Устройство для определения положения и ориентации объекта

Устройство для определения положения и ориентации объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение информативности за счет определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации о его положении, повышение достоверности за счет устранения влияния импульсных световых помех от посторонних источников и повышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех. Коллимирующая линза 5, установленная в полом валу 3 механизма 2 сканирования с поперечным смещением относительно фокусирующей линзы 4, образует в совокупности с ней телескоп, с помощью которого из луча лазера 1 формируется луч с малым угловым расхождением, сканирующий контролируемую зону пространства, описывая в процессе сканирования коническую поверхность. Мишень 11, закрепляемая на объекте, выполнена в виде креста, четыре луча которого образованы соответственно четырьмя группами по N фотоприемных ячеек 16. Информация о положении объекта считывается непрерывно путем регистрации номеров засвечиваемых в процессе сканирования лазерным лучом фотоприемных ячеек 16 и показаний M-разрядного цифрового преобразователя 6 угла, расположенного на валу 3. Эта информация используется для вычисления шести координат, необходимых и достаточных для определения положения и ориентации объекта в пространстве. Устранение влияния импульсных световых помех о

любОМиРОВ АНАТОлий ВиКТОРОВич

КАРпОВ МиХАил ВлАдиМиРОВич

КиРЕЕВА гАлиНА АлЕКСАНдРОВНА+7507635DISPLACEMENT TRANSDUCER WITH PHASE OUTPUT11 440052 пЕНзА11

(51) 3 G 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и AВТОРСМО 4V СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф „уф1 11, COIO3 COBETCHHX

4Р ", "= СОДИАЛИСТИЧЕСНИХ вЂ” РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬПИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4418850/24 -28 (22) 03 05.88 (46) 15.01.90. Бюл. Ь"- 2 (71) Институт радиофизики и электроники АН АрмССР (72) Г,Л.Даниелян, А.M.Ìàêóêÿí и С.Г.Мартиросян (53) 531.7 (088.8) (56) Патент США Р 1519469, кл. G 01 J 1/20, 1962. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение информативности за счет определения шести координат, определяющих положение и

SU» ЫД6284 А 1

2 ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации o его положении, повышение достоверности за счет устранения .влияния импульсных световых помех от посторонних. источников и повышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех. Коллимирующая линза 5, установленная в полом валу 3 механизма 2 сканирования с поперечным смещением относительно фокусирующей линзы

4, образует в совокупности с ней телескоп, с помощью которого из луча лазера 1 формируется луч с малым угловым расхождением. сканирующий конт1536204 рблируемую зону пространства, описывая в процессе сканирования коническую поверхность. Мишень 11, закрепляемая на объекте, выполнена в виде креста, четыре луча которого образованы соотвественно четырьмя группами по N фотоприемных ячеек 16, ИнфОрмация о положении объекта считыв ется непрерывно путем регистрации н меров засвечиваемых в процессе скан рования лазерным лучом фотоприемн tx ячеек 16 и показаний N-разрядног цифрового преобразователя 6 угла, р сположенного на валу 3. Эта информация используется для вычисления

Изобретение относится к контрольн -измерительной технике и может быть и пользовано для автоматического конт оля в динамике положения и ориентации в заданяой области пространства различных объектов, например платформ с,аппаратурой, антенных устройств ! и т.п.

Целью изобретения является повышенИе информативности за счет определе- 3р ния шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации î его положе35 нии, повышение достоверности за счет устранения влияния импульсных светов )х помех от посторонних источников повышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на. фиг.2 — структурная схема блока обработки информации;на 45 фиг,3 — устройство фотоприемной ячейки; на фиг.4 — временные диаграмМы, иллюстрирующие работу блоков обработки информации; на фиг.5 — кре стообразная мишень и траектория свеlloeoro пятна — проекции лазерного луча — на плоскость мишени при отСутствии ее наклона относительно оптической оси лазера, на фиг.6 — случай взаимного расположения конуса

Сканирования и системы координат, свяЗанной с объектом.

