Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и задач развития методов и средств измерения координат положения головы наблюдателя относительно объекта наблюдения 11
1.1. Краткая характеристика головы человека как кинематического звена его зрительного аппарата 12
1.2. Методы и устройства преобразования и измерения координат вектора ориентации головы 17
1.3. Методы и устройства преобразования и измерения координат шестимерного вектора положения головы 31
1.4. Постановка задачи 39
2. Исследования по разработке теяевизионной шстемы измери тельного преобразования координат положения головы на блюдателя относительно объекта наблюдения 42
2.1. Связи координат положения головы с координатами направления взора и наблюдаемой точки 43
2.2. Обоснование принципов измерения координат шестимерного вектора положения головы наблюдателя 52
2.3. Методика определения координат шестимерного вектора положения головы при помощи телевизионных средств 56
2.4. Телевизионный измеритель координат точечных объектов 63
2.5. Обработка информации телевизионных измерителей координат точечных объектов 72
2.6. Выводы 81
3. Исследование информационных и точностных характеристик телевизионного измерителя коордт4нат положения головы 83
3.1. Информационные характеристики телевизионного измерителя координат точечных объектов 84
3.2. Исследование случайных погрешностей 89
3.3. Определение и компенсация систематических погрешностей 98
3.4. Выводы 112
4. Определение суммарных погрешностей измерения координат положения головы с минимизацией их случайных составляющих 114
4.1. Повышение отношения сигнал/шум телевизионного тракта 114
4.2. Минимизация случайных погрешностей, обусловленных инерционностью видикона 119
4.3. Минимизация случайных погрешностей дискретизации 127
4.4. Определение суммарных погрешностей измерения координат положения головы с учетом минимизированных случайных погрешностей координат информативных точек 131
4.5. Выводы 138
5. Техническая реализация и экспериментальный анализ теле визионной измерительной системы 140
5.1. Принципы технической реализации блоков трубки и разверток 141
5.2. Особенности построения устройства обработки видеосигнала и синхрогенератора 145
5.3. Последовательное и параллельное кодирование декартовых координат информативных точек 149
5.4. Реализация функций управления устройствами телевизионного измерителя 157
5.5. Реализация вычислительного устройства, программно-метрологическое обеспечение и экспериментальные характеристики системы 163
5.6. Выводы 180
Заключение 181
Литература 183
Приложение I
- Методы и устройства преобразования и измерения координат вектора ориентации головы
- Обоснование принципов измерения координат шестимерного вектора положения головы наблюдателя
- Исследование случайных погрешностей
- Определение суммарных погрешностей измерения координат положения головы с учетом минимизированных случайных погрешностей координат информативных точек
Методы и устройства преобразования и измерения координат вектора ориентации головы
Условия эксперимента или алгоритмы работы систем человек-машина иногда ограничиваются измерением одной, двух или трех координат ориентации головы. Преобразователи в этих случаях строятся для вырабатывания электрических сигналов, пропорциональных углам поворота головы вокруг вертикальной и одной или двух горизонтальных осей.
По методу, заложенному в основу принципа действия,преобразователи данного класса можно подразделить на четыре группы: а) инерционные; б) электромеханические; в) электромагнитные; г) электрооптические.
Инерционные устройства основаны на применении миниатюрных гироскопов и акселерометров, смонтированных на шлеме. Габариты узлов, сложность их монтажа и невысокая точность преобразования ограничивают применение этого метода. Он применяется в случаях, когда требуется измерить угловую скорость или ускорение движения головы [5].
Электромеханические преобразователи строятся по другому методу. Например, первичный преобразователь угла поворота головы вокруг вертикальной оси состоит из вертикального вала, один конец которого жестко закреплен на шлеме, а другой соединен с движком потенциометра, корпус которого удерживается на горизонтальной траверсе [б]. Потенциометр включен в схему регистрирующего прибора. Чувствительность и точность преобразования зависят от типа выбранного потенциометра и характеристик регистратора.
Электромагнитные методы позволяют создавать точные, надежные, обладающие требуемыми статическими и динамическими характеристиками преобразователи. В одном из вариантов электромагнитного устройства этого рода применена катушка индуктивности, смонтированная на голове и помещенная в однородное переменное магнитное поле [7]. Величина э.д.с, наводимой магнитным полем в катушке, зависит от величины угла поворота головы. Для измерения трех угловых координат создаются два магнитных поля, сдвинутых по фазе на 90, и применяются две катушки индуктивности. Погрешность и линейность при измерении по данному методу составляют примерно 2 % от диапазона преобразования, а разрешающая способность - до 15 угловых секунд.
