Содержание к диссертации
Введение
1. Основные пути расширения диапазона измерения и повышения точности оптико-электронных сисем измерения пространственных координат 22
1.1. Обобщенная структура измерительной системы 22
1.2. Принципы классификации измерительных схем 24
1.2.1 Выводы из обзора типовых схем ОЭС ИКПП 33
1.2.1. Формулировка предмета проводимых исследований 33
2. Принципы построения оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов 39
2.1. Выбор и обоснование элементов структурной схемы исследуемых систем 39
2.1.1. Структура исследуемой системы 39
2.1.2. Обобщенная схема ОЭС построенной по методу угловой засечки.40
2.1.3. Обобщенная схема ОЭС построенной по методу «обратной угловой засечки» 44
2.1.4. Метод анализа вариантов ОЭС 46
2.2. Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения 47
2.3. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта в Плоскости перемещения 47
2.4. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта по оптической оси ИОЭП (измерение расстояния) 49
2.5. Чувствительность к поворотам контролируемого объекта 52
2.5.1. Расположение визирных целей при построении ОЭС измерения ... пространственного положения объекта 52
2.5.2. Особенность измерения угловых координат в ОЭС второго типа55
2.6. Выводы по материалам главы 56
3. Анализ точности оптико-электронных систем . измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов 59
3.1. Измерение параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов 59
3.1.1. Измерительная задача 59
3.2. Расположение ИОЭП и ВЦ ОЭС 61
3.2.1. Элементная база ОЭС 62
3.3. Основные габаритные соотношения 63
3.4. Проверочный энергетический расчет 65
3.5. Анализ основных составляющих погрешности измерения 67
3.5.1. Первичные погрешности 67
3.5.2. Оценка величины первичной погрешности измерения координат изображений на чувствительной площадке матриц 68
3.5.3. Оценка величины первичной погрешности - отклонения величины базы от номинального значения 69
3.6. Расчет частичных погрешностей измерения /24/ 71
3.6.1. Оценка погрешности измерения расстояния до контролируемого объекта (координаты по оси визирования OZ) 71
3.6.2. Оценка погрешности измерения линейных смещений в плоскости перемещения 74
3.6.3. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС «обратной угловой засечки» 75
3.6.4. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС «угловой засечки» 77
3.6.5. Резюме по расчету составляющих погрешности измерения 79
4. Разработка имитационной модели и экспериментальное исследование оптико-электронной системы измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов 81
4.1. Алгоритм измерения ОЭС «обратной угловой засечки» 81
4.2. Принципы построения модели ОЭС «обратной угловой засечки»86
4.3. Анализ результатов экспериментального исследования модели ОЭС.С помощью реализованной модели выполнялись экспериментальные исследования влияния различных составляющих погрешности измерения на точность измерения 89
4.3.1. Зависимость погрешности измерения линейных и угловых координат от смещений и поворотов контролируемого объекта 89
4.3.2. Зависимость погрешности измерения координат объекта от погрешности измерения координат изображений визирных целей 90
4.4. Резюме по материалам главы 94
5. Экспериментальное исследование оптико- электронной системы измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов на макете 95
5.1. Разработка алгоритмов измерения параметров изображения марки95
5.2. Выбор общей методики экспериментальных исследований 99
5.3 Последовательность исследования ОЭС 101
5.4 Состав макета ОЭС 102
5.5 Результаты экспериментального исследования макета ОЭС МТ105
Заключение 113
Список использованных источников 116
- Принципы классификации измерительных схем
- Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения
- Анализ основных составляющих погрешности измерения
- Анализ результатов экспериментального исследования модели ОЭС.С помощью реализованной модели выполнялись экспериментальные исследования влияния различных составляющих погрешности измерения на точность измерения
Введение к работе
-3-I
Актуальность работы. Одним из направлений развития техники, является внедрение автоматизированных средств измерения взаимного положения частей или объектов, в реальном времени с применением вычислительных средств. Это позволяет обеспечить повышение производительности оборудования, снизить затраты труда на подготовительные операции, сэкономить ресурсы, повысить объективность контроля и сократить ручной труд.
Можно выделить следующие измерительные задачи.
-
Обеспечение монтажных операций в строительстве, на производстве при необходимости точной ориентации сопрягаемых объектов, определения взаимного расположения их в процессе монтажа. Например -контроль точности позиционирования при установке ферм, стеновых панелей, монтаже оборудования и т.д.
-
Обеспечение юстировочных операций. При производстве новых образцов различного вида транспорта, создание установок для научных исследований требует точного контроля положения составляющих при их сборке, юстировке и последующей эксплуатации. Например, такие измерения обязательны при заключительных операциях сборки и юстировки авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, блоков ускорителей заряженных частиц и т.д.
