечения сферических поверхностей положения в прямоугольной системе координат.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя координат; на фиг.2схема арифметического блока; на фиг.3 - вариант блока управления; на фиг.4 - блок определения расстояний

„„Я0„„1513445 А1 юц 4 G 06 F 7/54р

2 определения пространственного местоположения точки пересечения сферических поверхностей положения в прямоугольной системе координат. Поставленная цель достигается тем, что в известный цифровой преобразователь координат, содержаций блок управления, блок постоянной памяти, сумматоры координат, задающий генератор, регистр координат, введены арифметический блок, схема сравнения, ключ, три регистра координат, мультиплексор и новая организация связей между элементами устройства, за счет чего появляется возможность определять пространственные положения точки по трем расстояниям до нее относительно трех опорных точек с пространственными прямоугольными координатами.

5 з.п. ф-лы, 11 ил., 3 табл. и производных; на фиг.5-7 вЂ” соответственно блок обращения, формирователь невязок, блок формирования произведений; на фиг.8-10 - блок определения ошибки, формирователь производных и блок дополнений соответственно> на фиг.11 вЂ” временные диаграммы работы блока управления.

На чертежах обозначены: группы информационных входов 1-3, выход 4 преобразователя, мультиплексор 5, ключ

6, арифметический блок 7, блок 8 управления, блок 9 памяти, схема 10 сравнения, регистры 11 координат.

-Арифметический блок содержит формирователь 12 невязок, блок 13 определе-.

3 . 1513445 4 ния расстояний и производных, блок деления расстояний и производных

14 обращения, сумматор 15 координат, (фиг.4) содержит формирователи 25 блок 16 формирования произведений, производных, блок 14 обращения (фиг.5) блок 17 определения ошибки. Блок 8 5 содержит блоки 26 дополнений, переуправления включает вход 18 запуска, множители 27, сумматор 28, блок 29 ждущие мультивибраторы 19, задающий вычисления обратной величины, причем генератор 20, RS-триггеры 21, синхро- порядок соединения входных шин и вхонизируемый RS-триггер 22, элементы дов каждого блока дополнений показан

И 23, элемент И-НЕ 24, Блок 13 опре- 10 в табл. 1 в виде "+".

Та бл и ца 1

Вход- Выходы блока 1 Выходы блока 2 Выходы блока 3 ная

r ======= шина 123456 123456 123456

2 н

Кроме того i-e входы соединены с первыми входами i-x перемножителей, вторые входы которых соединены с первыми выходами i-х блоков дополнений (= 1,3), а выходы соединены с входами сумматора 28, выход которого через блок 29 вычисления обратI ной величины подключен к вторым входам оставшихся девяти перемножителей, причем i-e выходы j --x блоков дополнений соединены с первыми вхо-!. дами 3j -3+i)-х перемножителей (i

1,3; j = 1,3)„ выходы которых объединены в группу выходов блока °

Формирователь 12 невязок (фиг,6) содержит разностные блоки 30, причем первые входы -х разностных блоков соединены с i-ми входами блока первой группы, вторые их входы соединены с i-ми входами второй группы (i = 1,3), а выходы объединены в группу выходов блока. Блок 16 Формирования произведений (Фиг.7) содержит перемножители 27, сумматоры 28, причем каждый из входов блока первой группы соединен с первым входом соответствующего ей по номеру перемножителя, i-e входы блока второй группы соединены с вторыми входами

Q(j -1) -3+з . -х перемножителей (1,3; j = 1>3). Кроме того, входы

i-x сумматоров соединены с выходами

30 (-1)3+)) -х перемножителей (i = 1,3;

j = 1,3), а выходы сумматоров объеди нены в группу вы%одов блока.

Блок 17 определения ошибки (фиг.8) содержит три перемножителя

27 и сумматор 28.