Другой электромагнитный преобразователь построен на основе использования трех сельсинов [8], служащих датчиками трех угловых координат ориентации головы. Статоры всех сельсинов закреплены неподвижно на шлеме 4 (рис. 1.4). Оси роторов сельсинов I и 2, предназначенных для измерения углов поворота головы вокруг горизонтальных осей, соединены с маятниками 5, которые под действием сил тяжести занимают вертикальное положение. Маятники находятся в сосудах с водой, служащих демпфирующими узлами. Ось ротора 3, измеряющего угол поворота вокруг вертикальной оси, соединена с постоянным магнитом б, который ориентирован в определенном направлении постоянным магнитным полем, создаваемым специальной катушкой (на рис. 1.4 она не показана). Выпрямленные, отфильтрованные и усиленные напряжения сельсинов являются линейными функциями соответствующих угловых координат ориентации головы в диапазоне преобразования примерно 40. Погрешность измерения — около ІІ0, линейность характеристики преобразования в пределах -20 — не хуже 5 %. К основным недостаткам преобразователя с сельсинами следует отнести уменьшение линейности характеристики преобразования с ростом величины угла поворота головы вследствие размагничивающего действия продолнной составляющей магнитодвижущей силы обмоток синхронизации сельсинов и снижение динамической точности преобразования резких поворотов головы из-за вязкого трения в гидравлических демпферах маятников.
Электрооптический метод основан на измерении интенсивности излучения светодиодов при известной ее зависимости от расстояния излучатель-детектор. Первичный преобразователь [9], реализованный по этому методу, состоит из шлема, на внутренней поверхности которого находятся три группы фотодетекторов, размещенных на линиях пересечения шлема с профильной I (см. рис. 1.5а), фронтальной 2 и горизонтальной 3 плоскостями, проходящими через полюс движения головы, и подшлемника с размещенными на нем двумя све-тоизлучающими диодами 4 и 5 (рис. 1.56). Светодиод 4 находится на вертикальной оси вращения и служит для измерения углов поворота головы вокруг горизонтальных осей. Второй светодиод 5 предназначен для работы в канале измерения угла поворота вокруг вертикальной оси. Светодиоды возбуждаются переменным током частотой I кГц. В зависимости от изменения угловых координат головы меняются амплитуды сигналов, наводимых светодиодами в фотодетекторах, выходы которых соединены с электронной схемой, обрабатывающей сигналы. Выходные сигналы представляют собой напряжения постоянного тока, меняющиеся в пределах 15В пропорционально величинам контролируемых углов поворота. Пределы преобразования углов поворота вокруг горизонтальных осей составляют 20, а вокруг вертикальной оси — до ±60. Погрешность преобразования данным методом составляет величину порядка -1 [Ю]. Система удобная в пользовании, обладает линейной характеристикой преобразования, надежная. Данная система не лишена и недостатком — таких, как чувствительность к помехам в виде электромагнитных колебаний, частота которых находится в пределах спектра чувствительности фотодетекторов; сложность алгоритма обработки сигналов детекторов; сравнительно невысокая точность преобразования.
Трансформаторные измерительные преобразователи относятся к группе электромагнитных средств. Их наименование происходит от
Обоснование принципов измерения координат шестимерного вектора положения головы наблюдателя
В литературных источниках, указанных в предыдущем разделе, аналитическое описание связей координат точек поверхности головы с координатами шестимерного вектора ее положения отсутствует. Такое описание можно свести к описанию перемещения систем угловых и поступательных координат в системе основных координат по методике, изложенной ниже.Основные координаты каждой точки головы, имеющей в системе #2 Z2 (см. рис. 2.4) неизменные координаты я , / , Z определяются согласно следующим соотношениям [57, 58J:где 5Х , S , S — основные координаты места полюса (точки 02); Cvonf" С - т косинусы углов между осями систем угловых и основных (или поступательных) координат.