-
Мониторинг поведения промышленных, инженерных и жилых сооружений, энергетических установок, для повышения надёжности и безопасности, их эксплуатации. Определяет необходимость оперативного контроля деформаций и прогибов нагруженных элементов конструкций сооружений.
4. Определение пространственного положения свободно переме
щающихся объектов, относительно друг друга. Такие задачи решаются
при разработке новых образцов транспортных средств, необходимая раз
работчикам информация в значительной степени заключена в динамике
-4-движения и изменения ориентации модели. А так же необходимо проводить измерение координат буксируемых объектов, стыкуемых космических аппаратов (КА), для обеспечения маневрирования К А согласно заданным условиям сближения.
Развитие оптоэлектронной элементной базы и основанных на ней средств измерения делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронные измерительные системы, отвечающие требованиям реализации многокоординатных, высокоскоростных и бесконтактных измерений с автоматизацией снятия отсчета и повышенной достоверностью получаемой информации.
На практике часто требуется контролировать перемещения контролируемого объекта на расстояние от метра и до нескольких десятков метров. При этом диапазон измеряемых поперечных смещений может лежать пределах метров, а погрешность измерения должна составлять порядка миллиметров. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, характеризуемых изменением температуры окружающей среды в широких пределах, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).
В указанных условиях эксплуатации измерительных систем на первое место выдвигаются, кроме обеспечения необходимой погрешности измерений, требования широкого диапазона измерений и малой энергоемкости систем. Выполнение этих требований можно обеспечить лишь соответствующим выбором физических принципов построения измерительных систем, методов и алгоритмов обработки сигналов, а также технических решений при разработке и производстве измерительных систем.
Для решения задачи автоматизированного контроля положения с объектом связываются визирные цели, фиксирующие три и более его контрольных точки. Изображения визирных целей регистрируются оптико-
-5-электронным измерительным преобразователем, включающем в общем случае несколько измерительных каналов, с отдельными анализаторами на основе матричных фотоприемников, и с последующей компьютерной (микропроцессорной) обработкой видеокадра. При этом предварительная обработка измерительной информации может осуществляется в непосредственной близости от анализатора, что увеличивает помехозащищенность системы в целом и исключает избыточность информации.
Предметом диссертационного исследования являются особенности алгоритмов функционирования оптико-электронных систем, реализующей триангуляционный метод измерения, соотношения между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, составляющие погрешности измерения, их взаимосвязь и влияние на суммарную погрешность измерения.
Целью диссертационного исследования является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, теоретический анализ и экспериментальные исследования оптико-электронной системы измерения пространственного положения кооперируемых объектов, реализующей алгоритм триангуляционных измерений.
Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач;
проанализировать принципы построения, структуру, основные параметры используемых систем определения пространственного положения по критерию соответствия указанным требованиям;
по результатам анализа реализованных систем разработать принципы построения и методики расчета оптимальных параметров оптико-электронных систем на основе метода триангуляции (ОЭС МТ) для измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов на основе метода триангуляции;
- разработать принципы построения и реализовать компьютерные
модели для исследования ОЭС МТ на системотехническом уровне;
на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов ОЭС МТ и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность);
на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования влияния основных составляющих погрешности измерения ОЭС МТ на суммарную погрешность;
используя полученные соотношения, спроектировать и реализовать макет ОЭС МТ и выполнить его экспериментальные исследования.
Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать соотношения геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы.
В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов измерения пространственных координат используются детерминированных, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов измерительной системы. Модели реализованы на основе компьютерной технологии MathCAD и исследуются методом статистических испытаний. Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ОЭС МТ, моделирующем основные узлы и алгоритмы функционирования системы.
Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты аналитического обзора схем и разработанные на их основе принципы классификации ОЭС МТ.
1.1. По методу измерения пространственных координат кооперируемых объектов ОЭС МТ разделяются на системы, построенные по методу
-7-«линейных засечек», «угловых засечек» и «обратных угловых засечек». В ОЭС МТ построенной по методу «линейных1 засечек» производится измерение дистанции до контрольных точек объекта, и только потом производится вычисление координат объекта. Системы «угловой засечки» и обратной угловой засечки» измеряют углы визирования на контрольные точки объекта и после этого происходит вычисление пространственного положения объекта.
1.2. В системах «обратной угловой засечки» величины пространст
венных координат контрольных точек объекта определяются в результате
единой итерационной процедуры измерения и последующей обработки
некоторых общих величин - координат изображений контрольных точек в
одной общей плоскости анализа. В системах «угловой засечки» определе
ние пространственных координат каждой из контрольных точек объекта
по отдельности и потом за один цикл вычисляются координаты контроли
руемого объекта.
