Оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта

Оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта

Реферат

 

Использование: контрольно-измерительная техника, в частности оптико-электронные приборы для дистанционного, бесконтактного контроля и измерения пространственного положения объектов при его возможном продольном и поперечном смещении относительно задатчика базового направления. Сущность изобретения: с целью повышения информативности за счет одновременного измерения продольных и поперечных смещений оптико-электронное устройство содержит задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы, первого и второго модуляторов, выход первого из которых подключен к первому источнику излучения, а выход второго подключен к второму источнику, трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей которых соединены с входами первого и второго модулятора, генератора опорной частоты, с выходом которого соединены входы каждого из трех делителей частоты, фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго модулятора, и приемную часть, включающую объектив, фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, предусилитель, вход которого подключен к фотоприемнику, двух полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя, двух выпрямителей, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, сумматор, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров, индикатор, выход третьего делителя соединен с управляющим входом первого модулятора и с входом фазовращателя, в приемную часть введены третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, третий выпрямитель и второй индикатор, причем выход сумматора соединен через фильтр низкой частоты с входом первого индикатора, а через третий полосовой фильтр и третий выпрямитель с входом второго индикатора. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным приборам для дистанционного, бесконтактного контроля и измерения пространственного положения объекта при его возможном продольном и поперечном смещении относительно задатчика базового направления. Оно может быть использовано как измерительное устройство в геодезии, машиностроении, авиационной промышленности, судостроении, а как датчик системы автоматического бесконтактного одновременного управления движением, различными объектами по заданной траектории в дорожном и мелиоративном строительстве, горном деле, самолето- и судостроении.

Известно оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта, содержащее задатчик базового направления, формирующего две наклонные световые плоскости, вращающиеся относительно вертикальной оси задатчика, радиопередающий блок и приемную оптическую систему в виде многоэлементного вертикально ориентированного приемника (Неумывакин Ю.К. и др. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М. Недра, 1984, с. 29). В указанном устройстве регистрируется время прохождения через каждый фотоприемник крестообразного распределения световой энергии и по известным пространственным параметрам фотоприемного устройства и креста определяются высотное превышение и дальность положения объекта.

Наличие радиоканала передачи измерительной информации, а также высокие требования к стабильности скорости вращения луча, обуславливают ограниченную точность определения параметров пространственного положения объектов. Кроме того, наличие вращающихся частей в задатчике базового направления значительно снижает надежность и срок службы прибора.

Известна также навигационная оптико-электронная измерительная система для летательных аппаратов (Зуев В.Е. и Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. М. Радио и связь, 1987, 123), содержащая передающий блок, включающий лазер, сканирующее устройство, фотоприемник и электрически связанный с ним радиопередатчик и приемное устройство, установленное на объекте и включающее в себя счетное устройство, для фотоприемника, радиоприемник.

Устройство определяет поперечное смещение объекта по интервалу времени между началом периода сканирования луча (ему соответствует сигнал радиопередатчика) и попаданием луча лазера на приемную площадку фотоприемника, расположенного на объекте. Дальность от передающей части до объекта определяется по временному интервалу между засветками фотоприемников приемой части сканирующим лучом лазера. В этой системе, наряду с недостатками, характерными предшествующему устройству, присущи большие габариты, обусловленные необходимостью пространственного разнесения приемников.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству и принятым за прототип является оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений, состоящее из задатчика базового направления, включающего объектив, проецирующий в пространстве изображение граней прямоугольной светоделительной призмы, подсвечиваемой двумя источниками излучения светодиодами, расположенными у катетных граней светоделительной призмы, и электронную схему питания излучателей, включающую генератор, выход которого подключен к входам трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей частоты подключены к входам первого и второго модуляторов, а выход третьего делителя частоты подключен к входу генератора треугольных импульсов, при этом выходы первого и второго модуляторов подключены к излучателям (светодиодам), а выход генератора треугольных импульсов подключен к управляющему входу первого модулятора и через фазовращатель к управляющему входу второго модулятора и приемника, включающего объектив и фотоприемник, выход которого подключен на вход предусилителя, а выход последнего на входы двухполосовых фильтров, выходы которых через соответствующие выпрямители включены на входы сумматора, выход которого включен на вход усилителя ограничителя, выход последнего включен на входы дифференцирующей цепочки и реверсивного счетчика, при этом на второй и третий входы реверсивного счетчика подключены выходы дифференцирующей цепочки и генератора опорной частоты, а выход реверсивного счетчика включен на вход индикатора. В таком устройстве выходной сигнал определяется смещением оптической фотоприемной части с линии симметрии сканирования.

