Исследование автоколлимационных трёхкоординатных систем измерения параметров пространственного поворота объекта Хоанг Ван Фонг

Введение к работе

Актуальность темы исследования

При решении многих метрологических задач в приборостроении, машиностроении, строительстве, энергетике, научной деятельности возникает необходимость определения параметров пространственного поворота объекта.

К указанным метрологическим задачам можно отнести:

а) мониторинговые измерения угловых смещений деформаций нагружен
ных частей промышленных, транспортных, энергетических сооружений: опор,
колонн, несущих балок при их деформации вследствие разнонаправленных си
ловых воздействий, реализуемые с целью контроля их состояния и повышения
безопасности функционирования;

б) измерение угловых деформаций в процессе экспериментальных иссле
дований влияния нагрузок на образцы новых материалов, натурных испытаниях
на устойчивость элементов конструкций и их физических моделей;

в) определение углового пространственного положения причаливаемого
объекта при стыковке в воздухе или космосе;

г) измерение поворотов масштабных моделей новых плавающих средств
при их испытаниях в опытовых бассейнах;

д) определение угловых уходов от номинального взаимного положения ба
зовых элементов навигационных и измерительных систем вследствие весовых,
температурных и инерционных деформаций для использования полученных дан
ных в системах компенсации и адаптации возникших рассогласований;

е) уточнение пространственного положения оси протяжённых объектов
при наличии преобладающего вращательного движения или деформаций скру
чивания - подобные измерения проводятся при уточнении углового положения
осей поворота крупногабаритных изделий (оси азимутального и зенитного пово
ротов зеркал телескопов и радиотелескопов, валы, трубы газа и нефтепроводов);

ж) выверка точности установок блоков оборудования и агрегатов в энерге
тике, строительстве, промышленных производствах при монтаже и работе.

Для определения углов поворота объектов во многих случаях применяются оптико-электронные углоизмерительные автоколлиматоры (АК), позитивным свойством которых является бесконтактность измерения, под которой понимается отсутствие необходимости использования электрического или радиоэлектронного канала связи с объектом контроля.

Автоколлиматор, включающий излучающую и приёмную системы, размещается на некотором базовом (базисном) объекте, на контролируемом объекте размещается зеркальная или призменная система, образующая отражающий автоколлимационный контрольный элемент (АКЭ).

При решении указанных метрологических задач с базовым объектом связывается неподвижная система координат XYZ, с контролируемым объектом -подвижная система координат X₁Y₁Z₁оси которой при отсутствии углов поворота объекта сонаправлены осям системы координат XYZ (рисунок 1). Ось OZ параллельна линии, соединяющей базовый и контролируемый объекты.

Рисунок 1 - Параметры пространственного поворота объекта При решении указанных метрологических задач для получения необходимой информации об угловом положении контролируемого объекта, а также формирования управляющих, корректирующих, компенсирующих воздействий на него необходимо измерение его пространственного поворота, который определяется положением его оси, задаваемым азимутальным и зенитным углами, а также величиной угла поворота относительно этой оси.

Однако алгоритмы автоколлимационного измерения трёх координат ,, пространственного поворота и средства их реализации в настоящее время практически не исследованы. Известные реализации трёхкоординатных автоколлиматоров измеряют эквивалентные углы ₁,₂ ,₃ последовательных поворотов

системы координат X1Y1Z1 относительно собственных осей, пересчёт которых к требуемым величинам ,, увеличивает погрешность определения параметров пространственного поворота.

Указанное обстоятельство определяет актуальность темы диссертации, посвящённой исследованию и оптико-электронных автоколлимационных средств измерения параметров пространственного поворота.

Степень разработанности проблемы

Оптико-электронные автоколлимационные средства измерения трёх угловых координат рассматривались в работах Панкова Э.Д., Бондаренко И.Д., Процко СВ., Джабиева А.Н.. Исследовались свойства зеркальных и призменных систем, действующих в качестве АКЭ, а также возможные схемные решения трёхкоординатных автоколлиматоров. Оптимизация параметров АКЭ и автоколлиматора в целом выполнялась по критерию уменьшения погрешности измерения трёх углов 0₁, @₂, ₃ последовательных поворотов системы координат, связанной с АКЭ относительно собственных осей. Параметры пространственного поворота и основанные на них алгоритмы автоколлимационных измерений при этом непосредственно не анализировались.

Описание углового положения оптических элементов через параметры пространственного поворота с использованием алгебры кватернионов исследовалось в трудах Сивцова Г.П., Потепуна В.Е., Кручининой Н.И., Грейма ИА.

Анализировались пути повышения точности юстировки зеркальных и призмен-ных компонентов оптических приборов, однако автоколлимационные измерительные средства не рассматривались.

В диссертационной работе объектом исследования являются оптико-электронные трёхкоординатные автоколлиматоры для измерения параметров ,, пространственного поворота, построенные по традиционной схеме «автоколлиматор - АКЭ».