Практически более удобно вместо углов между осями систем координат принять три угла Эйлера, выбранные по способу А.Н. Крылова [59] и привести их к трем независимым координатам ориентации головы (р , (р , (р , выраженных через углы ее поворота вок-руг соответствующих осей системы поступательных координат. Тогда косинусы углов соотношений (2.33) выражаются через координаты ориентации головы следующими формулами [60J:
Выбираем характерные точки 7? ,б ,В , лежащие на поверхности головы в местах пересечения этой поверхности с осями системы угловых координат (рис. 2.5). Расстояния от начала системы угловых координат до характерных точекгде 7 , О , & — постоянные величины.
Координаты характерных точек в системе 02 Xz У 2г равны:
Основные координаты характерных точек определяются по уравнениям (2.33) с учетом (2.36):
Анализ систем уравнений (2.37), (2.38), (2.39) дает возможность обосновать структуру технического устройства, измеряющего и преобразующего в электрический сигнал координаты положения головы ,5 ,5 , , , . Координаты ориентации , , (f могут быть измерены датчиками угла поворота, нечувствительными к линейным перемещениям. Координаты места полюса S , S„ , 5? не могут быть непосредственно измерены, так как полюс движений головы — это мнимая точка пересечения осей системы угловых координат, находящаяся внутри головы. Датчиками линейных перемещений можно измерить основные координаты характерных точек. Основные координаты места полюса в этом случае определяются косвенным путем при помощи устройств, выполняющих математические операции над сигналами вышеперечисленных датчиков.
Руководствуясь возможностями практической реализации,зададимся условием, что техническая система, измеряющая координаты положения головы содержит три датчика координат ориентации и три датчика основных координат характерных точек. Каждый из последних трех датчиков чувствителен к перемещению соответствующей ха рактернои точки в плоскости, перпендикулярной к оси, на которой он установлен, и нечувствителен к перемещению точки по данной оси, а именно — датчик, установленный на оси 0Хп выдает электрические сигналы, пропорциональные основным координатам У R и 7 , датчик на оси 0i Yt — сигналы У-16 и %1в , а датчик на оси О Z — сигналы %ІВ и Ц . С учетом сказанного;из систем уравнений (2.37), (2.38), (2.39) можно получить шесть вариантов систем уравнений для определения основных Из анализа уравнений (2.34) и (2.40) ...(2.45) видно, что для получения сигналов, пропорциональных координатам места полюса движений головы, необходимо создать техническую систему, выполняющую арифметические действия и определяющую тригонометрические функции синуса и косинуса от координат ориентации. Оптимальным по точности и сложности технической реализации является вариант (2.44). Уравнения этого варианта содержат минимальное количество членов и операционных связей, что обеспечивает наиболее экономичное построение измерительного преобразователя с минимальными общими методическими и инструментальными погрешностями. После подстановки в систему (2.44) выражений соответствующих косинусов из (2.34) она принимает вид:
Исследование случайных погрешностей
Одним из важнейших факторов, обусловливающих величину случайных погрешностей телевизионной системы измерения координат точечных объектов (информативных точек), является отношение сигнал/шум.
Оно также определяет абсолютную и констрастную чувствительность, разрешающую способность и качество всей системы. Отношение сигнал/шум определяется как отношение сигнала, соответствующего изображению информативной точки, к среднеквадратичному (эффективному) значению шума во всей полосе частот телевизионного канала. Источниками шумов является — флуктуация спектра частот световой энергии, излучаемой информативными элементами (светодиодами, закрепленными на голове оператора); фотонный шум и блики в оптическом звене; флуктуационные шумы фототока от неоднородности характеристик по площади фоточувствительного покрытия мишени и от изменения во времени плотности электронов в считывающем пучке; шум видеоусилителя.
В общем случае наличие шумов в видеосигнале может вызвать ложные срабатывания или пропуски информативных импульсов в амплитудном селекторе, а также флуктуацию фронтов видеоимпульсов от изображений информативных точек. Испытания исследуемой системы показали, что шумовая составляющая видеосигнала носит стационарный характер, а отношение сигнал/шум превышает 20 дБ. Эти условия позволяют так выбрать порог ограничения амплитудного селектора, чтобы ложные срабатывания и пропуски отсутствовали. Флуктуация фронтов приводит к смещению момента срабатывания схемы амплитудного селектора, что влечет за собой появление случайной погрешности в результатах измерения абсцисс информативных точек.