2. Соотношения для чувствительности ОЭС МТ к различным пространственным координатам, по теоретическим выкладкам.
2.1. Чувствительность измерения угловых координат и как линейных координат в плоскости перемещения в ОЭС МТ обоих видов обратно пропорциональна дальности до контролируемого объекта, а чувствительность измерения дальности - обратно пропорциональна квадрату дальности.
2.2 Чувствительность измерения в ОЭС МТ обоих видов по дальности и угловым координатам прямо пропорциональна произведению базового расстояния между контрольными точками объекта (для ОЭС МТ типа «угловой засечки» - между центрами апертур объективов двух приемных каналов) на фокусное расстояние объектива.
-
При измерении линейных смещений контролируемого объекта ОЭС «угловой засечки» потенциально более чувствительна к измеряемой величине по сравнению с ОЭС МТ «обратной угловой засечки».
-
Соотношение чувствительности измерения дальности до объекта
-8-и чувствительности измерения линейных координат объекта в плоскости перпендикулярной линии визирования связано найденным функционалом.
3. Результаты теоретического анализа составляющих погрешности
измерения.
3.1. Наиболее значимой систематической составляющей является
погрешность вследствие отклонения фокусного расстояния от номиналь
ного значения, что определяет необходимость ее компенсация. Принципи
альная возможность компенсации следует из систематического характера
погрешности.
-
Наиболее значимой флуктационной составляющей погрешности измерения является составляющая вследствие погрешности измерения координат изображения в плоскости анализа из за шумов и дискретности фоточувствительной матрицы.
-
Для ОЭС МТ «угловой засечки» погрешность измерения углов поворота относительно осей в коллимационной плоскости превышает погрешность измерения этих угловых координат по сравнению с ОЭС МТ «обратной угловой засечкой» в соответствии с найденной функциональной зависимостью.
4. Результаты экспериментального исследования первичных по
грешностей измерения на компьютерной модели.
-
Относительная погрешность измерения ОЭС МТ двух типов незначительно, на 1% увеличивается при смещениях объекта относительно согласованного положения. Зависимость погрешности измерения координат от величины углов поворота объекта отсутствует в пределах точности эксперимента.
-
Погрешности измерения ОЭС МТ линейно зависит от погрешности измерения координат изображений визирных целей в плоскости анализа и пофешности определения базовых расстояний и нелинейно - от пофешности определения фокусного расстояния.
5. Защищаются результаты экспериментального исследования маке-
-9-та ОЭС МТ на основе метода обратной угловой засечки, подтверждающие правильность полученных теоретических соотношений.
Также защищаются разработанные автором:
-принципы построения алгоритмической модели ОЭС МТ «обратной угловой засечки»;
- многопроходный алгоритм обработки изображения с предварительным анализом регистрируемой сцены (особенностей расположения трех точечных изображений) и уточненным вычислением координат контролируемого объекта;
-методика экспериментального исследования составляющих погрешности измерения ОЭС МТ с использованием разработанных моделей и макетов.
Практическая ценность работы.
-
Получены выражения для расчёта чувствительности измерения линейных и угловых координат ОЭС МТ «угловой засечки» и «обратной угловой засечки» типов;
-
Выполнен анализ составляющих погрешности измерения ОЭС МТ двух типов: «угловой засечки» и «обратной угловой засечки» для практического варианта;
-
Разработаны принципы построения и реализована компьютерная модель ОЭС МТ «обратной угловой засечки».
-
В результате экспериментов на моделях ОЭС МТ получены данные, позволяющие выработать пути повышения точности измерения.
-
Результаты экспериментов с макетом ОЭС МТ «обратной угловой засечки» подтвердили возможность практической реализации высокоточной шестикоординатной системы измерения пространственного положения кооперируемых объектов.
Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем:
-10-в отраслевой лаборатории кафедры Оптико-электронных приборов и систем ГУ ИТМО, а также в учебном процессе ГУ ИТМО.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
XXXII научная и учебно-методическая конференция СПб ГИТМО (ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, 2003 года;
Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003», Санкт-Петербург, 2003 г;
ХХХШ учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГУИТМО, 2004 года;
XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 2005 года;
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики. II межвузовская конференция молодых учёных, 2005 года;
Четвертая международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2005» Санкт - Петербург, 2005 г.;
-VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006.
В 2006 году исследования по тематике диссертации получили поддержку в рамках гранта Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 128 страниц, включая 8 Таблиц, 43 рисунка; библиографический список включает 46 наименований.