Формирователь производных 25 (фиг.9) содержит три разностных блока 30, шесть перемножителей 27, сум40 матор 28, блок 31 извлечения квадратного корня, блок 29 вычисления обратной величины, причем i-e входы первой и второй групп блока соединены соответственно с первым и вторым входами -х разностных блоков, выхо-., ды которых подключены к двум входам из i-x перемножителей, а также к первым входам (i+3) õ перемножителей (i =- 1,3), выходы первых трех пере50 множителей соединены с входами сумматора, выход которого подключен к входу блока извлечения квадратного корня, выход которого является выходом блока, а также соединен через

55 блок вычисления обратной величины с вторыми входами четвертого, пятого и шестого перемножителей, выходы которых образуют вторую группу выходов блока.

5 1513445

Блок 26 дополнений (фиг.10) содер- единения входов блока и входов пережит шесть перемножителей 27, три раз- множителей показан в табл. 2 в виностных блока 30, причем порядок со- де

Т а б л и ц а 2

Вход блока

Перемножитель з ь

1 2 1 2 1 2 1 2 1 2

1 2

Кроме того, выходы первого и второго перемножителей соединены с входами первого разностного блока, третьего.и четвертого перемножителей 25 с. входами второго разностного блока, а выходы пятого и шестого перемножителей," соответственно с входами третьего разностного блока, выходы разностных блоков образую группу выходов блока. ах „= A„(с вЂ” Р(xÄ)1

И Dx!,, Л У!,,с1Е1, !!

40 Вектор заданных (или измеренных) расстояний

g" = ((R „R „R", ii .

Вектор вычисленных на k-м шаге процесса расстояний

R1(X V)

У.(х„.) = R,(х„)

R3(x ) Преобразователь координат реализует известный итерационный алгоритм

Ньютона, где решение находится по следующим формулам:

Х „=Х.„+ Х1, R,.(R„)50

Zll т» вектор искомых координат точки, номер шага итерационного процесса уточнения решения, вектор координат точки, полученный (X „вЂ” X;)2 + (у „вЂ” Y;) + (Е „вЂ” Е ) ; (i1,3);

Матрица чистых производных иэме55 ряемых параметров по определяемым, элементы которой определяются íà k-м ,шаге процесса по формуле

Преобразователь позволяет осуществлять определение пространственного местоположения (Х, У, Е) точки пересечения трех сфер, заданных измеренными расстояниями (R", R, R") относительно точек с известными прямоугольными координатами (первой " с координатами Х „, Y, Z второй - с координатами Х, Y, Z, третьейс координатами Хэ, У Еэ). на k-м шаге итерационного процесса (на первом шаге и используются при; ближенно известные значения коорди" . нат Х =!(х,у,, Ео

Х „,< - вектор координат точки, определяемый на (1с+1)-м шаге итерационного процесса.

Вектор уточняющих поправок координат (вектор ошибок) 151344

Z вЂ”.Z х - х, т - вЂ” - B - - Rf,(R„) R1,(X„) в f2

R,(%„) к - z»

Х вЂ” Х Y g вЂ” Y

° ф

R,(Х„) R,(Х„) А(Х„) =

Я 1 а Я Q3

R,(Х„) Zk Еэ

R,(Х Ä) Y l Y3 х - х, R Ъ(4) а3> 53

R(XÄÄ) 1О

Итерационный процесс завершается на L-м шаге в том случае, если норма вектора ошибок (уточняющих поправок} йХ, не превышает заданного порога точности вычислений Е„.

Пример. Пусть истинные координаты точки равны: X = 180, Y = 100, Z = 120.

При рассмотрении работы преобразователя. двоичный эквивалент чисел не используется, так как при этом теряется наглядность. Пространственные координаты опорных точек, относительно которых определено расстояние до точки, координаты которой требуется найти, заданы следующим обра25 зом:

Х, = 1401 Y, = 5; К, = 160;

У =180 7,=3, Z =220

Х, = 70; 7з 0; 7.з 190.

Соответствующие расстояния между точками (с точностью до восьмой значащей цифры) R „= 0,11926860 1Оз; К" == 0,13931618 10 ; R "= 0,16431676 х х 10 . Начальные приближения искомых координат X, Y, Z и порогового значе- 35 ния ошибки вычислений заданы так:

Xo = p; Yo = 503, ко = p; F..„=10 ы, Работа преобразователя начинается с того, что по входам t поступают значения Величин R R R > по Вхо дам 2 - значения величин X;Y,Z (i вЂ” 1,3), а по входам 3 - значения величин Х, Y,, Z,.