Однако такая схема построения устройства не позволяет одновременно с измерением поперечного смещения оптической фотоприемной части измерять ее продольные смещения относительно задатчика базового направления, т.е. дальность.

Задача изобретения повышение информативности за счет одновременного измерения продольных и поперечных смещений.

Задача решается тем, что оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта, содержащее задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы, первого и второго модуляторов, выход первого из которых подключен к первому источнику излучения, а выход второго подключен к второму источнику, трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей которых соединены с входами первого и второго модулятора, генератора опорной частоты, с выходом которого соединены входы каждого из трех делителей частоты, фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго модулятора, и приемную часть, включающую объектив, фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, предусилитель, вход которого подключен к фотоприемнику, двух полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя, двух выпрямителей, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, сумматор, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров, индикатор, отличающееся тем, что выход третьего делителя соединен с управляющим входом первого модулятора и с входом фазовращателя, в приемную часть введены третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, третий выпрямитель и второй индикатор, причем выход сумматора соединен через фильтр низкой частоты с входом первого индикатора, а через третий полосовой фильтр и третий выпрямитель с входом второго индикатора.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 диаграммы работы устройства; на фиг. 3 и 4 пространственно-временное распределение облученности для двух дистанций Z₁ и Z₂.

Задатчик базового направления 1 (фиг. 1) состоит из объектива 2, проецирующего грань прямоугольной светоделительной призмы 6, подсвечиваемой источниками излучения 4 и 5, образующими с призмой 6 излучатель 3 и подключенными к схеме питания излучателя 7, состоящей из генератора частоты 8, выход которого соединен с входами первого делителя частоты 9, второго 11 и третьего 10, причем, выход первого делителя частоты 9 подключен к первому входу первого модулятора 12, выход второго делителя частоты 11 подключен к первому входу второго модулятора 14, а выход третьего делителя частоты 10 подключен к управляющему входу первого модулятора 12 и через фазовращатель 13 к управляющему входу второго модулятора 14.

Приемная часть 15 состоит из объектива 16, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник 17, предусилителя 18, вход которого подключен к фотоприемнику 17, первого 19 и второго 20 полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя 18, двух выпрямителей 21 и 22, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров 19 и 20, сумматора 23, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров 19 и 20, третьего полосового фильтра 26, фильтра низкой частоты 24, третьего выпрямителя 27 и двух индикаторов 25 и 28, причем выход сумматора 23 соединен через фильтр низкой частоты 24 с входом первого индикатора 25, а через третий полосовой фильтр 26 и третий выпрямитель 27 с входом второго индикатора 28.

Устройство работает следующим образом (фиг. 2).

Объектив 2 задатчика базового направления 1 проецирует изображение грани светоделительной призмы 6, катетные стороны которой подсвечиваются источниками излучения 4 и 5. Каждый из источников излучения 4 и 5 является нагрузкой соответствующего модулятора 12 и 14, на первые входы которых через некратные делители частоты 9 и 11 с генератора частоты 8 поступает переменное напряжение с частотами f₁ и f₂ соответственно. Делитель 10 вырабатывает переменное напряжение с частотой f₃ (диаграмма а на фиг. 2), которое поступает на управляющий вход первого модулятора 12 и через фазовращатель 13, осуществляющий сдвиг фазы на 180^о на управляющий вход второго модулятора 14. В результате на выходах модуляторов появится напряжение частот f₁ и f₂ соответственно, промодулированное противофазным прямоугольным напряжением частоты f₃(диаграмма б на фиг. 2) с определенным коэффициентом амплитудной модуляции М (М < 1) (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Радио и связь, 1986, с. 75). Поскольку модуляторы 12 и 14 подключены к источникам излучения 4 и 5, то излучение каждого источника излучения будет промодулировано в противофазе частотой f₃ с частотным заполнением для источника 4 f₁, а для источника 5 f₂.