Принципы классификации измерительных схем
Как было сказано выше будет рассматриваться системы, основанные на принципах геометрической оптики.
Классификацию приборов для высокоточных измерений координат можно осуществить по широкому кругу признаков, выбор которых выполняется в зависимости от принципов построения или характера их использования. Их можно объединить в ряд групп по различным признакам: назначение и область применения, метода измерения, вида ВЦ, степени автоматизации измерения, параметры оптического сигнала, диапазона измерения, способа измерения и т.д. (рис.3.)
Следует отметить, что между всеми классификационными признаками существуют прямые и косвенные связи; на этом основание можно упростить классификацию (оставив только основные, важные признаки) систем измерения параметров пространственной ориентации (ОЭС ИКПО) кооперируемых объектов в сторону упрощению, и объединены в ряд групп по признаку реализуемого принципа измерения и типу ВЦ (рис.1.2.).
Измерительные системы определения координат кооперируемых объектов основанные на геометрической оптике могут быть построенные по трём разным схемам: метод линейной засечки, метод угловой засечки и системы, построенные по методу обратной угловой засечки.
Две последних системы могут быть построены как с пассивными, так и активными ВЦ. По известным базовым расстояниям В1,В2,ВЗ и измеренным дальностям L1,L2L3 определяются координаты X,Y,Z контролируемой точки.В основе приборной оптико-электронной реализации метода лежит измерения расстояний L1,L2,L3 дальномером.
Согласно методу, зная базу между реперными точками и расстояние до контрольных точек на объекте и решив систему уравнений (1.1.) можно найти координаты контролируемого объекта; пусть в начале системы координат XYZ будет располагаться первая реперная точка, вторая реперная точка будет смещена по X и Y, а третья точка смещена по X, тогда систему уравнений можно упростить:где x,y,z - координаты точек по осям абсцисс, ординат и аппликат, соответственно,а,Ь - смещение координат второго дальномера по осям абсцисс и ординат, соответственно,с - смещение координат третьего дальномера по оси ординат,L1,L2,L3 - расстояние от реперных точек до контролируемых точек (в данном случае до ВЦ, установленных на объекте).Произведя необходимые подстановки, получим, что:
В общем случае решения уравнений (1.2.) будет две точки, пересечения сфер, с радиусами Ц, выбор точки производится согласно знака по оси Z в соответствие с выбранным направлением на объект. Произведя последовательную подстановку данных для всех ВЦ, установленных на контролируемом объекте, в итоге получим его координаты в базовой системе XYZ.
При использование метода угловой засечки необходимо использовать измерительную систему с двумя идентичными измерительными каналами, которые буду играть роль двух реперных точек. С этих точек измеряются углы визирования (угол между оптической осью объектива и направлением на контролируемую точку) в вертикальной и горизонтальной плоскостях (см. рис. 1.4.).По измеренным углам визирования фі, ф2, vb v и известной величине базового расстояния В определяются координаты XYZ контролируемой точки [2].
Как было заявлено выше, в этой системе, ИОЭП включает два идентичных приемных канала, каждый из которых состоит из объектива и матричного приемника оптического излучения (ПОИ). Угловые поля видеосистем перекрываются, обеспечивая визирование контролируемого объекта в области его маневрирования; центры объективов видеосистем расположены на известном базовом расстоянии В.
Начало неподвижной системы координат XYZ может совпадать с центром объектива одного из приемных каналов, ось OZ может быть параллельна оптической оси объектива, в зависимости от конкретной реализации. Также вводится вспомогательная неподвижная система координат XbYbZb, аналогичным образом связанная со вторым приемным каналом (первому приёмному каналу для удобства сопоставляется система координат XaY a).
В соответствии с методом, приемными каналами определяются углы: р\, р2 и v\,v2 визирования каждой ВЦ, по которым вычисляются координаты трех контрольных точек в неподвижной системе координат XYZ; далее, по этим координатам находятся параметры угловой ориентации контролируемого объекта. В плоскости анализа, матричный ПОИ, измеряется координаты xah уаи гщ (i=1,2,3) изображений трех ВЦ относительно системы координат XYZ.
Аналогично в плоскости анализа второго приемного канала определяются координаты xbj, ybu zbt (i=l,2,3) изображений тех же ВЦ относительно системы координат XbYbZb. Затем для каждой ВЦ определяются углы визирования ((ра{ и vah - первым приемным каналом и, соответственно, pbj и vb, - вторым приемным каналом):ще/- фокусное расстояние объективов приемных каналов;xat yat ,xbi ybu (i=1,2,3) - координаты изображений трех ВЦ на матричном приемнике измерительных каналов, определенные в системах координат XaYaZa и XbYtZb, соответственно.