Устройство содержит (фиг.1) лазер

1, механизм 2 сканирования с полым шести координат, необходимых и достаточных для определения положения и ориентации обьекта в пространстве.

Устранение влияния импульсных световых помех осуществляется путем их временной селекции относительно информационных импульсов в четырех блоках 7 — 10 обработки информации. Фотоприемная ячейка 16, выполненная в виде бленды с установленным внутри нее оптическим полосовым фильтром, осуществляет селекцию полезного оптического сигнала относительно фоновой световой помехи по угловым отклонениям и спектру. 2 з.п.ф-лы, 6 ил. валом 3, установленный по ходу лазерного луча так, что ось полого вала 3 механизма сканирования (вала 3) совпадает с оптической осью лазера 1, фокусирующую линзу 4, установленную между валом 3 и лазером 1 соосно его оптической оси, коллимирующую линзу

5, закрепленную внутри вала 3 так, что ее главная оптическая ось параллельна оптической оси лазера 1, но смещена относительно нее„ M-разрядный цифровой преобразователь 6 угла (ЦПУ), расположенный на валу 3, четыре блока 7-10 обработки информации, первая группа из М входов каждого из которых соединена соответственно с

M выходами ЦПУ 6, и мишень 11, закрепляемую на контролируемом объекте, выполненную в виде прямого креста, четыре луча 12-15 (полуоси 12-15) которого образованы соответственно четырьмя группами no N линейных и с равномерным шагом расположенных фотоприемных ячеек 16 (ФП ячеек 16), выходы которых соединены соответственно с вторыми гругпами из N входов соответствующих блоков 7-10 обработки информации, четыре группы выходов которых являются выходами устройства и предназначены для соединения с многоразрядной шиной интер- фейса ЭВМ.

Каждый из четырех блоков 7-10 обработки информации состоит (фиг.2) из N селективных предусилителей 17<, ...17<,...17 1 (на фиг.2 условно показан только один селективный предусилитель N <) входы которых образуют вторую группу из N входов

536204

15

25

35

55 соответствующего блока 7 — 10 обработки информации, формирователя 18 кода номера (формирователя 18 када) и формирователя 19 импульса пересечения (формирователя 19 импульса), N входов каждого иэ которых соединены соответственно с выходами N селективных предусилителей 17 . ° .,17;,...

17, регистра 20 когда угла (регистра 20), M входов которого представляют собой первую группу из M входов соответствующего блока 7 — 10 обработки информации, а многоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя 18 кода в группу выходов соответствующего блока 7

10 обработки информации, и формирователя 21 временного интервала (формирователя 21 интервала), выход которого соединен с блокирующими входами формирователя 18 кода, формирователя

19 импульса и регистра 20, а вход объединен с входом синхронизации регистра 20 и соединен с выходом формирователя 19 импульса.

Какждая из 4N фотоприемных ячеек

16 состоит (фиг.3) из бленды 22 с углом раскрытия, соответствующим максимальному контролируемому значению угла наклона объекта относительно оптической оси лазера 1, в которой установлены по ходу сканирующего луча соосно ей (бленде 22) оптический полосовой фильтр 23, оптическая линза 24 и фотоприемный диод 25, приемной поверхностью помещенный в фокусе линзы 24.

Устройство работает следующим об- разом.

B исходном положении оптическая ось лазера 1 направлена в центр мишени 11 по нормали к ее плоскости.

Коллимирующая линза 5 расположена на таком расстоянии от фокусирующей линзы 4, чтобы диаметр светового пятна — проекции лазерного луча— не превышал размера ФП ячейки 16.Механизм 2 сканирования приводит во вращение вал 3, обеспечивая сканирование мишени 11, при котором луч лазера 1 описывает правильнУ1о коническую поверхность с заданным углом

2 раскрытия конуса. Угол определяется соотношением: (= arctg Ы/f„, где Ь 1 — расстояние между главной оптической осью коллимирующей линзы