Предмет диссертационного исследования - алгоритмы автоколлимационных измерений, соотношения, методы расчёта параметров и особенности реализации АКЭ для трёхкоординатных измерений параметров пространственного поворота, метрологические характеристики трёхкоординатных измерительных средств.

Целью диссертационной работы является исследование путей повышения точности определения параметров пространственного поворота автоколлимационным методом, включая применение новых алгоритмов трёхкоординатных измерений, а также принципов построения и методов расчёта параметров автоколлимационных контрольных элементов для их реализации.

Задачи исследования

1. Проанализировать метрологические свойства известных трёхкоординатных автоколлиматоров и используемых автоколлимационных контрольных элементов, а также реализуемые ими алгоритмы измерения, определить пути дальнейших исследований.

2. Исследовать варианты алгоритмов трёхкоординатных измерений с использованием автоколлимационных углоизмерительных систем, разработать алгоритм измерения, позволяющий уменьшить погрешность измерения трёх параметров пространственного поворота контролируемого объекта.

3. Опре делить принципы построения АКЭ и зависимости, связывающие
их системные параметры при реализации алгоритмов измерения трёх параметров
пространственного поворота, оптимизировать найденные соотношения по кри
терию уменьшения погрешности их измерения.

4. Найти соотношения между параметрами конфигурации и синтезиро
вать АКЭ для измерения параметров пространственного поворота на основе зер
кальных и призменных отражающих систем.

5.Реализовать компьютерные модели алгоритма определения параметров пространственного поворота по измеренным координатам ортов отражённых пучков, исследовать влияние отклонений параметров оптических элементов на величину погрешности измерения.

6. Разработать на основе полученных теоретических положений макет трёхкоординатной автоколлимационной системы, выполнить экспериментальные исследования алгоритмов измерения параметров пространственного поворота с использованием синтезированных АКЭ.

Научная новизна работы заключается в том, что

1. Разработан новый алгоритм измерения трёх параметров

пространственного поворота объекта с помощью автоколлимационных систем.

2. Определены принципы построения автоколлимационных контрольных элементов для реализации этого алгоритма, использование которых позволяет уменьшить погрешность измерения параметров пространственного поворота объекта.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что:

3. Сформированы варианты структуры алгоритма определения всех трёх параметров пространственного поворота объекта при автоколлимационных измерениях углового положения объекта.

4. Доказана возможность уменьшения погрешности измерения параметров пространственного поворота при использовании автоколлимационных контрольных элементов (АКЭ) и найдены необходимые зависимости между их системными параметрами.

5. Установлено оптимальное по критерию уменьшения погрешности измерения положение оси пространственного поворота объекта относительно неизменных направлений АКЭ.

4. Найдены соотношения между параметрами конфигурации зеркальных и призменных отражающих систем, позволяющие реализовать АКЭ для измерения трёх параметров пространственного поворота.

5. Определены зависимости между параметрами конфигурации АКЭ и погрешностью измерения параметров пространственного поворота.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Создан практический алгоритм определения параметров пространственного поворота объекта с помощью автоколлимационных систем, основанный на операциях алгебры кватернионов, использование которого позволяет уменьшить погрешность измерения по сравнению с известными алгоритмами.

2. Разработана методика расчёта параметров конфигурации АКЭ в виде системы зеркал и эквивалентных им стеклянных тетраэдрических отражателей и четырёхгранных пирамид, позволяющих реализовать алгоритм измерения параметров пространственного поворота.

3. Определена структура алгоритма моделирования и синтезирована на его основе имитационная компьютерная модель автоколлимационного измерения параметров пространственного поворота, эксперименты с которой позволили проанализировать степень влияния различных первичных погрешностей измерения.

4. Разработан метод задания пространственного поворота объекта при экспериментальных исследованиях макетов АКЭ.

5. Результаты экспериментального исследования алгоритмов измерения параметров пространственного поворота, полученные на спроектированном и реализованном макете трёхкоординатной автоколлимационной системы подтвердили возможность реализации предложенного алгоритма измерения, а также правильность разработанных методик расчёта параметров конфигурации АКЭ.

Реализация и внедрение результатов работы. Практическая значимость проведённых исследований подтверждена актами использования результатов

диссертации. В частности, практический алгоритм определения трёх параметров пространственного поворота при автоколлимационном измерении углового положения фрагментов составного главного зеркала телескопа использован кафедрой Оптико-электронных приборов и систем Университета ИТМО при выполнении НИР №216602 (номер гос. регистрации АААА-А16-116042610039-1) «Исследование принципов построения и особенностей реализации методик испытаний оптико-электронных измерительных каналов системы контроля космического телескопа «Миллиметрон»; методики расчёта параметров автоколлимационных контрольных элементов в виде зеркальных триэдров и эквивалентных им стеклянных тетраэдров, позволяющих уменьшить погрешность измерения параметров пространственного поворота фрагментов деформируемых конструкций, использованы Международной научной лабораторией «Техносферная безопасность», входящей в состав Международного института «Фотоника и оптоинфор-матика» Университета ИТМО при выполнении НИР 713553 «Разработка физических принципов, материалов, устройств и систем оптических быстрых и защи-щённых коммуникаций, дистанционного зондирования объектов».