Арифметический блок 7 является уз- 45 лом, в котором производится собственно преобразование координат. Блок 13 определения расстояний,.и производных предназначен для расчета расстояний

R;(X„) (i = 1,3) и матрицы производных А(Х ) по преобразованным значениям координат. Блок 14 обращения предназначен для обращения матрицы.

Формирователь 12 невязок предназначен для получения величины рассогласования между измеренными и вычисленными величинами расстояний. Блок 16 Формирования произведений предназначен для Формирования произведения матри-. цы на вектор. Блок 8 управления предназначен для синхронизации работывЂ” преобразователя.

Основная работа устройства осуществляется с помощью блока 8 управления и начинается подачей сигнала на вход 18 (фиг.3) внешнего запуска, При этом переводится в единичное состояние первый триггер 21, переводится в нулевое состояние второй триггер 21 (фиг.3) и закрывается ключ 6, запрещая вывод информации . из второго буферного регистра 11 координат (фиг.1) во время вычислений, Перевод первого триггера 21 в единичное состояние обеспечивает появление логической "1" на информационном входе синхронизируемого триггера 22 (Фиг.3).

Перевод синхронизируемого триггера 22 в единичное состояние происходит в момент появления на его счетном входе тактового импульса от задающего генератора 20 тактовых импульсов. В результате с выхода синхронизируемого триггера 22 логическая "1" поступает на первый вход первого элемента

И 23, обеспечивая прохождение синхроимпульсов, поступающих на второй его вход от первого ждущего мультивибратора 19. Кроме того, положительный перепад напряжения, появившийся на выходе триггера 22, соединенного с входом ждущего мультивибратора 19, вызывает появление синхроимпульса на выходе этого мультивибратора. С выхода второго мультивибратора 19 и первого элемента И 23 синхроимпульсы поступают на вход второго элемента

И 23, выход которого соединен с управляющими входами первого и третье- го регистров 11 координат. Синхроимпульсы с выхода первого элемента И 23 через элемент .И-НЕ 24, где происхо;, дит инвертирование сигналов, поступают на управляющий вход второго регистра 11 координат. Период следования синхроимпульсов выбирается из условия полного завершения одного шага вычислений, длительность - из условия .

1513445 завершения записи информации в регистры 11 координат. Временные диаграммы сигналов управления показаны на фиг.11 и 3. После поступления импуль-. са запуска преобразователя в момент времени t, (фиг,11в) до момента времени t„, выполняется чтение информации из второго регистра 11 координат и запись информации, получаемой в арифметическом блоке 7, в первый и третий регистры координат 11 (фиг.1).

В промежутке времени t, < t - tz осу" ществляется запись информации, поступающей с второго выхода мультиплексора 5, во второй регистр координат

11 и продолжается запись информации в первый и третий регистры координат 11. В промежутке t t < t). осуществляется чтение значений начальных приближений Х,, Y„ Z с второго регистра 11 координат и передача тих значений на вход арифметического блока 7, вычисление первого при.ближения координат Х „, Y » 7., и ошиб1ки Е в арифметическом блоке 7 и запись этих значений в соответствующие первый и третий регистры 11 координат ° В табл. 3 (шаг 1) указаны значения вычисленных на первом шаге значений чисел на выходах блоков 13, 14, 12, 16, 17, 15 (фиг.2) арифметического блока 7. На этом первый шаг вычислений завершается. В промежутке времени t.k 4 t < t z,) осуществляется перезапись информации (координат Х „, Y ), Z ) из первого регистра 11 координат во второй через мультиплексор который с момента (фиг, 11ж) подает на выход информацию с первого входа, а также осуществляется считывание значения ошибки Е с выхода третьего регистра координат 11 на вход схемы 10 сравнения (фиг.1) и сравнение с порогом Е„. Поскольку для рассматриваемого примера Е, Е„, то на

Табли ца3

Входы-выходы блока

Оу23397961 10 ... 0,17999999 10З

0,87905337 10з 0 99999993 102

0918054273 103 ... 0,12000000 103 а

Вход арифметического блока х,„„ (i-)) (i-i) выходе схемы 10 сравнения сигнал о выполнении равенства Е 4 Е д не появится в течение второго шага вычислений, и блок управления продолжит работу без изменения режима работы.