Далее, по алгоритму метода угловых засечек осуществляется пересчет измеренных координат изображений в координаты щуі z, (i=1,2,3) ВЦ в неподвижной системе координат XYZ. Если начало системы координат XYZ совпадает с узловой точкой объектива первого приемного канала, то координаты ВЦ определяются выражениями/61 /:где В - базы между осями объективов;ХІ,УІ,2І (і= 1,2,3) — координаты трех ВЦ, установленных в соответствующих контрольных точках.
Далее, координаты орта оси 0X1 в системе координат XYZ находятся как направляющие косинусы вектора R прямой, проходящей через контрольные точки 3 и 2, определяемые соответствующими ВЦ:где cos(axl);cos(fizl);cos(yJ[])- углы между ортом оси 0X1 и ортамиосей OX, OY, OZ, соответственно,d32- расстояние между точками 3 и 2.
Координаты орта оси OY1 в системе координат XYZ находятся как направляющие косинусы вектора N нормали к плоскости XlOjZl, проходящей через три контрольные точки 1,2,3. Например, после приведения уравнения плоскости в векторной формегде rl, г2, гЗ , - радиус-векторы точек 1,2 и 3,г = (х, у, z) - радиус-вектор произвольной точки плоскости, к нормальномувиду.Направляющие косинусы вектора N нормали находятся как коэффи
Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения
В рассматриваемых системах ОЭС «обратной угловой засечки» линейные и угловые координаты контролируемого объекта определяются по измеренным координатам трех (и более) его точек в базовой системе координат.
В контрольных точках расположены ВЦ в виде точечных источников излучения. При измерении углов поворота измерительным преобразователем (одним или двумя) измеряются координаты изображений ВЦ в плоскостях анализа ИОЭП, после чего определяются координаты трех ВЦ в базовой системе координат XYZ, связанной с ИОЭП.
Рассмотрим зависимость чувствительности ИОЭП к линейным и угловым перемещениям от габаритных параметров оптических элементов.
При анализе используем принцип раздельного рассмотрения в соответствии с которым будем полагать, что линейные смещения объекта вдоль осей OX,OY,OZ задаются поочередно. Повороты объекта относительно осей OXl,OYl,OZl также рассматриваются поочередно. Этот прием позволяет упростить анализ и оценить приблизительно чувствительность ОЭС.
Пусть в исходном положении ВЦ 1 совпадает с началом координат 0\ системы X1Y1Z1. После смещения х по оси OjXl до положения 2 в так называемой «плоскости перемещения объекта», под которой понимается плоскость OjXlYl, изображение Г в плоскости анализа А - задний фокальный отрезок, определяющий положение плоскости анализа как плоскости, сопряженной с плоскостью расположения ВЦ1.
Из сравнения параметров рассматриваемых систем и их практического использования можно сделать вывод, что почти всегда фокусное расстояние /объектива 3 ИОЭП значительно меньше расстояния L до контролируемого объекта и, следовательно, выполняются соотношения :
Измеренная координата х и чувствительность ОЭС к линейному смещению объекта определяется: Аналогично можно показать, что чувствительность к линейным смещениям в плоскости перемещения OiXlYl, но по оси OY1 определяется таким же соотношением. (2.10).
Из выражения (2.10) следует, что чувствительность к линейным смещениям в плоскости перемещения OjXl Y1 в рамках принятых приближений не зависит от взаимного расположения ВЦ. В принципе, при размещении ВЦ в точке пресечения осей поворота контролируемого объекта для определения линейных координат достаточно одной ВЦ, для систем построенных по методу угловой засечки
Измерение координаты контролируемого объекта по оси OZ (расстоя-- ния до плоскости перемещения) реализуется различными методами для двух рассматриваемых видов ОЭС.В ОЭС «угловой засечки» измерение координаты OZ выполняется триангуляционным методом.Согласно методу, используются два ИОЭП с объективами 3 и 3 - см. рис. 2.7. Оси объективов параллельны оси OZ и расположены на базовом расстоянии В друг от друга.
Пусть ВЦ 1 находится в начале системы координат, связанной с объектом.Каждый ИОЭП измеряет угол между направлением на ВЦ1 и оптической осью объектива, дополняющий углы фі, ф2 в основании треугольника: ВЦ, объектив 3, объектив 3 - до 90.
В результате дистанция L (координата по оси OZ, равная высоте этого где xl, х2 - координаты изображений ВЦ1 в плоскостях анализа первого и второго ИОЭП, соответственно. После подстановки соотношений (2.12),(2.13) в выражение (2.11) с учетом малости отношения x /f, которое позволяет принять arctg(x //) x /f получаем:
В выражениях (2.14),(2.15) координаты xl,x2 указываются со знаком. В общем случае при наличии смещения ВЦ1 по оси OY для определения дистанции необходимо измерять и координаты изображений по оси OY.В ОЭС третьего типа измерении координаты OZ выполняется параллактическим методом.