Методологией и методами исследования в данной работе являются: соотношения линейной алгебры и алгебры кватернионов при построении алгоритмов автоколлимационных измерений, векторно-матричные методы при анализе зеркальных и призменных отражающих систем, включая теорию неизменных направлений отражателя. В экспериментальной области для исследования соотношений между параметрами оптических систем, анализе алгоритмов и погрешностей измерения используются детерминированные и имитационные компьютерные модели, а также макеты автоколлимационных контрольных элементов и трёхкоординатных автоколлимационных систем.

Положения, выносимые на защиту

6. Алгоритм измерения углового положения объекта с помощью автоколлимационных систем, аналитически выраженный в виде линейного преобразования алгебры кватернионов, параметрами которого являются азимутальный и зенитный углы положения оси поворота и величина угла поворота относительно этой оси позволяет уменьшить погрешность измерения по сравнению с известным алгоритмом в виде матричных преобразований, параметры которого – эквивалентные величины углов трёх последовательных поворотов объекта относительно трёх разноимённых ортогональных осей координат.

7. При реализации алгоритма измерения трёх параметров пространственного поворота объекта с повышенной точностью, АКЭ должен быть эквивалентен двум отражателям, угол поворота пучка относительно неизменного направления отражателя (ННО) одного из них (например, второго) равен =180± ( - малый угол), а другие системные параметры определяются по одному из следующих четырёх вариантов:

а) обратное ННО коллинеарно орту падающего пучка и линии визирования контролируемого объекта, угол поворота пучка при отражении относительно ННО = 0 (первый отражатель); ННО второго отражателя обратное и совпадает с биссектрисой угла, образованного линией визирования и перпендикулярной к

ней осью;

б) соответствует предыдущему варианту, но угол поворота пучка отно
сительно ННО для первого эквивалентного отражателя равен =180±, а ННО
второго коллинеарно оси, перпендикулярно линии визирования контролируе
мого объекта;

в) соответствует варианту а), но второй эквивалентный отражатель
имеет прямое ННО, которое расположено коллинеарно оси, перпендикулярно
линии визирования контролируемого объекта

г) оба эквивалентных отражателя имеют прямые ННО, образующие пря
мой трёхгранный угол с линией визирования объекта, при этом для первого от
ражателя угол поворота пучка при отражении равен =180.

3. Для уменьшения погрешности измерения два несовпадающих ННО эквивалентных отражателей, составляющих АКЭ, должны быть расположены в плоскости оси пространственного поворота и составлять с ней равные углы.

4. Оптимальными по критерию уменьшения погрешности измерения параметров пространственного поворота являются следующие конфигурации АКЭ:

а) композиция из зеркального триэдра и установленного перед ним по
лупрозрачного зеркала, при этом один из трёх двугранных углов триэдра имеет
заданное отклонение от прямого и ребро этого угла составляет угол 45 с норма
лью к плоскости зеркала;

б) зеркальный триэдр или стеклянный тетраэдр, двугранные углы между
отражающими гранями которого имеют некоторые отклонения от 90, величины
отклонений определяются найденными соотношениями;

в) прямоугольная призма, угол между отражающими гранями которой
имеет малое отклонение от 90;

г) стеклянная пирамида, эквивалентная двум прямым двугранным зерка
лам с перпендикулярными рёбрами, одно из которых имеет малое отклонения
двугранного угла от 90.

Личный вклад автора: Все результаты, представленные в работе получены лично автором или при его определяющем участии.

Достоверность полученных результатов подтверждается строгостью доказательств и утверждений, корректным использованием математического аппарата, достоверностью применяемых математических моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований и экспериментов на компьютерных моделях и макете трёхкоординатной автоколлимационной системы измерения параметров пространственного поворота, а также печатными работами и обсуждением результатов исследований на российских и международных конференциях.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 15 конференциях, 8 из которых международные: Optical Measurement Systems for Industrial Inspection IX,X (Мюнхен, Германия, 2015 и 2017 гг.); Optical sensors (Прага, Чешская Республика, 2017 г.); Optical Sensing and Detection IV,V (Брюссель, Бельгия, 2016 г.; Страсбург, Франция, 2018 г.); «Sensorica 2015»

(СПб, Россия, 2015 г.); X международной конференции молодых учёных и специалистов «Оптика-2017» (СПб, Россия, 2017 г.); IX международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2016» (СПб, Россия, 2016 г.); а также на XLV, XLVI, ХLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО (СПб, Россия, 2016, 2017 и 2018 гг.); IV, V, VI, VII Всероссийском конгрессе молодых учёных (СПб, Россия, 2015, 2016, 2017, 2018 гг.).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликованы 14 научных работ: 3 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК и 7 статей в изданиях, включённых в международную базу цитирования Scopus и Web of Science, 4 - в сборках трудов конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 111 наименований. Общий объем работы составляет 131 страницу, включая 5 таблиц, 58 рисунков.

Работа была выполнена на кафедре Оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО).