Введение к работе
Актуальность.темы. Объектом исследования является информационно-измерительные системы (ИИС) развертывающего преобразования, в которых, в-частности, осуществляется частотноепред -ставление измерітельной информации.
Известно,что частота - это сигнал, который в настоящее время измеряется с достаточно высокой точностью и сравнительно легко преобразуется в цифровую форму, например, в единичный код. Относительная погрешность измерения частоты может составлять
10 . Поэтому, представление измерительной информации в частоту во многих практических случаях является актуальным.
Актуальными проблемами являются также расширение рабочего частотного диапазона ИИС, включая оптический диапазон, при одновременном снижении требований к стабильности частотной развертки, а также исследование и использование т.н."вырожденных" разверток - разверток сжатых по оси времени или по оси частот. Все это позволяет увеличить число каналов, номенклатуру физических величин и параметров, измеряемых системой, снизить аппаратурные затраты и, таким образом, повысить эффективность систем.
Автор в теории и практике общих подходов опирался на отечественные и зарубежные работы:
Т.М.Алиева, В.С.Большакова, А.Н.Голубева, Э.Й.Гитиса, К.Л.Куликовского, Г.П.Катыса; А.Е.Кобринского, В.В.Клюева, Ш.Камена, В.С.Летоховз, П.В.Новицкоео, М.Т.Прилешша, Е.П.Попова, В.А.Строкова, Ш.Суро, В.Б.Смолова, К.К.Сапова, Ф.Е.Темникова, Э.Тама, Е.Н.Узиловой, А.А.Харкевича, М.П.Цапенко, Е.А.Юревича, Д.Ф.Янга и многих других.
Принцип развертывания в координатах времени, пространства и состояний в общем виде предложен Ф.Е.Темниковым и находит должное широкое применение в различных областях техники. Направление, связанное с разработкой и применением устройств с частотно-модулированными (ЧІЛ) сигналами известно в технике связи и измерений. Это направление признано перспективным, т.к. ЧІМ сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью и возможностями измерения и обработки с высокой точностью.
Частотное представление измерительной информации в многоканальных ИИС традиционно осуществляется созданием набора автогенераторных схем с первичными измерительными преобразователями и опросом указанных схем с помощью коммутаторов. Однако этот процесс аппаратурно сложный и инерционный.
Существующие системы время - импульсного преобразования, использующие также метод частотного развертывания, далеко не ис -черпывают его возможности и не лишены существенных недостатков. Так измерительные системы Строкова В.Л., Викторова В.А. должны содержать генератор со строго линейным и стабильным законом изменения частоты.
Это обусловлено тем,что на ряд резонаторов с измеряемыми "параметрами воздействует ЧМ сигнал (частотная пила) и отклики резонаторов смещаются по частотной, а следовательно, и по временной оси в зависимости от значений измеряемых параметров. Любая нелинейность и нестабильность закона качания вызывает соответствующую погрешность измерения. Особые требования, предъявляемые к генератору, усложняют его, препятствуют расширению частотного .диапазона при увеличении числа опрашиваемых, каналов в системе.
Системы ограничены также использованием лишь резонансных высокодобротных измерительных цепей (ИЦ).
Одним из путей решения указанной проблемы (проблем, связанных общей идеологией) является сопоставление частоты перестраиваемого электрического илич(и) оптического генератора с собственными особыми частотами набора соответствующих (электри -ческих, оптических) ИЦ - ответчиков, выделение моментов совпадения этих частот и использование откликов цепей для измерения физических величин путем измерения в указанные моменты текущих %'значений частоты генератора.
Комплексное решение проблемы при освоении оптического диапазона систем включает в себя исследования их особенностей и возможностей, в частности, решение такой практически важной задачи, как дистанционное определение положений объектов в пространстве . Проведение подобных измерений традиционными методами визирования системой "глаз-оптическое устройство-цель" не оправдано для сооружений недоступных или опасных, таких как ускорители, атомные электростанции, шахты, протяженные конвейеры, громоздкое оборудование и др. Условия работы уникального оборудования (ра -
диоактивлость, высокая температура, сильные электромагнитные поля, вредные испарения) требуют выполнения высокопроизводи -тельных измерительных операций в ограниченные промежутіси времени и с минимальным персоналом.