В промежутке времени t<„

Е, запись этой информации в первый

15 и третий регистры 11 координат. В табл. 3 (шаг 2) также указаны результаты вычислений на выходах блоков 13, 14, 12, 16, 17, 15. На этом эавершается второй шаг вычислений. В рассматриваемом конкретном примере требуется десять итераций (шагов) вычислений. Так как оставшиеся восемь шагов выполняются по аналогии .с вторым шагом, то остановимся на последнем, десятом шаге, когда полученное значение ошибки Е, (Е (шаг 10, табл. 3).

В этом случае на одиннадцатом шаге схема 10 выдает импульс в момент времени t g g tg Й gt3 (фиге 11к) у ко торый переводит первый триггер 21 в нулевое состояние, второй триггер

21 - в единичное состояние, посредством чего открывается ключ 6 и после момента t = t, пропускает на выход устройства вычисленные на десятом шаге координаты Х „, Y «„ Z „, после чего в результате воздейсТвия положительного перепада напряжения очередного тактового импульса на входе "С" триггера 22 последний переводится в "0". На этом работа преоб" разователя закончена. Все элементы, входящие в состав преобразователя, могут быть выполнены на стандартных микросхемах.

Номер шага

2 ... 10!

Продолжение табл.3

1513445

Входы-выходы блока

Номер шага

1 10

Первая группа выходов блока 13

R,(Х)

К,(Х)

R9,(x) 0,15882380

0,28811282

0,20856654

103 0,8873 173 1 10 ... 0,11926860 103

103 0,87860127 103 ... 0,13931618 10

10з 0)89426707 1Оз . 0,1643!676 10з

0,33537744

0,79652141

0,50306622

-0,18326405 10

0,69625792

-0,71779169

0,66943870

0,60858061

-0,42600643

° ° °

-0,16352968 10

-0,70062369 101

0 87455544 1О

0,36916170

0,12668883 10

-0,63770668

0,59591719 10

-0,37238626 10

-0,21943599 10

10 -0,76804871

Выход блока l 2, разности заданных и выч. расстояний

dR, (r.) -0,39555202

103 ... -0,100 18653 10"

1Оз ... -0,24888996 10 3

1Оз ... -0,24868996 10 м, (!.) -0,14879665 103 -0,73928509

aR3(1-) -0,44249776 102 -0,72995031

Выход блока 16 уточн, поправ. к координ. дХ„

dY и ZL

0,23397961 1Oз 0,51773881 102

0,82905337 103 -0,75463160 1 Оз

0,18054273 103 -0,22216453 1Оз

-0,12759583 10 1

-0,76022213 10

-0,70276890 10

Выход блока 7 ошибка Е, 0,620504 10 ... 0,114087 !О

100

0,774758

Координаты на 1-м шагу

Х, У

Z (10з 0,28575349 1Оз . 0,1799999 !Оз

10з 0,12442178 103 ... 0,9999993 102

103 -0,41621806 10 ... 0,1200000 1Оз

0,23397961

0,87905337

0,18054273

Вторая группа выходов блока 13 (элем. матрица по строкам) а„ а„

13 а )1 а „, 13 а 31 а 3 а33

Выход блока 14 (элементы матрицы с разложением по строкам)

b«

1, 13 21

2 3

b3f

1 Зг

-0 88147997

0,28333285

-0,377777!3

-0,62475525

0,16313054

-0,76358975

-0,3356243!

0,23973165

-0,91088027

-0,41447966

-0,20159180

0,18616378

0,37643564

-0,81363178

0,52588637

О, 1143323 1

-0,13984296

-0,39967364

10"

101

10f

0,10591432

0,98505164

0,13585076

0,06143812

0,99710006

-0,04490919

0,18336761

0,98298753

-0,01057544

-О

-О,24592254 ,1 1320335 10 ,16169910 10" ,84272523 ,84 119487 ,42219103 ,81744345 ,57720283 ,40952533

1513445

14 формула изобретения

1. Преобразователь координат, содержащий сумматоры координат, блок управления, блок памяти, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения класса решаемых задач эа счет обеспечения возможности определения пространственного местоположения точ- 1О ки пересечения сферических поверхностей положения в прямоугольной системе координат, в него введены арифметический блок, схема сравнения, ключ, три регистра координат и мультиплек- 15 сор, причем выходы блока управления соединены с входами разрешения записи первого, второго и третьего регистров координат, с управляющим-входом мультиплексора и первым входом ключа, 20 первая и вторая группы входов арифметического блока соединены соответственно с первой и второй группами информационных входов преобразователя, а третья группа входов - с ин- 25 формационными выходами второго регистра координат и вторым входом ключа, выход которого является выходом преобразователя, первая и вторая группы выходов арифметического блока подклю- щ чены соответственно к информационным входам первого и третьего регистров координат, выходы которых соединены с первым информационным входом мультиплексора и первой группой входов схемы сравнения соответственно, вторая группа входов которой подключена к выходу блока памяти, третья группа информационных входов преобразователя соединена с вторым информационным 40 входом мультиплексора, выход которо» го подключен к информационному входу второго регистра координат, выход схемы сравнения соединен с входом смены режима блока управления.

2.--Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что арифметический блок содержит блок определения расстояний и производных, блок обращения, формирователь невязок, блок формирования произведений, блок определения ошибки, сумматор координат, причем первая группа входов бло" ка соединена с первой группой входов фоРмирователя невязок, вторая гРуппа 55 входов блока соединена с первой группой входов блока определения расстояний и производных, а третья группа входов блока вЂ” с первым входом сумматора координат и второй группой входов блока определения расстояний и производных, первая и вторая группы выходов которого подключены соответственно к первому входу блошка обращения и второй группе входов формирователя невязок, выход последнего из которых соединен с первой группой входов блока произведений, вторая группа входов которого подключена к выходу блока обращения, а группа выходов соединена непосредственно с второй группой входов сумматора координат и через блок определения ошибки - с второй группой выходов блока, первая группа выходов которого является выходом сумматора координат.

3. Преобразователь по п.2, о т " л и ч а ю шийся тем, что блок определения расстояния и производных содержит три формирователя производных, причем i-e входы первой груп" пы входов блока соединены с первыми входами i-x формирователей производных (= 1,3), вторые входы которых соединены с второй группой входов блока, первые выходы формирователей производных подключены к первой rpynпе выходов блока, а вторые выходы образуют вторую группу выходов блока.

4. Преобразователь по п,2, о тл и ч а .ю шийся. тем, что формирователь невязок содержит три разностных блока, причем первые и вторые входы i-x разностных блоков соединены с i-ми входами соответственно первой и второй групп входов блока (i = 1,3), а выходы являются группой выходов блока.

5. Преобразователь по п.2, о т " л и ч а ю шийся тем, что блок формирования произведений содержит девять перемножителей и три сумматора, причем каждый вход первой группы входов блока соединен с первым входом соответствующего перемножителя, i-e входы второй группы входов блока соединены с вторыми входами (1-1) х х 3+i3-õ перемножителей (i 1,3, j = 1,3), а выходы C(i-1).З + j Р х перемножителей, где (i 1,3, 1,3) подключены к входам i-y сумматоров, выходы которых являются группой выходов блока.

6. Преобразователь по п.2, о т л и и а ю шийся тем, что блок определения ошибки содержит три пере-.

1513445 множителя и сумматор, выход которого является выходом блока, а входы соединены с выходами перемножителей, первые и вторые входы i-x перемножителей (i = 1,3) соединены с i-ми входами группы входов блока °

1513445 11 f2 У 1 гг Ъ л,Уг И юг. В

17 1

1513445! 1(Ш/К У И

Соста витель Н. Шелоба нова

Техред п.QJIHfsHbIK Корректор О.КРавцова

Редактор Л.Зайцева

Заказ 6080/48 Тираж 668 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия р

ытиям п и ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.ужгор д, у

II .У о л. Гагарина 101

Преобразователь координат

Патент 1513445