Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные пути расширения диапазона измерения и повышения точности оптико-электронных автоколли маторов 20
1.1. Обобщенная структура измерительной системы
1.2. Принципы классификации измерительных схем 22
1.3. Измерительные системы с единой измерительной схемой смешанного вида 23
1.3.1. Измерительные системы прямого действия 23
1.3.2 Автоколлимационные системы 25
1.4. Измерительные системы с единой измерительной схемой 28
1.4.1. Системы прямого действия 28
1.4.2. Автоколлимационные системы 31
1.5. Измерительные системы с раздельной схемой 33
1.5 Л Измерительные системы прямого действия 33
1.5.2. Автоколлимационные измерительные системы 37
1.6. Выводы из обзора типовых схем ОЭС ИППО 39
1.6.1 Формулировка предмета проводимых исследований. 39
1 ,б.2.Элеме!ггная база типовых модулей 43
Глава 2. Принципы построения оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации пе ремещаемых объектов 45
2.3. Выбор и обоснование элементов структурной схемы исследуемых систем
2.1.1.Структура исследуемой системы
2.1.2, Варианты структурной схемы ОЭС 46
2.1.3 Обобщенная схема ОЭС упорядоченного вида 47
2.1.4. Обобщенная схема ОЭС смешанного вида 50
2.1.5. Метод анализа вариантов ОЭС 52
2.2 Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения
2.3. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта в Плоскости перемещения 54
2.4. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта по оптической оси ИОЭП (измерение расстояния) 55
2.5. Чувствительность к поворотам контролируемого объекта. 58
2.5.1. Расположение измерительных марок при построении ОЭС измерения пространственного положения объекта 58
2.5.2, Особенность измерения угловых координат в ОЭС упорядоченного вида 61
2.6. Выводы по материалам главы 62
Глава 3. Анализ точности оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентащги перемещаемых объектов 65
3.1. Типовая задача- измерение параметров пространственной ориентации буксируемого объекта 65
3.1.1 Измерительная задача
3.2. Расположение ИОЭП и ИМ ОЭС 69
3,2.1 Элементная база ОЭС
3.3. Основные габаритные соотношения 71
3.4. Проверочный энергетический расчет 72 3.5 Анализ основных составляющих погрешности измерения 75
3.5 Л. Первичные погрешности 75
3.5.2. Оценка величины первичной погрешности измерения координат изображений на чувствительной площадке ПЗС-матриц 75
3.5.3. Оценка величины первичной погрешности — отклонения величины базы от номинального значения 77
3.5.4. Оценка величины первичной погрешности - отклонения величины фокусного расстояния от номинального значения 78
3.5.5. Оценка величины первичной погрешности вследствие отклонения оптической оси приемного объектива по причине турбулентности воздушного тракта 79
3.6. Расчет частичных погрешностей измерения 81
3.6.1, Оценка погрешности измерения расстояния до контролируемо го объекта (координаты по оси визирования OZ) 81
3.6.2. Оценка погрешности измерения линейных смещений в плоскости перемещения 84
3.6.3. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС смешанного типа 85
3.6.4. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС упорядоченного типа 88
3.6.5. Резюме по расчету составляющих погрешности измерения 90
3.7. Выводы по материалам главы 91
Глава 4. Разработка имитационной модели и экспериментальное исследование оптико-электронной системы измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов 93
4.1. Алгоритм измерения ОЭС упорядоченного типа 93
4.2. Алгоритм измерения ОЭС ИППО упорядоченного вида 95
4.3. Алгоритм измерения ОЭС ИППО смешанного вида 101
4.4. Принципы построения модели ОЭС упорядоченного и смешанного типов 105
4.5. Анализ результатов экспериментального исследования модели ОЭС.