На выходе видеотракта сигнал равен сумме импульсного напряжения от изображения информативных точек, напряжения фона и напряжения шума. Первое из слагаемых несет информацию об измеряемых координатах, второе — оказывает определенное влияние на динамические характеристики видеотракта, а третье эквивалентно сдвигу момента срабатывания порогового устройства в амплитудном селекторе At (рис. 3.3.).
В отсутствие шумов пороговое устройство сработает в момент времени t- , когдаа при наличии шумов — на ДІ раньше — в момент времени (trj-At)i когдагде Uw(t)— общее напряжение шума на выходе канала, U — величина порогового напряжения амплитудного селектора.
В исследуемой системе напряжение шумов иш(і) составляет незначительную часть сигнала u(t) , поэтому и временной сдвиг At будет малой величиной, сравнимой с приращением времени сИ . На этой основе приращения напряжений в уравнении (3.19) заменим дифференциалами и перепишем это уравнение так:
Из уравнения (3.20) с учетом условия (3.18) получено следующее выражение временного сдвига At :
При гауссовом распределении плотности заряда в месте изображенияна мишени видикона информативной точки и при преобладании активного характера нагрузки видеоусилителя напряжение сигнала в первом приближении можно описать следующей формулой Гб9]:где U — амплитуда сигнала; Т — длительность рассматриваемой реализации сигнала;7 — параметр, определяющий длительность импульса от изображения информативной точки.
Здесь принято, что величина параметра 7. равна половине длительности видеоимпульса Іи на уровне тг от уровня фона ІІл , т.е. z = -—— , а длительность Ти определяется параметрами тле-визионного растра:где к — длительность кадра; Я — число строк разложения; к — коэффициент формата кадра; m - число элементов растра, которые перекрывает изображение информативной точки.
В системе принято, что Т, = 40-Ю"3 с, = 625, А- = 1,333 (см. 3.1)), поэтомуПроизводная сигнала (3.22) в момент времени t , когда срабатывает пороговое устройствоУчитывая, что напряжение шумов и его производная случайные величины, некоррелированные с напряжением сигнала, а также то, что первое слагаемое суммы в знаменателе выражения (3.26) значительно больше второго, можно перейти к среднеквадратическим значениям смещения момента срабатывания порогового устройства:
После введения обозначения отношения сигнал/шун Часть правой половины равенства (3.29) без сомножителя -qj соответствует длительности фронта видеимпульса от уровня фона до момента срабатывания порогового устройства. Таким образом, из (3.29) вытекает, что случайные погрешности, обусловливаемые шумами видетракта, прямо пропорциональны длительности переднего фронта информативного видеоимпульса и обратно пропорциональны отношению сигнал/шум этого тракта.
Ещ,е одним источником элементарных случайных помех следует считать инерционность видикона. Инерционность, во-первых, обусловле на конечной скоростью нарастания проводимости участков фоточувствительного слоя мишени, на которые падает пучки света, исходящие от информативных точек. Во-вторых, для разряда соответствующих элементарных распределенных емкостей до уровня, пропорционального освещенности в изображениях точек, также необходимо некоторое время. В-третьих, конечной величины тока электронного пучка, движущегося со скоростью в несколько десятков метров в секунду, недостаточно
Определение суммарных погрешностей измерения координат положения головы с учетом минимизированных случайных погрешностей координат информативных точек
Декартовые координаты информативных точек в исследуемой системе соответствуют результатам прямых измерений. По ним косвенным способом определяются численные значения координат положения головы. Математические зависимости искомых и измеренных прямым методом координат определены системой уравнений (2.59).
В связи с тем, что декартовые координаты информативных точек измеряются приближенно, то и координаты положения головы также будут вычислены с определенной погрешностью. При этом погрешности будут определяться не только точностью прямых измерений, но и видом функциональных зависимостей. Задача сводится к определению погрешностей функций по известным погрешностям аргументов и функциональным зависимостям.