По этому методу используются две визирные цели ВЦ 1 - см. рис. 2.8. Визирные цели расположены в плоскости перемещения XlOjYl на известном базовом расстоянии Ъ друг от друга. Пусть обе ВЦ расположены вдоль оси 0X1 системы координат, связанной с объектом.хГ,х2 - координаты изображений Г,2 измерительных марок в плоскости анализа ИОЭП, определяемые по выражению (2.9). Поскольку отрезки принадлежат пропорциональным треугольникам, получаем для искомой координаты OZ точки Oj - искомого расстояния L:
Чувствительность измерения:В общем случае расположения ВЦ в плоскости OiXlYl для определения величины отрезка У между изображениями ВЦ необходимо измерять и координаты у изображений по оси OY.
Для измерения углов поворота контролируемого объекта выполняется измерение координат не менее чем двух ВЦ.
При известном базовом расстоянии - длине отрезка между ВЦ - по разности их измеренных координат может быть определен угол поворота отрезка, который, в свою очередь, может быть пересчитан в угол поворота контролируемого объекта.
Рассмотрим вариант с поворотом объекта относительно одной оси.Пусть ВЦ 1 и 2 расположены в координатной плоскости OjXlZl системы координат X1Y1Z1, причем одна из них - в начале координат Oi - см. рис. 2.9. ВЦ 1 и 2 находятся на базовом расстоянии Ь друг от друга, проходящая через них линия составляет с осью OZ1 угол а (рис. 2.9).Проекция базового расстояния на плоскость OiXIZl ( в начальном положении на ось OiXl) составит:
Анализ основных составляющих погрешности измерения
В соответствии с алгоритмом работы ОЭС МТ, цикл измерения включает два основных действия: определение координат ВЦ в неподвижной системе координат XYZ базового объекта и пересчет их в величины углов поворота и линейных смещений контролируемого объекта.
Погрешность измерения линейных и угловых координат может быть определена посредством дифференцирования функции, определяющей ста-" тическую характеристику ОЭС для соответствующей измеряемой координаты потому параметру измерительной цепи, влияние погрешности которого исследуется.
Исходя из рассматриваемой измерительной цепи, а также выражений - для чувствительности измерения координат объекта можно выделить следующие основные первичные погрешности.1. Погрешность измерения координат изображений визирных целей на чувствительной площадке матрицы.2. Отклонение величины базы В между осями ИОЭП в ОЭС «угловой засечки» от номинального значения или отклонение величины баз b от номинального значения между тремя (и более) визирными целями в ОЭС «обратной угловой засечки».3. Отклонение величины фокусного расстояния объектива ИОЭП от номинального значения.3.5.2. Оценка величины первичной погрешности измерения координат изображений на чувствительной площадке матриц
Погрешность измерения координат изображений визирных целей в основном определяется наличием шумов и дискретностью структуры матрицы.
Измерение координат изображений ВЦ на матрице ИОЭП выполняется одним из наиболее простых алгоритмов, реализующих достаточную для практики точность - алгоритмом «взвешенного суммирования» /14/.
Этот алгоритм описывается выражениями (3.7),(3.8).Поясняющий рисунок - 3.2где - U(i,j) - сигнал с пикселя с номером і по строке и номером у по столбцуМ - количество столбцов пикселей на матрице, N - количество строк пикселей на матрице.Из данных, приведенных в научно-технической литературе следует, что при освещенности в центре точечного изображения, равной (или несколько большей) облученности насыщения матрицы, реализуется наибольшая точность измерения координат х ,у изображения ВЦ /27/.
Приведенный выше энергетический расчет подтверждает выполнение энергетического условия, обеспечения высокой точности измерений координат изображения.где ах, ау - средние квадратические погрешности измерения координат х ,у - изображения ВЦ на чувствительной площадке матрицы, А - размер пикселя матрицы.
В соответствии с параметрами используемой матрицы (см. Таблицу Для ОЭС «угловой засечки» эта первичная погрешность фактически определяется погрешностью предварительного измерения расстояния между В между центрами входных зрачков объективов двух ИОЭП.
Для ОЭС «обратной угловой засечки» рассматриваемая первичная по 70 грешность равна погрешности измерения базовых расстояний Ъ расстояния между центрами выходных зрачков излучателей ВЦ, расположенных на пристыковываемом КА.