107
4.5.1. Зависимость погрешности измерения линейных и угловых координат от смещений и поворотов контролируемого объекта 108
4.5.2. Зависимость погрешности измерения координат объекта от погрешности измерения координат изображений измерительных марок 110
4.6. Резюме по материалам главы 114
Заключение 115
Список использованных источников
- Измерительные системы с единой измерительной схемой смешанного вида
- Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения
- Расположение ИОЭП и ИМ ОЭС
- Алгоритм измерения ОЭС ИППО смешанного вида
Введение к работе
Для совершенствования контрольно-измерительной техники необходимы исследования принципов построения схем и анализ методик расчета параметров высокоточных универсальных оптических и оптико-электронных измерительных систем контроля пространственного положения объектов. Наряду с теоретическими исследованиями для повышения достоверности разработанных методик также требуется практическая реализации и исследование измерительных систем как на компьютерных моделях так и экспериментальных образцах.
1. Актуальность исследования
Метрологическое обеспечение многих измерительных задач производственной и научной деятельности предусматривает измерение пространственного положения некоторых объектов контроля относительно единой жесткой базы в процессе их перемещения.
В частности, могут быть выделены следующие измерительные задачи.
1. Метрологическое обеспечение монтажных операций.
Развитие строительства, производства электроэнергии, машиностроения и приборостроения требует точной ориентации сопрягаемых узлов оборудования, определения параметров взаимного расположения частей и блоков в процессе монтажа. Например, необходим контроль точности позиционирования при установке ферм, стеновых панелей, монтаже технологического оборудования, и т. д /1,2/. При этом эффективность последующей операции точной юстировки положения оборудования в значительной мере определяется точностью выполнения монтажной операции.
2. Определение пространственного положения буксируемых объектов.
Разработка и исследование новых транспортных средств для водной,
7 воздушной и наземной сред требует трудоемких предварительных испытаний их уменьшенных моделей в опытовых бассейнах, аэродинамических трубах, а также в штатных условиях эксплуатации. Необходимая разработчикам информация в значительной степени заключена в динамике движения и изменения ориентации буксируемой модели /6/.
3. Метрологическое обеспечение юстировочных операций.
Совершенствование технологии изготовления современных средств
производства, самолетов и кораблей, установок для научных исследований требует точного контроля положения деталей 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. /5/,
4. Мониторинговые измерения.
Повышение надежности и безопасности функционирования промышленных, инженерных и жилых сооружений, энергетических установок определяет необходимость оперативного контроля деформаций и прогибов нагруженных элементов конструкций инженерных сооружений: фундаментов реакторов, пролетов мостов, плотин, стенок доков, резервуаров и т.д. /3,4/. При этом деформация приводит к пространственному перемещению элемента конструкции.
Развитие оптоэлектронной элементной базы и основанных на ней средств измерения делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронных измерительных систем, позволяющих реализовать высокоскоростные и бесконтактные измерения, автоматизировать процесс снятия отсчета, повысить достоверность получаемой информации.
В связи с рассмотренными обстоятельствами, исследования оптико-электронных систем определения пространственной ориентации перемещае-
8 мых объектов являются актуальными и своевременными.
Определение области научных исследований
Описание задачи измерения
Анализ показывает, что метрологически указанные задачи в общем случае сводятся к одной процедуре: измерению пространственного положения твердого тела (контролируемого объекта) относительно некоторой базовой системы координат.
При этом с измерительной системой,, установленной на жесткой базе или некотором базовом объекте, связана неподвижная система координат XYZ, а с контролируемым объектом — система координат XjYiZj (подвижная). Пусть в так называемом «согласованном положении коїггролируемого
Контролируемый объект
Плоскость перемещения S
Измерительная система
Базовый объект
Базовая плоскость
Рис. 1,
объекта» оси системы координат XjYjZj параллельны соответствующим осям неподвижной системы координат. Линия, соединяющая начальные точки
0,Oj систем координат (линия визирования контролируемого объекта) совпадает с осью OZ неподвижной системы (рис. 1).
Дистанция L до объекта численно равна координате Z0 точки О і начала системы координат XiYjZi в системе координат XYZ.,
Плоскость, совпадающая с плоскостью XiYjZi назовем плоскостью S перемещения контролируемого объекта. Соответственно, параллельную ей плоскость X]Y]Zt назовем базовой плоскостью.