В точностном отношении все зависимости определения координат где У У — ординаты информативных точек на рабочем поле мишени видикона; d — расстояние между информативными точками.і
Случайная погрешность б измерения декартовых координат у и ц имеет нормальное распределение и достаточно малую величину по сравнению с величинами координат. Известно [90J, что в этом случае функцию у можно приближенно заменить членами нулевого и первого порядка ряда Тейлора. Погрешность определения функции тогда будет вычисляться на основе теоремы о сумме дисперсий:
В разработанной системе декартовые координаты обеих информативных точек измеряются с приблизительно одинаковой точностью, поэтому допускается, что
После вычисления частных производных функции (4.26) и подстановки их в (4.29) получаем следующее выражение для определения средне-квадратической случайной погрешности косвенно измеряемых координат ориентации головы: Результаты расчета отношения (4.33) при изменении угла р от 0 до 80 и трех разных значениях расстояния d сведены в таблицу 4.2. Значения d выражены количеством шагов квантования -числом периодов генератора тактовых импульсов. По данным таблицы 4.2 на рис. 4.8 построены зависимости относительной среднеквадра-тической случайной погрешности (4.33) измерения координат ориентации от значений координат при разных значениях расстояний между информативными точками.
По кривым рис. 4.8 видно, что среднеквадратическая случайная погрешность измерения координат ориентации растет с увеличением значения координаты примерно по квадратическому закону при d = 100. При d = 200 и d = 300 в зоне -20 (р 20 эта погрешность меняется мало и приближается к аддитивной погрешности с минимальной величиной, обусловленной погрешностью измерения координат информативных точек. В зонах -45 ср -20 и 20 fp 45 зависимость приобретает мультипликативный характер, а за внешними пределами этих зон — степенной с показателем выше двух. В практике работы эрготехнических систем ни одна из координат ориентации не превышает ±45. В этом диапазоне, обозначенном пунктирными линиями на рис. 4.8, погрешности измерения меняются в приемлемых пределах. Из рис. 4.8 также видно,т что с ростом расстояния d между изображениями информативных точек на мишени ви-дикона погрешность измерении координат ориентации уменьшается. Однако слишком большое расстояние сужает зону линейных перемещений головы оператора. Как было показано в предыдущем разделе, в разработанной системе принято d. = 200. Этому расстоянию соответствует кривая 2 на рис. 4.8.
Аналогичным путем, как б & , найдем и аналитические выражения погрешностей 6"sx , Є$ , Є$ї косвенного измерения координат места полюса движений головы S , S , S соответственно. Функциональные зависимости координат места от декартовых координат информативных точек приведены в последних трех уравнениях системы (2.59).
Выражения (4.36), (4.39) и (4.42) показывают, что случайная погрешность измерения координаты $и не зависит от результатов прямых измерений и носит аддитивный характер; погрешность измерения координаты S — мультипликативная, величина которой зависит от разниц абсцисс информативных точек G , Gz и ординат точек J? , Т?2 ; погрешность измерения координаты S2 наиболее чувствительна к уровню измеряемого сигнала — она зависит от разностей одноименных декартовых координат всех информативных точек кроме разности ординат точек , 7?2 и в общем случае является комбинированной погрешностью. В условиях реальной работы не возникают такие ситуации, чтобы голова наблюдателя одновременно была повернута вокруг всех трех осей системы поступательных координат и линейно смещена по всем трем осям системы основных координат. Поэтому практически никогда все разности выражения (4.42) не будут приобретать одновременно значения, отличные от нуля. При решении большинства задач голова совершает движения только вокруг вертикальной и латеральной осей. В этом случае хвГхьг=0) ц вг ; а погрешность 6S2 вместо (4.42) определяется менее сложной зависимостью :
Полученные выражения (4.36), (4.39) и (4.43) позволяют заключить, что по принятым в измерительной системе функциональным зависимостям (2.59) случайными погрешностями наименее искажаются результаты измерений координаты S„ — линейного смещения полюса движений головы по направлению сагиттальной оси. Эта координата практически наиболее важная по сравнению с Sx и Sz , так как оценивает расстояние зрительного аппарата наблюдателя от окуляра оптического прибора, экрана индикатора или другого объекта наблюдения. Наименьшая точность измерения координаты S не снижает эффектив ности и точности всей системы с точки зрения получения и передачи измерительной информации, ибо линейные смещения головы по направлению вертикальной оси бывают незначительными, во время решения конкретной задачи встречаются редко и поэтому малоинформативны. Погрешность измерения координаты Зу - линейного смещения по направлению латеральной оси — в реальных условиях работы обладает мультипликативной зависимостью от разницы ординат информативных точек 7?х , 7?2 ввиду малости разности " г » о чем было сказано выше. Поэтому можно принять, что