5 и оптической осью лазера 1; f фокусное расстояние коллимирующей

6 линзы 5. При выборе угла соблюдается также следующее условие: в исходном положении (при отсутствии отклонений и смещений объекта с мишенью

11) пересечение лучом лазера 1 полуосей 12 — 15 мишени 11 происходит ориентировочно в середине каждой иэ полуосей 12 — .15. ф апаэон контролируемых перемещении и отклонений объекта с мишенью ограничивается условием: при каждом обороте вала 3 сканирующий луч лазера 1 пересекает каждую из четырех полуосей 12 — 15 мишени ll. Таким образом, укаэанный диапазон зависит от размеров мишени

11. Одновременно со сканированием мишени лазерным лучом механизм 2 сканирования вращает ЦПУ 6 таким образом, что текущее значение кода угла однозначно соответствует текущему значению угла развертки. Для рациональной обработки информации значение оС =0 совмещено с одной из полуосей (например, 12), которая принимается за положительное направление оси Х. Совмещение механизма 2 сканирования, коллимирующей линзы 5, ЦПУ

6 на одном валу 3 обеспечивает после юстировки наименьшие погрешности геометрии оптического тракта и точное соответствие регистрируемого угла углу Ы развертки.

При пересечении лучом лазера 1 ФП ячейки 16 полуоси 12 мишени 11 в ней генерируется электрический импульс, поступающии в блок 7 обработки информации. Аналогично при пересечении лучом лазера 1 полуосей 13, 14, 15 импульсы поступают соответственно на блоки 8, 9, 10 обработки информации.

Сигналы с блоков 7-10 обработки информации поступают на выход устройства и далее на многоразрядную шину интерфейса ЭВМ для последующей обработки.

Каждый из блоков 7 — 10 обработки информации работает следуюшим обра-.; зом.

Световой поток, состоящий из светового импульса (фиг.4а) лазерного луча, попадающего «а ФП ячейку 16 в процессе сканирования фоновой засветки и импульсной помехи (фиг.4б), преобразуется фотоприемным диодом 25 в электрическии сигнал (фиг.,4в) и поступает на вход соответствующего селективного предусилителя 17,, В селективных предусилителях !7,,...17;,...

1 536204

45...,17 > осуществляются селекция и формирование импульсов с логическим уровнем, соответствующих световым импульсам на входах ФП ячеек 16 (фиг.4r), Сигналы с выходов N селектинных предусилителей 17,...,17,... .й.,17 поступают в формирователь 19 импульса, где формируется одиночный и мпульс независимо от того, на ка-! к< и вход поступил импульс. Сигналы с, селективных предусилителей 17,..., 17 „,,.о17 поступают также на входы формирователя 18 кода засвечиваемой ФП ячейки 16, где определяется нОмер и формируется код номера засве, чиваемой ФП ячейки 16. Выделение информативных лазерных импульсов осуществляется блокирующими импульсами (фиг.4д), формируемыми задними фронтами информативных импульсов от лазера 1 (фиг.4е). Длительность защитного временного интервала опредЕляется из соотношения где Т . — длительность защитного интервала;

Т „ — период сканирования; — длительность импульса от лазерного луча на выходе

ФП ячейки 16;

1: — максимальная нестабильность периода развертки за время одного оборота вала 3; — максимальное значение вре3 менного интервала, вносящего поправку в период .. встречи лазерного луча с данной полуосью мишени 11 вследствие движения объект та, который, двигаясь навстречу сканирующему лучу или от него, будет изме-; нять период Т „ встречи полуоси мишени 11 с лучом в сторону сокращения или увеличения соответственно.

Блокирующий импульс с выхода формирователя 21 интервала поступает на входы блокировки формирователя 18 кода, формирователя 19 импульса и регистра 20. В регистре 20 записывается код угла сканирования с ЦПУ 6 в момент пересечения лазерного луча с полуосью 12 (13, 14, 15) мишени 11.Этот момент определяется появлением на входе синхронизации регистра ?О им10

55 пульса, который поступает с выхода формирователя 19 импульса.