В процессе перемещения контролируемого объекта при монтаже или юстировке нарушается параллельность соответствующих осей рассматривае-
Контролируемый объект
Измерительная система
Базовый объект
Рис. 2.
мых систем координат, а линия визирования составляет ненулевой угол с осью OZ неподвижной системы координат (рис. 2),
Пространственная ориентация объекта определена, если известны как угловые, так и линейные параметры ориентации /7/, Наиболее часто используются следующие параметры ориентации:
- три угловые координаты объекта, т.е. величины трех последователь-
10 ных поворотов системы координат XjYiZi относительно собственных осей, в результате которых оси этой системы из согласованного переместятся в текущее после поворота объекта положение;
три линейные координаты объекта, т.е. координаты X0,Y0;Z0 точки Oi начала координат системы X] YjZj в осях неподвижной системы координат XYZ.
Вместо линейных координат X0,YO,ZO часто используются параметры, определяющие ориентацию линии визирования контролируемого объекта. Под линией визирования в рассматриваемом случае понимается линия, соединяющая начальные точки 0,Оь Тогда к группе параметров ориентации контролируемого объекта относятся:
текущее расстояние L между объектами (длина отрезка между начальными точками 0,Oi систем координат);
углы aB,j3B,Yj,, между ортом линии визирования и осями координат системы XYZ.
Очевидно, что эта группа параметров ориентации по элементарным геометрическим выражениям пересчитывается в координаты X0,Y0,Z0 начала системы координат XiY^t и фактически определяет линейные координаты контролируемого объекта.
Таким образом, пространственное положение полагается определенным, если измерены три линейные и три угловые координаты контролируемого объекта в базовой систем координат.
Особенностью метрологической задачи при рассматриваемых монтажных, буксировочных, юстировочных и др. операциях является малое изменение расстояния до объекта, поскольку его перемещение выполняется или непосредственно в плоскости перемещения S или объект смещается относительно плоскости S на малую по сравнению с дистанцией L величину.
Область научного исследования В настоящее время для решения рассмотренных задач используется
множество приборов и систем, различающихся по физической природе, принципу действия, схемным решениям и метрологическим свойствам (например, механические - струны и мерные жезлы, электромеханические-уровни и креномеры, гидростатические - ртутные гидронивелиры /5,6,8/).
Опыт метрологического обеспечения операций сборки, юстировки и мониторинговых измерений показывает эффективность использования оптических и оптико-электронных средств. Это объясняется с одной стороны, возможностью реализации бесконтактных измерений в отличие от контактных датчиков: механических, индуктивных, электролитических, и прочих, а с другой стороны, значительно меньшей погрешностью измерения (на порядок и более), чем при использовании других бесконтактных средств, например, радиотехнических систем ill.
Оптические и оптико-электронные измерительные средства могут быть основаны на различных физических явлениях - поляризации, интерференции, дифракциии, а также на основе явлений геометрической оптики. Измерительная система метрологического обеспечения монтажа, сборки, юстировки и т.п. предназначены для работы в цеховых условиях. Это определяет практическую невозможность использования интерференционных и дифракционных систем, чувствительных к возможным вибрациям элементов и температурным градиентам в оптическом тракте /14/.. Поляризационные системы даже в одноканальном варианте имеют сложную структуру и значительную стоимость. Это позволяет ограничить область научного исследования только оптико-механическими и оптико-электронными измерительными приборами, основанными на явлениях геометрической оптики.
12 Определение объекта, предмета и задач научного исследования
Группы требований, предъявляемых к измерительным средствам.
На практике используется ограниченное количество общих критериев оценки качества методов и средств измерений пространственных координат и вытекающих из них требований. В частности, могут быть сформулированы следующие группы требований.
Требования первой группы определяются критерием метрологических параметров и включают требования по точности, диапазону измеряемых угловых и линейных координат и дистанции измерения (рабочей дистанции до контролируемого объекта).
