Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации

Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в геодезическом приборостроении и предназначено для использования при измерении угловых координат летательных аппаратов.

Известен электронный теодолит по патенту РФ 2316729, предназначенный для измерения угловых координат объекта наблюдения, содержащий опорно-поворотное устройство, механизмы горизонтального и вертикального наведения которого содержат соответственно горизонтальный и вертикальный диски с кодовыми дорожками, оптически связанные с ними соответственно блок считывания с горизонтального диска и блок считывания с вертикального диска, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам преобразователя угол-код, установленный на опорно-поворотное устройство объектив и связанное с ним оптически фотоприемное устройство канала наблюдения, выполненное в виде матрицы фотодетекторов, выходы которых соединены с входной шиной устройства считывания информации, блок синхронизации, выход которого соединен к синхровходам видеоконтрольного адаптера и устройства считывания информации, электрические выходы которого соединены с входной шиной видеоконтрольного адаптера, выход которого подключен к входу видеоконтрольного устройства, дистанционный пульт управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам соответственно механизмов горизонтального и вертикального наведения, третий и четвертый выходы - к управляющим входам блоков считывания с горизонтального и вертикального дисков, цифровое табло, вход которого соединен с выходом преобразователя угол-код.

Известный электронный теодолит обеспечивает высокую точность измерения угловых координат при условии, что оператор точно наведет оптическую ось объектива на цель. При высокой динамике движения цели это условие в большинстве случаев не соблюдается.

Предлагаемый электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации дает следующий положительный технический результат - высокоточное вычисление угловых координат в реальном темпе времени при высокой динамике движения цели. Высокая точность вычисления угловых координат при высокой динамике движения цели обеспечивается за счет совместной обработки данных блоков считывания с горизонтального и вертикального дисков и данных устройства считывания информации с матрицы фотодетекторов.

Предлагаемый электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации может быть реализован с помощью известных функциональных элементов.

Для достижения указанного технического результата в электронный теодолит, содержащий опорно-поворотное устройство, механизмы горизонтального и вертикального наведения которого содержат соответственно горизонтальный и вертикальный диски с кодовыми дорожками, оптически связанные с ними соответственно блок считывания с горизонтального диска и блок считывания с вертикального диска, установленный на опорно-поворотное устройство объектив и связанное с ним оптически фотоприемное устройство канала наблюдения, выполненное в виде матрицы фотодетекторов, выходы которых соединены с входной шиной устройства считывания информации, блок синхронизации, выход которого соединен к синхровходам видеоконтрольного адаптера и устройства считывания информации, электрические выходы которого соединены с входной шиной видеоконтрольного адаптера, выход которого подключен к входу видеоконтрольного устройства, дистанционный пульт управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам соответственно механизмов горизонтального и вертикального наведения, цифровое табло, вход которого соединен с выходом видеоконтрольного адаптера, введены таймер, регистратор, волоконно-оптический канал передачи данных, содержащий модулятор, первый вход которого подсоединен к выходу устройства считывания информации, второй вход подсоединен к выходу блока считывания с горизонтального диска, третий вход подсоединен к выходу блока считывания с вертикального диска, выход подсоединен к входу волоконного приемо-передающего канала, выход которого подсоединен к демодулятору, блок дистанционной оперативной обработки измерительной информации, содержащий интерфейс скоростного ввода данных, вход которого соединен с выходом демодулятора, первый выход соединен входом устройства измерения линейных координат, третий и четвертый выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока вычисления угловых координат, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым соответственно выходами устройства измерения линейных координат, интерфейс вывода данных, вход которого подсоединен к выходу вычислителя угловых координат, выход подсоединен к первому входу регистратора, выход блока синхронизации соединен с входом блока считывания с вертикального диска, входом блока считывания с горизонтального диска и входом таймера, выход которого соединен со вторым входом регистратора.

На фигуре 1 приведена функциональная схема заявляемого электронного теодолита с дистанционным блоком оперативной обработки измерительной информации.

Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации содержит опорно-поворотное устройство 20, установленные на опорно-поворотное устройство 20 объектив 1 канала наблюдения и оптически связанное с ним фотоприемное устройство 2 канала наблюдения, выполненное в виде матрицы 3 фотодетекторов и устройства 4 считывания информации, входная шина которого соединена с электрическими выходами матрицы 3 фотодетекторов, волоконно-оптический канал передачи данных 5, блок 10 дистанционной оперативной обработки измерительной информации, таймер 16, регистратор 17, блок 18 синхронизации, пульт дистанционного управления 26. В состав опорно-поворотного устройства 20 включены механизм горизонтального наведения 21, вход которого соединен с первым выходом пульта дистанционного управления 26, вертикальный диск с кодовой дорожкой 22, соединенный оптически с ним блок 19 считывания с вертикального диска, вход которого соединен с выходом блока 18 синхронизации, выход соединен со вторым входом модулятора 6, механизм вертикального наведения 23, вход которого соединен с вторым выходом пульта дистанционного управления 26, горизонтальный диск с кодовой дорожкой 24, соединенный оптически с ним блок 25 считывания с горизонтального диска, вход которого соединен с выходом блока 18 синхронизации, выход соединен с третьим входом модулятора 6. В состав волоконно-оптического канала передачи данных 5 входят модулятор 6, первый вход которого соединен с выходом устройства 4 считывания информации, второй и третий входы соединены соответственно с выходами блока 19 считывания с вертикального диска и блока 25 считывания с горизонтального диска, волоконный приемо-передающий канал 7, вход которого соединен с выходом модулятора 6, выход соединен с входом демодулятора 8, выход которого соединен с входом интерфейса скоростного ввода данных 11. В состав блока 10 дистанционной оперативной обработки измерительной информации входят интерфейс скоростного ввода данных 11, устройство 12 измерения линейных координат, вход которого соединен с первым выходом интерфейса скоростного ввода данных 11, блок 13 вычисления угловых координат, первый и второй вход которого соединен соответственно с первым и вторым выходами устройства 12 измерения линейных координат, третий и четвертый входы соединены соответственно с вторым и третьим выходами интерфейса скоростного ввода данных 11, интерфейс вывода данных, вход которого соединен с выходом блока 13 вычисления угловых координат, выход соединен с первым входом регистратора 17, второй вход которого соединен с выходом таймера 16, вход которого соединен с выходом синтезатора 18.

Устройство работает следующим образом.

Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации устанавливают и горизонтируют в точке стояния. Видеоконтрольное устройство 15, пульт дистанционного управления 26, блок 10 дистанционной оперативной обработки измерительной информации и регистратор 17 размещают на необходимом для решения задачи измерений расстоянии в месте нахождения оператора.

Изображение объекта наблюдения - движущейся цели - проектируется через объектив 1 канала наблюдения на матрицу 3 фотодетекторов фотоприемного устройства 2 канала наблюдения. Считывание электрического сигнала изображения с матрицы 3 фотодетекторов и преобразование в двоичный код осуществляют с помощью устройства 4 считывания информации, входящего в состав фотоприемного устройства 2. Считывание производится периодически посредством сигналов считывания, формируемых блоком 18 синхронизации и подаваемых на устройство 4 считывания информации, входная шина которого соединена с электрическими выходами матрицы 3 фотодетекторов. Частота следования кадров устанавливается оператором с пульта дистанционного управления 26, для чего с третьего выхода пульта дистанционного управления 26 сигнал управления подается на вход синтезатора 18.

Для передачи изображений, формируемых фотоприемным устройством 2 канала наблюдения, и отображения их на стандартном видеоконтрольном устройстве 15 предназначен видеоконтрольный адаптер 9.

Оператор с помощью пульта дистанционного управления 26 подает сигналы управления на механизм вертикального наведения 21 и механизм горизонтального наведения 23 и перемещает объектив 1 в пространстве так, что динамический объект наблюдения попадает в поле его зрения и удерживается в нем. Об этом оператору становится известно по изображению на видеоконтрольном устройстве 15.