При использовании современных контактных средств измерения отрезков (калиброванные линейки, мерные жезлы) среднее квадратическое значение рассматриваемой погрешности не превышает величины /1/:
В ОЭС «угловой засечки» В = 600 мм, в ОЭС «обратной угловой засечки» вида bz =bx = 400 мм. Примем максимальную относительную погрешность реализации базовых расстояний, для двух типов системы одинаковую, для их "корректного" сравнения и упрощения расчётов, ав=аьх=Льг=0.033%, Оценка величины первичной погрешности - отклонения величины фокусного расстояния от номинального значения. Относительная погрешность фокусного расстояния серийно изготовленного объектива составляет /24/.
Поскольку задний предметный отрезок приемного объектива является одним из звеньев измерительной цепи и входит в выражения для чувствительности измерения как линейных так и угловых координат, указанная величина погрешности фокусного расстояния приведет к такой же величине относительной погрешности и измеряемой координаты. В этом случае погрешность измерения заведомо превысит требуемую по техническому заданию - не более 0,5%.По этой причине осуществляется компенсация указанной первичной погрешности. Используются метод калибровки посредством эксперимента.
После изготовления системы производится измерение отрезка от объектива ИОЭП до чувствительной площадки матрицы. Для этого с помощью ИОЭП производится серия измерений координат изображения х точечного источника излучения, истинное положение х которого задается с помощью точной механической подвижки. После чего уточненное значение предмет ного отрезка (при значительной дистанции до точечного источника - фактически, фокусное расстояние) определяются как:В результате калибровки погрешность определения заднего предметного отрезка составляет не более
При используемом фокусном расстоянии/= 9 мм, для системы второго типа af = 0.009 мм., а для систем третьего типа при/= 21 мм погрешность составить ст/= 0.021 мм.
Оценку величины составляющих погрешности измерения выполняем при следующих условиях:- расчет проводится последовательным определением так называемых«частичных погрешностей», то есть величин, получаемых при действии только одной из трех выше рассмотренных первичных погрешностей на элементы ОЭС.- расчет выполняется при наличии поворота или линейного смещениятолько относительно одной координатной оси, то есть, при равенстве нулювсех координат объекта кроме одной.3.6.1. Оценка погрешности измерения расстояния до контролируемого объекта (координаты по оси визирования OZ)Расстояние L до контролируемого объекта определяет чувствительность измерения как линейных смещений в плоскости перемещения, так и углов поворота.
Рассмотрим ОЭС «угловой засечки». В соответствии с используемым методом расчета /14/, необходимо предварительно найти полный дифферен 72 циал от функции, определяющей координату L (в иной трактовке - координаты OZ объекта) через звенья измерительной цепи, с рассматриваемыми первичными погрешностями.
Для упрощения анализа примем, что ВЦ до которой определяется расстояние L, расположена в горизонтальной плоскости XOZ и ее проекция на ось расположена между осями двух ИОЭП на равном расстоянии В/2 от каждого ИОЭП. В этом случае величины хГ,х2 координат изображений ВЦ в двух ИОЭП связаны зависимостью: х2 = -хГ и рассматриваемое выражение принимает вид:где х - координата изображения, измеряемая матрицей ИОЭП. Дифференцируем выражение (3.15) и, после замены бесконечных приращений малыми конечными и минусов на плюсы перед слагаемыми получаем:На основании (3.16) получаем, что частичные погрешности измерения дистанции L определяются через рассмотренные первичные погрешности:где ax, - первичная погрешность измерения координат изображения на матрице из-за дискретности матрицы и ее шумов,- аВ - первичная погрешность отклонения величины базового расстояния В между осями ИОЭП от номинального значения,- af - первичная погрешность отклонения фокусного расстояния объектива от номинального значения.Подставляя параметры ОЭС и первичные погрешности
Анализ результатов экспериментального исследования модели ОЭС.С помощью реализованной модели выполнялись экспериментальные исследования влияния различных составляющих погрешности измерения на точность измерения
По результатам проведенного в Главе 3 анализа выявлены следующие первичные погрешности, определяющие точность измерения линейных и угловых координат контролируемого объекта.1. Погрешность измерения координат центра изображения визирных целей на матрице ИОЭП, обусловленная шумами и дискретностью приемной площадки;2. Погрешность измерения, определяемая отклонением величины фокусного расстояния объективов от номинального значения;3. Погрешность вследствие погрешности определения базовых расстояний bi,bd между ВЦ на контролируемом объекте;4. Погрешность измерения углового положения объекта, определяемаяизменением дистанции между измерительной системой и контролируемымобъектом.