Выходной код от формирователя 18 кода засвечиваемой ФП ячейки 16 и код угла регистра 20, соответствующий данному моменту пересечения, передаются на выход устройства и далее на многоразрядную шину интерфейса ЭВМ для дальнейшей обработки и вычисления координат объекта.

Луч лазера 1 представляет собой параллельный пучок света, отличающийся узкой (по длине волны) полосой.

Пересекая в процессе сканирования соответствующую ФП ячейку, 16, лазерный луч совместно с фоновой световой помехой попадает на. оптический полосовой фильтр 23, который селектирует лазерный луч по спектру относительно фоновой световой помехи. Затем лазерный луч фокусируется оптической линзой 24 на приемную поверхность фотоприемного диода 25, генерируя на его выходе информационный электрический импульс., При отсутствии наклона мишени 11 (фиг.5) относительно оптической оси лазера 1 (фиг.1) траектория 26 (фиг.5) светового пятна 27 (проекции лазерного луча на плоскость мишени 11) представляет собой окружность. Однако в общем случае траектория светового пятна 27 представляет собой эллипс, эксцентриситет и ориентация которого относительно асей (и р крчстовидной мишени 11 зависят от ориентационных характеристик объекта, задаваемых, например углами Эйлера (фиг.б):

1 — полярный угол {между осью Z неподвижной системы XYZ и осью (сис,. темы, связанной с объектом, который-показывает наклон объекта относительно оптической оси лазера

1 (фиг.l);

Ц вЂ” азимутальный угол линии узлов

1 в системе XYZ который показывает, в какую сторону наклонен объект; азимутальный угол линии узлов .1 в системе, связанной с объектом

1 ° который показывает поворот объекта, претерпевшего пока лишь наклон 1, вокруг оси „

Малая полуось эллипса траектории светового пятна по плоскости (:, g ) в процессе сканирования и его местонахождение на этой плоскости явl 536204

10 ляются функцией пространственного положения объекта: удаленности Е от вершины конуса сканирования вдоль

его оси и поперечного смещения (Х

Ув) от оси конуса,. В процессе сканирования лазерный луч пересекает четыре полуоси 12 — 15 (фиг.l) мишени

11 в точках с координатами

+ Ф (, (, которые регистрируются устройством в виде номеров, засвечиваемых

+ лазерным лучом ФП ячеек 16: N Nt, N Н

Координаты и номера связаны при этом через шаг квантования q четырех полуосей 12, — 15 соотношением:

Я С1

g =-- --h< q; (2)

C = -Nj Ч» «О

Одновременно с появлением импульса на одной из полуосей 12 — 15, например на, в соответствующем бло) (. ке 7 — 10 обработки информации (фиг.1) записывается угол сканирования, на+ пример К .

С завершением одного полного оборота лазерного луча Четыре пары зарегистрированных данных (, +>, P ьФ + + () () р l7 р Q ) несущих полезную информацию, поступают с выходов блоков, 7 — 10 обработки информации во внешнее, по отношению к данному, устройство (ЗВМ) для вычисления. прост" ранственных и угловых координат Х о*

У, .,, Ц, (1) мишени 11 (объекта) из соотношения: (сов(совр Я1п(. $1п(1 сов g )+Х =((sjng sjng +Z )

+ (sin(p cosg-cosg sin(peas 9 )+Y =((sing з 3 +Z (- Ч "" "Vco Vcos4)+Х,=(р jn4+Z )„ (sing sing+cosg cosg cos ) )+Y =($ cosQ sing +Z ) g + ((сов g «s Q -sing sing сов )+Х,=((п з,п +2 ) gg j (В P o g cos ((sing cos 3 )+Y =((sing sin 3

Ч jn|1 s nLI cosy cos g )+go=((cosy s jn ) +Z ) (nq sing +cos(p cosp cos 4 )+Y (cos y sin 4 +Z ) г ь .п

Для исчерпывающей характеристики четвертой пары уравнений в (3) при

35 положения объекта в пространстве не- появлении четвертого пересечения пуч-. обходимо и достаточно знать шесть ко- ка с осью f в точке р значения шесординат (Х„,УО Zî» 1, 9 Y )„ однако ти характеристик корректируются, исв системе (3) положение объекта опи- ходя иэ последних трех пар уравнений сывается восемью уравнениями, таким 4 (3). Таким образом, информация о пообразом, любые два уравнения из сис- ложении объекта считывается непретемы (3) вытекают из остальных шести. Рывно посредством регистрации номеров

Например, если даны ((y+ f+, <, засвечиваемых ФП ячеек 16 и снятия

$, Ы, ), то (g,К ) получаются авто- показания с M-разрядного ЦПУ 6 в три матически, что геометрически соответ- последовательных момента пересечения ствует нахождению четвертой точки пе- сканирующего лазерного пучка с полуресечения лазерного луча с мишенью осями 12-15 крестовидной мишени 11.

11, а лишняя, с точки зрения статики, пара уравнений в системе (3) ис- Фо р мул а из о б р е т е н ия пользуется в вычислениях для коррекции динамики. Например, после набора

1. Устройство для определения потрех первых пар уравнений системы ложения и ориентации объекта, содер(3) после пересечения лазерным лу-: жащее лазер, установленные по ходу ь + + чом осей и в трех точках,, лазерного луча фокусирующую линзу и имея к тому же углы oLt, +, о(. механизм сканирования лазерного луХ . 55 сканирования, при которых произошли, ча по образующей конуса, полый вал эти пересечения, определяются значе- которого соосей лазерного лучу, М-разния шести характеристик объекта (Хо, рядный цифровой преобразователь угла, Y, Z 1,,()., С возникновением расположенный на полом валу меха1536204

l2 н из ма сканирования; и мишень, выполненную в виде креста, закрепляемую на контролируемом объекте, о т л и—

Ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения информативности за счет определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, и повышения точности за счет. обеспечения малой

1 угловой расходимости сканирующего уча и дискретности считывания .инормации о его положении„ оно снабено коллимирующей линзой, закрепенной внутри полого вала механизма канирования так, что ее главная опическая ось параллельна оптической оси лазера и смещена относительно

1 ее, и образующей с фокусирующей линой телескоп, четырьмя блоками обраотки информации, первая группа из

М входов каждого из которых соединеа соответственно с M выходами цифового преобразователя угла, и че1ырьмя группами по N фотоприемных 25 ячеек, расположенными с равномерным агом на четырех полуосях мишени, ыходы каждой группы фотоприемных чеек соединены соответственно с втоой группой из N входов соответствующего блока обработки информации, четыре группы выходов четырех блоХов обработки информации являются выходами устройства.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а— ю щ,е е с я тем, что, с целью повышения достоверности за счет устране1 ния влияния импульсных световых помех от посторонних источников, каждый из четырех блоков обработки информации выполнен в виде N селективных предусилителей, входы которых образуют вторую группу из N входов блока обработки информации, формирователя кода номера и формирователя импульса пересечения, N входов каждого из которых соединены соответственно с выходами И селективных предусилителей, регистра кода угла, M входов которого представляют собой первую группу из M входов блока обработ- ки информации, а многоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя кода номера в группу выходов блока обработки информации, и формирователя временного интервала, выход которого соединен с блокирующими входами формирователей кода номера и импульса пересечения и регистра кода угла, а вход объединен с входом синхронизации регистра кода угла и соединен с выходoM формирователя импульса пересечения.

3. Устройство по п.2,, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех„ каждая из 4N фотоприемных ячеек выполнена в виде бленды, в которой установлены по ходу сканирующего луча соосно ей оптический полосовой фильтр, оптическая линза и фотоприемный диод, приемной поверхностью помещенный в фокусе линзы.

1536204

1536204

Х

Составитель О. Смирнов

Редактор М. Бандура Техред M. Хопанич Корректор В. Гирняк

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, у», 1 ;«;:ри»л, 101

Заказ 100 Тираж 475 Подписное

ВНИИПИ Государствен»ого комитета по изобретениям и открытиям пр» 1 Vll! СССР

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