С выхода устройства 4 считывания информации цифровые данные поступают также на первый вход модулятора 6 волоконно-оптического канала передачи данных 5 по сигналам считывания, формируемых блоком 18 синхронизации, с заданной частотой следования кадров. На второй и третий входы модулятора 6 волоконно-оптического канала передачи данных 5 поступают данные с выхода блока 19 считывания с вертикального диска и с выхода блока считывания с горизонтального диска 25 соответственно по сигналам считывания, формируемых блоком 18 синхронизации с заданной частотой следования кадров и подаваемых с выхода блока 18 синхронизации на вход блока 19 считывания с вертикального диска и вход блока 25 считывания с горизонтального диска. Модулятор 6 волоконно-оптического канала передачи данных 5, установленный в непосредственной близости с фотоприемным устройством 2 канала наблюдения, принимает цифровые данные из устройства считывания информации 4, блока 19 считывания с вертикального диска и блока 25 считывания с горизонтального диска, формирует единый упорядоченный пакет данных видеоизображения и углоизмерительных данных, переносит пакет данных на сигнал поднесущей частоты, который подается на волоконный приемо-передающий канал 7. Сигнал поднесущей частоты стандартным способом передается волоконным приемо-передающим каналом 7 на демодулятор 8, в котором пакет данных выделяется и подается с выхода демодулятора 8 на вход интерфейса скоростного ввода данных 11. В качестве примера интерфейса скоростного ввода данных может служить интерфейс скоростного цифрового ввода-вывода 779673-01 NI-6537, разработанного фирмой National Instrument.

Интерфейс скоростного ввода данных 11 распределяет пакет данных на три вида данных: данные устройства 4 считывания информации, данные блока 19 считывания с вертикального диска и данные блока 25 считывания с горизонтального диска. Данные устройства 4 считывания информации поступают с первого выхода интерфейса скоростного ввода данных 11 на вход устройства измерения линейных координат 12, где определяются координаты положения изображения объекта на матрице фотодетекторов 3.

Устройство измерения линейных координат 12 реализует следующий алгоритм оценки координат положения изображения объекта на матрице.

Вводится система координат матрицы фотодетекторов 3: начало координат О помещается в левый нижний угол матрицы, ось ОХ проходит по нижней кромке матрицы, ось OY проходит по левой кромке матрицы. На матрице находятся опытным путем координаты фокальной точки X_O, Y_O.

Координаты изображения объекта наблюдения на матрице фотодетекторов 3 вычисляются как координаты энергетического центра изображения объекта:

где Х_Ц, Y_Ц - координаты объекта в системе координат матрицы фотодетекторов;

N_X, N_Y - число фотодетекторов матрицы вдоль осей Х и Y соответственно;

X_i, Y_j - координаты фотодетектора на матрице,

С(Х_i, Y_j) - яркость фотодетектора с координатами Х_i, Y_j.

Если наблюдаемый фон ярче объекта, то оператор устанавливает режим инверсии изображения.

Определяются координаты объекта относительно фокальной точки:

X_ЦО=X_Ц-X_О,

Y_ЦО=Y_Ц-Y_О.

Значения координат X_ЦО, Y_ЦО подаются соответственно с первого и второго выходов устройства измерения линейных координат 12 на первый и второй входы соответственно блока 13 вычисления угловых координат. На третий и четвертый входы блока 13 вычисления угловых координат подаются соответственно со второго и третьего выходов интерфейса скоростного ввода данных 11 данные блока 19 считывания с вертикального диска и данные блока считывания с горизонтального диска 25. По этим четырем данным вычисляются угловые координаты объекта наблюдения азимут цели α_Ц и угол места цели β_Ц по следующему стандартному алгоритму:

где α_Д - данные блока 25 считывания с горизонтального диска;

β_Д - данные блока 19 считывания с вертикального диска.

Выходные данные блока 13 вычисления угловых координат α_Ц и β_Ц подаются с выхода блока 13 вычисления угловых координат на первый вход регистратора 17. На второй вход регистратора 17 подается метка времени с выхода таймера 16. В результате в регистраторе 17 зафиксируются значения измерений угловых координат α_Ц, β_Ц и момент времени их измерения.

Блоки 6 и 8 выполняются на ПЛИС. Блок дистанционной оперативной обработки измерительной информации 10 может быть исполнен на персональном компьютере.

Устройство экспериментально проверено и доказана его работоспособность.

В развитие этого изобретения вводится в состав электронного теодолита с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации блок формирования управляющих сигналов, первый и второй вход которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами интерфейса вывода данных, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом устройства измерения линейных координат, первый и второй выходы блока формирования управляющих сигналов соединены с первым и вторым входом пульта дистанционного управления.