Таким образом, в пространстве будет сформулировано излучение с резкой границей на оси луча, причем одна половина его будет промодулирована частотой f₁, а другая частотой f₂. Такое пространственное распределение излучения образует зону управления с оптической равносигнальной (ОРСЗ), определяющей направление.

Известно, что изменение яркости источников в каналах задатчика базовой плоскости (ЗБН) вызывают сдвиг ОРСЗ (Цуккерман С.Т. и Гридин А.С. Управление машинами при помощи оптического луча. М. Машиностроение, 1969, с. 149-150) в направлении, перпендикулярном формируемой плоскости. Величина этого сдвига зависит как от значений геометрических и аберрационных параметров оптической системы ЗБН, так и абсолютной величины разбаланса яркости источников в каналах. Последнее позволяет предположить, что осуществляя модуляцию яркости в каналах, можно обеспечить требуемый закон сканирования ОРСЗ.

Облученность Е₁ в плоскости перпендикулярной оптической оси ЗБН, создаваемая источником первого осветителя, зависит от координат точки, в которой исследуется облученность. При фиксированном значении координаты Y, облученность будет зависеть от величины смещения исследуемой точки по известному закону E₁= + X= + где Е_max1 максимальное значение облученности, создаваемое источником первого канала осветителя; l_л ширина линейной частоты ОРСЗ; Х координата точки анализа облученности.

Так как для рассматриваемых систем E= , (1) где пропускание воздушного тракта; L яркость источника излучения; S_вых.зр площадь выходного зрачка объектива ЗБН; Z расстояние от выходного зрачка ЗБН до плоскости, в которой рассматривается распределение облученности.

При фиксированной Х облученность будет зависеть от Y и по закону Е Е₁cos . Известно, что размер линейной части ОРСЗ l_л определяется выражением l_л= 2Z + d , (2) где угловая аберрация объектива ЗБН; Z₀ расстояние от выходного зрачка объектива ЗБН до плоскости фокусировки границы раздела; d поперечный размер зрачка объектива ЗБН.

Для облученности создаваемой вторым осветителем ЗБН будет E₂= X= + .

Так как ОРСЗ есть геометрическое место точек, в которых облученности от первого канала ЗБН равна облученности от второго канала, т.е. Е₁ Е₂, то + X E-E X . (3) С учетом (1), (2) и (3), получим X 2Z+d 0,52Z+d , (4) где L₁, L₂ яркости излучателей первого и второго каналов ЗБН.

Пусть L относительное значение разбаланса яркости, тогда рассматривая выражение (4), видно, что величина смещения РСЗ Х зависит от относительного значения разбаланса L яркости в каналах.

Зададим определенный закон изменения яркости в каналах во времени.

Пусть L в первом канале изменяется по следующем закону: L₁ L₀ + Lsin( t+₁) во втором канале L₂ L₀ + Lsin( t+₂), а ₂-₁ 180^о где круговая частота, t время, фаза.

L sin(t+₁) sin(t+₁) и тогда из (4) X 0,52Z+d sin(t+₁) Таким образом РСЗ смещается во времени по гармоническому закону, т.е. имеет место сканирование РСЗ. Таким образом, из выражения (5) видно, что амплитуда сканирования РСЗ прямо пропорциональна абсолютной величине различия яркости в каналах и зависит от дистанции Z, величины аберрации и размера зрачка.

Если ЗБН сфокусировать на определенную дистанцию, например, Z₀ 300 м и соответственно подобрать размер зрачка d и аберрации, то РСЗ сканирует по углу. Таким образом, в пространстве будет сформирован конус излучения с резкой границей, причем одна половина его будет промодулирована частотой f₁, а другая частотой f₂. Такое пространственное распределение излучения образует зону управления с оптической равносигнальной зоной (ОРЗ), определяющей направление. Величина пропорциональна коэффициенту модуляции частоты f₃ и задается конструкцией электронной схемы питания излучателя 7. Анализируя (5), приходим к выводу, что противофазная модуляция источников излучения 4 и 5 прямоугольными импульсами частоты осуществляют симметричное скачкообразное смещение энергетического центра оптической равносигнальной зоны относительно оптической оси ЗБН, причем при указанном способе модуляции величина регистрируемого смещения Е с частотой f₃ будет пропорциональна дальности между ЗБН и приемной частью, т.е. продольному смещению, причем информация о продольном и поперечном смещении приемной части заложена в излучении ЗБН.

Чтобы оценить величину переменной составляющей Е (f₃) облученности рассмотрим пространственно-временное распределение облученности для двух дистанций.

На фиг. 3 представлены распределения освещенностей от двух каналов в разные периоды модуляций частоты f₃ на фиксированной дистанции Z₁. E_I(0) графически представляет облученность вдоль оси ОХ от первого канала осветителя в период модуляции 0- 180^о, а Е_I(180) в период от 180 до 360^о. В свою очередь Е_II(0) графически представляет распределение облученности вдоль оси ОХ второго канала осветителя в период модуляции от 0 до 180^о, а Е_II(180) в период от 180 до 360^о. Е_ср средний уровень облученности за период модуляции f₃.

На фиг. 4 представлено распределение облученности от двух каналов в разные периоды модуляции частот f₃ на дистанции Z₂ большей, чем Z₁. Как известно из формулы (2), описание устройства величины линейной зоны ОРЗ с дистанцией уменьшается, что и отражено на графиках (фиг. 3 и 4). В реальности уровень облученности Е_ср уменьшается обратно пропорционально квадрату дистанции. Из фиг. 3 и 4 видно, что при расположении приемника на оси (что соответствует точке О на фиг. 4) величина переменной составляющей Е (f₃) изменяется с дистанции, а следовательно в ней содержится информация о дистанции.

Излучение, формируемое задатчиком базового направления 1, собирается объективом 16 приемной части 15 и фокусируется на фотоприемник 17, преобразующий поток излучения в электрический сигнал, усиливаемый предусилителем 18. С выхода предусилителя 18 электрический сигнал поступает на входы полосовых фильтров 19 и 20, настроенных соответственно на частоты f₁ и f₂, в результате чего на их выходах появляется гармонический сигнал частот f₁ и f₂, промодулированный противофазными прямоугольными импульсами частоты f₃ (диаграмма г на фиг. 2). Выделенные выпрямителями 21 и 22 огибающими этих сигналов (диаграмма е на фиг. 2) поступают на вход сумматора 23. При этом на выходе сумматора 23 появляется переменный сигнал частоты f₃ (диаграмма з на фиг. 2), причем постоянная составляющая этого сигнала пропорциональна смещению входного зрачка приемной части 15 относительно оптической оси задатчика базового 1 направления, а переменная расстоянию между приемной частью 15 и задатчиком базового направления 1. С выхода вычитающего устройства 23 указанный сигнал поступает с одной стороны через фильтр низкой частоты 2, осуществляющий выделение постоянной составляющей, на индикатор 25, отградуированный в единицах поперечного смещения, а с другой через полосовой фильтр 26, настроенный на частоту f₃ и выделяющий переменную составляющую, огибающая которой выделяется выпрямителем 27, на вход второго индикатора 28, отградуированного в единицах дальности.

При нахождении входного зрачка приемной части 15, например, выше оптической оси задатчика базового направления 1, на объектив 16 попадут неравные разномодулированные частотами f₁ и f₂ потоки излучения, что приведет к появлению на входах вычитающего устройства 23 разных по величине постоянной составляющей сигналов (диаграммы и, к на фиг. 2). При этом на выходе вычитающего устройства 23 появится переменный сигнал частоты f₃ (диаграмма л на фиг. 2) с постоянной составляющей U_Н1 и переменной U_L2, пропорциональных поперечному и продольному смещению приемной части 15. При смещении вдоль направления, задаваемого задатчиком 1, например, удалении, при том же поперечном смещении на объектив 16 приемной части 15 попадают те же неравные разномодулированные частотами и потоки излучения, но величина коэффициента амплитудной модуляции частоты f₃ уменьшается, при этом на входах вычитающего устройства 23 сигналы выпрямителей 21, 22 будут иметь ту же постоянную составляющую и меньшую переменную частоты (диаграммы м, н на фиг. 2), а на выходе сумматора 23 сигнал сохранит ту же постоянную составляющую величиной U_H2 U_H1, а величина переменной U_L3 уменьшится (диаграмма о на фиг. 2), что приведет к изменению показаний индикатора 28.