Кроме того, возрастание конкуренции на международном рынке, связанной с производством к сбытом новых изделий и технологий побуждает к созданию все новых интеллектуальных средств инженерного труда.
Поставленная проблема решалась в рамках целевых программ "Датчики" (государственная регистрация № 0І8260І4905), "Роботы" (государственная регистрация № 810274446), выполненными по вале- . нейшей тематике "в НЖГАиК, а таюке ]яда договоров с предприятиями, под руководством и при непосредственном участии соискателя.
Целью работы является объединение перспективного направления, связанного с ЧМ сигналами, и метода развертывающего преобразования; обоснование эффективности, синтез и исследование нового на этой основе класса ИИС с частотным развертывающим преобразованием (ИИС с ЧИЇ).
Научные задачи, решаемые в .диссертации:
1. Исследование развертывающих систем и перспективного
направления, связанного с ЧМ сигналами, для целенаправленного
совместного их использования в обосновании и создании нового
класса Эффективных многоточечных ИИС с частотным развертываю
щим преобразованием.
2. Освоение оптического рабочего диапазона частот для пред
ложенного класса систем. Исследование и учет специфических осо-
-бенностей систем оптического диапазона.
3. Построение единой модели и целостное представление
"ИИС с частотным развертывающим преобразованием."
.4. Разработка основ построения и частных структур "ИИС с ЧЕЛ".
5..Анализ'и исследование "ИИС с'ЧТО " (частотный диапазон и число' каналов, природа и анализ погрешностей, динамические возможности, специальные вопросы анализа измерітельннх цепей, учет влияющих факторов).
Т.О. решение вопросов широкодиапазонного частотного предстааяения измерительной информации с освоением оптического диапазона до 10 Гц и "вырожденных" разверток, сжатых по оси 'времени или по оси частот; создание соответствующего класса эффективных, удовлетворяющих современным требованиям ИИС, ос -нованных на новом подходе к частотному развертывающему преобразованию и определению положений рассредоточенных объектов для экстремальных условий является теоретическим обобщением и решением крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Мет оды иоследования. Поставленные задачи решались путем теоретических исследований с последующей проверкой на производственном материале, разработка ИИС и их. узлов проводилась путем применения структурного анализа, теории погрешностей, моделирования на ЭВМ.
Практическая ценность работы. I. Научные результаты,полученные за счет нетрадиционных подходов к созданию ИИС сочетаются с возможностями их применения. Использование разработанных методов и алгоритмов позволяет за счет снятия жестких требований к линейности и стабильности частотной развертки і к избирательным свойствам ИЦ, освоения оптического диапазона частот, обеспечить соответственно упрощение генератора развертки, улучшить динамические и точностные характеристики систем, расширить их функциональные возможности, прежде всего, по измеряемым параметрам при работе в экстремальных условиях.
2. Научно-практические реализации систем: автоколлимационные измерительные системы.АИС-І, АИС-2 с лазерным сканированием для определения взаимного углового положения приборов, узлов космического корабля при его диагностике; лазерный створофиксатор ЛАСТ с частотным развертыванием для определения отклонений объектов относительно лазерного луча; измерительные системы ИСІ0С, ИС2, ИСІ00Р и др. с частотным развертыванием" в электрическом диапазоне; частные технические решения и функциональные узлы систем ( лазерный автоколлиматор ЛА-3, преобразователи ППЛ-І, ПІШ-2, ІШР линейного и углового положения, перемещения носителя с кодовым ,раст—'ромj матричный анализатор изображений МАИ, локатор-рециркулятор на полупроводниковом лазаре дія сканирующего анализа трехмерчнх сцен).
3, Разработки ІЇИС доведены до практических схем, экспе
риментальных образцов и расчетов, включая расчеты на ЭВМ.