Это обеспечит получение дополнительно следующего положительного технического результата - автосопровождение объекта наблюдения по направлению.

На фигуре 2 приведена функциональная схема электронного теодолита с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации, в состав которого включен блок 27 формирования управляющих сигналов, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и третьим выходом интерфейса вывода данных 14, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом устройства измерения линейных координат 12, первый и второй выходы блока 27 формирования управляющих сигналов соединены с первым и вторым входом пульта дистанционного управления 26.

Устройство в режиме автосопровождения работает следующим образом.

Значения координат X_ЦО и Y_ЦО, полученные в устройстве 12 измерения линейных координат, функционально связаны с отклонением визирной оси теодолита от направления на объект наблюдения по азимуту и углу места соответственно. Поэтому они используются для формирования сигналов ошибки автосопровождения по азимуту и углу места в блоке 27 формирования управляющих сигналов. С этой целью значения координат X_ЦО и Y_ЦО передаются соответственно с первого и второго выходов устройства 12 измерения линейных координат через интерфейс вывода данных 14 на блок 27 формирования управляющих сигналов, для чего второй и третий входы интерфейса вывода данных 14 соединены соответственно с первым и вторым выходом устройства измерения линейных координат 12, второй и третий выходы интерфейса вывода данных 14 соединены соответственно с первым и вторым входом блока 27 формирования управляющих сигналов. На основе полученных данных X_ЦО и Y_ЦО блок 27 формирования управляющих сигналов формирует сигналы ошибок автосопровождения по азимуту и углу места и вырабатывает управляющие сигналы для механизмов горизонтального 24 и вертикального 21 наведения, которые подают на пульт дистанционного управления 26, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами блока 27 формирования управляющих сигналов.

1. Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации, содержащий опорно-поворотное устройство, механизмы горизонтального и вертикального наведения которого содержат соответственно горизонтальный и вертикальный диски с кодовыми дорожками, оптически связанные с ними соответственно блок считывания с горизонтального диска и блок считывания с вертикального диска, установленный на опорно-поворотное устройство объектив и связанное с ним оптически фотоприемное устройство канала наблюдения, выполненное в виде матрицы фотодетекторов, выходы которых соединены с входной шиной устройства считывания информации, блок синхронизации, выход которого соединен с синхровходами видеоконтрольного адаптера и устройства считывания информации, электрические выходы которого соединены с входной шиной видеоконтрольного адаптера, выход которого подключен к входу видеоконтрольного устройства, дистанционный пульт управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам соответственно механизмов горизонтального и вертикального наведения, цифровое табло, вход которого соединен с выходом видеоконтрольного адаптера, отличающийся тем, что, с целью высокоточного вычисления угловых координат в реальном темпе времени при высокой динамике движения цели, введены таймер, регистратор, волоконно-оптический канал передачи данных, содержащий модулятор, первый вход которого подсоединен к выходу устройства считывания информации, второй вход подсоединен к выходу блока считывания с горизонтального диска, третий вход подсоединен к выходу блока считывания с вертикального диска, выход подсоединен к входу волоконного приемопередающего канала, выход которого подсоединен к демодулятору, блок дистанционной оперативной обработки измерительной информации, содержащий интерфейс скоростного ввода данных, вход которого соединен с выходом демодулятора, первый выход соединен входом устройства измерения линейных координат, третий и четвертый выходы соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока вычисления угловых координат, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым соответственно выходами устройства измерения линейных координат, интерфейс вывода данных, вход которого подсоединен к выходу вычислителя угловых координат, выход подсоединен к первому входу регистратора, выход блока синхронизации соединен с входом блока считывания с вертикального диска, входом блока считывания с горизонтального диска и входом таймера, выход которого соединен со вторым входом регистратора.

2. Электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения автоматического сопровождения движущейся цели по направлению в электронный теодолит с блоком дистанционной оперативной обработки измерительной информации введен блок формирования управляющих сигналов, первый и второй вход которого соединены соответственно со вторым и третьим выходами интерфейса вывода данных, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом устройства измерения линейных координат, первый и второй выходы блока формирования управляющих сигналов соединены с первым и вторым входом пульта дистанционного управления.