Были выполнены эксперименты с компьютерной моделью, ОЭС МТ измерения параметров ориентации стыкуемых КА, рассмотренной в Главе 3.4.3.1. Зависимость погрешности измерения линейных и угловых координат от смещений и поворотов контролируемого объекта
Линейные перемещения контролируемого объекта в поперечной плоскости перемещения в пределах Хтах, Ymax приводят к изменению угла визирования ф, v в вертикальной и горизонтальной плоскостях, соответственно. Результаты экспериментов показали, что погрешность измерения как линейных так и угловых координат мало зависит от линейных смещений контролируемого объекта. Относительная погрешность измерения незначительно, на 1% увеличивается при смещениях объекта относительно согласованного положения. Аналогична зависимость и для погрешности измерения угловых координат.
Зависимость погрешности измерения координат от величины угла поворота объекта не выявлена для рассматриваемого диапазона углов ±10.4.3.2. Зависимость погрешности измерения координат объекта от погрешности измерения координат изображений визирных целей
Как показывают результаты эксперимента, погрешности измерения ОЭС МТ линейно зависит от погрешности измерения координат изображений визирных целей в плоскости анализа ИОЭП.
Из анализа результатов эксперимента можно сделать следующие выводы.1. Погрешность измерения углов поворота і,2 относительноOXl,OYl меньше чем погрешность измерения угла з поворота относитель HOOCHOZJ.2. Погрешность измерения координаты по оси OZ (расстояние L до объекта) на порядок превышает погрешность измерения координат по осям OX,OY (смещения в плоскости перемещения).3. Зависимость погрешности измерения координат от погрешности определения фокусного расстояния (заднего фокального отрезка) нелинейна.
На рисунке 4.7. приведена зависимость для погрешности измерения координаты ХО. Зависимости для других линейных координат, а также для погрешностей измерения углов поворота аналогичны.
Основные научные выводы изложены в параграфе 4.3. В целом эксперименты с одной стороны подтвердили адекватность модели, а с другой -подтвердили главные выводы, полученные в Главах 2 и 3 в результате аналитического расчета. самая большая погрешность определение расстояния до контролируемого объекта и измерения угла скручивания (поворот вокруг оси 0Z) ряд погрешностей имеют систематическую природу и могут быть уменьшены, к ним относятся: погрешность определения фокусного расстояния объектива, погрешность установки ВЦ, погрешности связанные с геометрией матрицы. большинство погрешностей имеют линейную зависимость, кроме погрешности измерения смещения, зависящей нелинейно от отклонения фокусного расстояния от номинального значения. В предыдущих главах были проведены теоретические исследования систем определения пространственной ориентации кооперируемых объек--. тов. В частности, рассматривались два типа систем применительно к использованию на КА для систем стыковки и определение теоретических значений погрешностей для конкретной реализации (Главы 2 и 3), математическое моделирование поведения ОЭС «обратной угловой засечки» (Глава 4).
Для оценки достоверности полученных результатов необходима их практическая проверка.Одним из методов повышения точности работы измерительной систе-" мы является, является использование матричных приёмников оптического излучения с большим числом пикселей ( 106 МПк), и имеющий размер рабочей площадки максимально возможный для реализации конкретной системы. Технологически наиболее освоенными в настоящий момент являются матричные фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы) и более дешёвые на основе КМОП-технологии, в данный момент не уступающий им по ряду технических характеристик /58,59/.
При использовании активных ВЦ на основе инфракрасных диодов в плоскости анализа матричных приёмников излучения (матриц), формируется изображение ВЦ в виде кружка рассеивания, радиусом порядка нескольких линейных размеров пикселя матрицы, при работе на больших дистанциях.
Как показывают габаритно-энергетические расчеты и экспериментальные измерения, при рабочей дистанции в случае использования современных инфракрасных светодиодов удаётся реализовать так называемый режим "больших освещенностей" /4/. Этот режим характеризуется тем, что на матрице обеспечивается освещенность, которой соответствует выходной сигнал, близкий к уровню насыщения или выше. В этом случае отношение "сигнал/шум" на выходе матрицы становится максимальным и для большинства современных матриц близким к 60 дБ. Тогда основным фактором, ограничивающим точность измерения координат, остается "геометрический шум", обусловленный наличием пространственных флуктуации темновых токов в различных элементах матрицы. Современная технология изготовления матриц определяет малый уровень "геометрического шума".
В результате, интерполяцией сигналов, снимаемых со смежных элементов, например, с помощью алгоритма "взвешенного суммирования" может достигается позиционная чувствительность к смещениям точечного изображения, достигающая сотых долей пикселя матрицы /33/.
Алгоритм "взвешенного суммирования" фактически определяет координаты Xc,Yc энергетического "центра тяжести" изображения (см. рис. 5.1):