4. ИИС и устройства в дальнейшем могут быть использованы:
для измерения физических величин с предварительным преобразо
ванием их в параметры электрической цепи; для проведения геоде
зических створных измерений при строительстве и эксплуатации
протяженных сооружений (линейные ускорители, конвейеры, шахты,
подкрановые пути, тоннели, мосты и др.); в космической тех -
нике при предстартовой диагностике космических кораблей; в
робототехнике второго и третьего поколений при оснащении ро
ботов сенсорными преобразователями (автоколлиматор, преобразо
ватели угла, анализатор изображений,- локатор) и дая унифици -
рованного представпения сенсорной информации.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всесоюзном семинаре по автоматизации экспериментальных исследований (Минск, 1973), всесоюзной конференции по ИИС (Ивано-Франковск, 1973), всесоюзной конференции по внедрению достижений в области робототехники и электроники в биологию и медицину (Новосибирск, 1973), всесоюзном симпозиуме по современным методам и аппаратуре для измерения параметров радиоцепей (Новосибирск,1974), всесоюзной конференции по обработке изображений и дистанционным исследованиям (Новосибирск, 1981), всесоюзной конференции по измерению и контролю при автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1982), седьмом въезде ВАГО (Алма-Ата,1980), всесоюзном симпозиуме по методам и средствам обработки оптической информации (Москва, 1983), всесоюзной конференции по робототехнике и автоматизации производственных процессов (Барнаул, 1983), республиканском научном совещании по промышленным роботам и роботоч'ехническим комплексам (Ленинград, 1983), всесоюзных совещаниях по координатно-чувствительным фотоприемникам и оптико-электронным устройствам на их основе (Барнаул, 1987, 1989), Всесоющной научно-технической конференции " Автоматизация машиностроения на базе новых элементов и устройств при' реализации программы "Интенсифакация-90" (Ленинград,1988), всесоюзных совещаниях по оптическим сканирующим устройствам и измерительным приборам на их основе (Барнаул, 1980,1984,1988, 1990), меэдународчой конференции по датчикам электрических и неэлектрических величин (Барнаул, 1993).
Материалы исследований систематически обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах НИИГАиК, НЭИС, НГТУ, СО РАН (ВЦ, СибНАТИ, СибИМЭ, ШХ), НИЖЕ", ЛПИ, ЛЗШ, КПИ, МЛИ, АЛИ, ВО "Знание", ВАГО, НПО АС, СамГТУ.
Внедрение. Материалы по принципам построения, элементам теории, практике освоения оптического диапазона систем с частотным развертыванием, исследование вопросов проектирования и анализа лазерных сканирующих ИИС для определения взаимного углового положения набора отражающих объектов использованы в учебном процессе НИИГАиК (лекции, курсовое и дипломное проектирование, НИРС, студенческое КБ).
Общий подсчитанный экономический эффект от внедрения (практического использования) результатов диссертационной работы составляет 1434,0 тысячи рублей, а с учетом ожидаемого эффекта -около 2,0 млн.рублей в год (1990г).
Публикации. По материалам исследований имеется порядка 70 печатних работ, в том числе 2 монографии.
На защиту выносятся:
Систематизация развертывающих систем и устройств"с ЧМ сигналами, обеспг.чпваюцая прогнозирование і нового класса эффективных ИИС с ЧРП.
Обобщенная модель измерительных процессов.
Принципы построения структурных вариантов ИИС с ЧТО.
Эффективные лазерные методы для дистанционного определения линейных и угловых положений (отклонений) объектов, рассредоточенных в пространстве.
Конкретные ИИС для измерения параметров электрических Щ, для определения положения приборов и узлов космического корабля на стапелях при его диагностике, для определения отклонений объектов относительно прямой - створа, для анализа плоских оптический изображений и трехмерных сцен.
Структура диссертации.Постановка задачи определяет содержание диссертации, которая состоит из Введения, шести глав, заключения и приложений, изложенных на 375"страницах, списка использованных источников из 2S9 наименований на 2.9 страницах ж соде раит \Н\ рисунок и 17 таблиц на 87 страницах. Общий объем работы 410 страниц сквозной нумерации.