В качестве конкретного примера выполнения устройства задатчик базового направления, создающий оптическую равносигнальную зону, может быть реализован следующим образом.

Прямоугольная светоделительная призма установлена так, что ее ребро, образованное катетными отражающими сторонами, перпендикулярно оптической оси объектива и установлено в его фокальной плоскости. В качестве источников излучения используются инфракрасные полупроводниковые светодиоды, причем их оптические оси проходят через ребро призмы и расположены с оптической осью объектива в одной плоскости и при этом ребро призмы, оптические оси светодиодов и объектива образуют ортогональную систему.

Схема питания излучателя состоит из генератора опорной частоты, выполненного на логических элементах КМОП структуры, стабилизированной кварцевым резонатором (Бородин Н. И. Импульсные устройства на морском транспорте. М. Транспорт, 1987, с. 168, рис. 7.18а), выход которого подключен к входам трех некратных делителей частоты, например, с коэффициентом деления 6, 10, 128, образующих из частоты генератора частоты f₁, f₂ и f₃ соответственно, которые выполнены на программируемых делителях типа микросхемы К564ИЕ15, на выходе которой включен любой делитель на 2, например, на D-триггере микросхемы К561ТМ2, для получения скважности импульсов 2. Фазовращатель выполнен на логической ячейке типа НЕ микросхемы К561ЛН2. Модуляторы излучения светодиодов 12 и 13 идентичны. Электрическая принципиальная схема одного из них показана на фиг. 3. Она состоит из двух параллельно включенных ключевых каскадов по схеме Дарлингтона на транзисторах Т1, Т2 и Т3, Т4 соответственно, нагрузка которых общая светодиод VD 1, причем коэффициент модуляции частотой f₃ определяется величинами токов, протекающих через каждый ключевой каскад и задается ограничивающими сопротивления R4, R5. Сопротивления R2, R3, R6, R7 служат для улучшения динамических характеристик ключевых каскадов.

В качестве фотоприемника приемной части используется фотодиод, включенный в гальваническом режиме работы.

Предварительный усилитель реализован на малошумящем усилителе, типа К538УН3.

Полосовые фильтры идентичны по своей структуре и реализованы по схемам активных полосовых фильтров второго порядка, настроенных соответственно на частоты f₁, f₂, f₃ (Изьюрова Г.И. Расчет электронных схем. М. Высшая школа, 1987, с. 194, рис. 7.25).

Выпрямители приемной части идентичны и выполнены по схеме диодного моста с емкостным фильтром.

Сумматор реализован по схеме параллельного сумматора на операционном усилителе (Алексеенко А.Г. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Радио и связь, 1981, с. 77, рис. 3.2).

Фильтр низкой частоты выполнен на RC-цепочке. В качестве индикаторов могут быть использованы простейшие стрелочные вольтметры, шкалы которых отградуированы в единицах продольного и поперечного смещения.

Построение и принцип, заложенные в устройстве, использующее ОРЗ, позволяет обеспечить измерение пространственного положения одновременно нескольких приемных частей, поскольку измерительная информация заложена в излучении задатчика базового направления.

Таким образом, по совокупности перечисленных признаков, оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта позволяет одновременно измерять продольные и поперечные смещения объекта, чем достигается поставленная цель повышение информативности измерений.

Предлагаемое оптико-электронное устройство может быть использовано, например, в строительстве.

Формула изобретения

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА, содержащее задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы, первого и второго модуляторов, выход первого из которых подключен к первому источнику излучения, а выход второго к второму источнику излучения, трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей соединены с входами первого и второго модуляторов, генератора опорной частоты, с выходом которого соединены входы каждого из трех делителей частоты, фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом второго модулятора, и приемную часть, включающую объектив, фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, предусилитель, вход которого подключен к фотоприемнику, двух полосовых фильтров, входы которых соединены с выходом предусилителя, двух выпрямителей, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, сумматор, входы которого соединены с выходами полосовых фильтров, индикатор, отличающееся тем, что выход третьего делителя соединен с управляющим входом первого модулятора и с входом фазовращателя, в приемную часть введены третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, третий выпрямитель и второй индикатор, причем выход сумматора соединен через фильтр низкой частоты с входом первого индикатора, а через третий полосовой фильтр и третий выпрямитель с входом второго индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4