Особенностью измерений положения перемещаемого объекта при монтаже, буксировке, юстировке является относительно малое изменение дистанции (обычно не более чем на 10% от дистанции в согласованном положении). Это следует из того, что измерительная система ориентируется так, чтобы линия визирования контролируемого объекта в согласованном положении была бы перпендикулярна плоскости S перемещения объекта (рис. 1). .
По рабочей дистанции и диапазону изменения измеряемой величины могут быть выделены характерные классы приборов со следующими параметрами:
дистанция работы до 50 м, диапазоны измеряемых линейных смещений - до 1000 мм, углов поворота - до нескольких утл. град, (при решении задач 1. и 2.);
дистанция работы до 30 м, диапазоны линейных смещений до 100 мм, углов поворота - до 1 утл. град, (при решении задачи 3);
дистанция работы до 10 м, диапазоны линейных смещений до 10 мм, углов поворота - до 20 утл. град, (при решении задачи 4).
Допустимая относительная погрешность измерения как трех угловых,
ІЗ так и трех линейных координат лежит в пределах 0,001 ... 0,0001 от диапазона изменения измеряемой величины.
Требования второй группы определяются критерием особой метрологической характеристики — многокоординатности измерений и включают требования к количеству измеряемых угловых и линейных координат контролируемого объекта.
При решении типовых задач 1...4 перечня необходимо измерение всех шести (трех угловых и трех линейных) координат объекта. Поэтому это требование трансформируется к требованшо реализации шести-координатных измерений возмояшо меньшим количеством измерительных приборов, входящих в состав измерительной системы.
Требования третьей группы определяются критерием функциональных возможностей и включают требования:
по универсальности, в частности, возможности оперативной перенастройки в соответствии с изменением условий измерительной задачи.
по возможности автоматизации непосредственно процесса измерения и начальной ориентировки измерительной системы.
Требования четвертой группы определяются прочими критериями: конструкционным, эксплуатационным, производственно-технологическим, стоимостным и включают требования:
к простоте схемы и конструкции элементов измерительной системы;
возможности унификации функциональных элементов, узлов и конструкции вцелом;
сравнительно невысокой стоимости.
В той или иной степени перечисленные группы требований предъявляются при решении практически всех монтажных задач 1...4, однако основными являются требования первой группы. В зависимости от конкретной измерительной задачи к основным могут относиться и требования других групп.
14 Анализ соответствия требованиям Рассмотрим соответствие применяемых в настоящее время приборов рассмотренным требованиям.
1. По первой группе требований. Современные оптико-механические и
оптико-электронные приборы в большинстве обеспечивают измерения с тре
буемой точностью для решения всех задач 1...4 перечня. Однако серийные
приборы реализуют измерения линейных и угловых координат в значительно
меньшем диапазоне, чем это требуется для решения задач 1,2, а также угло
вых координат в меньшем диапазоне чем требуется для решения задачи 3.
Требуемого диапазона измерения добиваются увеличением количества отдельных приборов, расположенных в базовой плоскости с некоторым шагом.
2. Пр_вторрй группе требований. Как серийные оптико-механические и
оптико-электронные приборы, так и опытные разработки, как правило, пред
назначены для измерения или только линейных или только угловых коорди
нат. Это приводит к тому, что в итоге шести-координатная измерительная
система контроля положения перемещаемого объекта в процессе монтажа,
буксировки или юстировки в большинстве схем включает два вида подсис
тем:
измеритель линейных перемещений /13/;
измеритель угловых отклонений /9,10/.
В свою очередь, измеритель линейных перемещений обычно включает два канала - канал для измерения смещений (изменения координат XO,Y0 объекта) в плоскости S перемещения и дальнометрический канал для измерения координаты Z0 или дальности до объекта - см. рис. 1 и рис. 2. Аналогично, измеритель угловых отклонений включает канал измерения коллимационных углов ь2 и отдельный канал для измерения скручивания (. При этом часто совместно используются: как неавтоматические (оптико-механические), так и автоматизированные или автоматические (оптико-
15 электронные) каналы.
Таким образом, в большинстве практических схем требование много-координатности измерений формально выполняется, но посредством реализации сложной системы, включающей несколько раздельных измерительных каналов.
3. По требованиям третьей и четвертой групп. Система для решения какой-либо из задач 1...4 включает несколько ряда приборов, различающихся по принципу действия и составу элементов, что не позволяет унифицировать составляющие компоненты, а также делает систему узкоспециальной. Это обстоятельство определяет несоответствие используемых приборов третьей группе требований. Соответственно, усложнение структуры системы, использование большого количества специальных элементов приводит к удорожанию системы, что определяет несоответствие используемых систем и четвертой группе требований.
Таким образом, отсутствуют серийные приборы, позволяющая выполнить с одной стороны, шести-координатные измерения, а с другой стороны, реализовать требуемый в задачах 1...4 диапазон измерения. Поэтому в практических случаях измерительная система строится по принципу сочетаїїия различных приборов или отдельных измерительных каналов. В результате измерительная система существенно усложняется, что приводит к повышению суммарной стоимости проведения контрольно-измерительных работ, увеличению погрешности измерений из-за субъективных ошибок и накапливаемых погрешностей взаимного базирования отдельных приборов системы, резко снижается производительность измерений вследствие усложнения методики измерений и обработки результатов при использовании разнотипных приборов.
Известны широкодиапазонные универсальные измерительные комплексы, основанные на сканировании пространства прибором с малым диапазоном измерения, однако они имеют высокую стоимость (до десятков тысяч
долларов США) и используются только для уникальных работ.
Формулировка объекта, предмета, цели и задачи исследования, методы исследований В результате предварительного рассмотрения выявлено, что отсутствует единая измерительная схема, созданная на основе серийно выпускаемых приборов и отвечающая необходимым группам требований.
Вместе с тем появление в последние годы новых высокотехнологичных оптоэлектронных элементов:
инфракрасных излучающих диодов с повышенной (до десятков милливатт) мощностью и равномерной светимостью;
широкопольных объективов с малыми аберрациями;
матричных фотоприемников с малым уровнем шумов и большим — более миллиона - количеством элементов на чувствительной площадке;
высокопроизводительных сигнальных процессоров и средств сопряжения с ними,
позволяет расширить метрологические свойства известных схем и реализовать несложную по структуре, относительно недорогую систему измерения пространственных координат перемещаемых объектов при решении рассмотренных практических задач.
Указанные обстоятельства позволяют предварительно выбрать в качестве объекта исследования оптико-электронные системы определения параметров пространственной ориентации, основанные на явлениях геометрической оптики и реализующие шестикоординатные измерения в рамках одного измерительного канала.
Предметом исследования являются принципы построения измерительной системы, соотношения между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, составляющие погрешности измерения, их взаимосвязь и влияние на суммарную погрешность измерения.
Целью диссертации является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, теоретический анализ и экспериментальные исследования системы измерения пространственного положения перемещаемых объектов.
Для достижения указанной цели, необходимо решить следующие зада: чи.
проанализировать принципы построения, структуру, основные параметры используемых систем определения пространственного положения по критерию соответствия сформулированным группам требований.
по результатам анализа используемых систем разработать принципы построения и методики расчета параметров оптимальных оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации (ОЭС ИППО) перемещаемых объектов;
разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования ОЭС ОППО на системотехническом уровне;
на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов ОЭС ОППО и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность);
на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования влияния основных составляющих погреипюста измерения ОЭС ОППО на суммарную погрешность;
Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать соотношения геометрической оптики, векторно-матричныи 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 и имитацион-
18 ные компьютерные модели функциональных элементов измерительной системы. Модели реализованы на основе компьютерной технологии MathCAD и исследуются методом статистических испытаний (метод Монте-Карло).
Обработка и оценка результатов эксперимента с компьютерными моделями проводятся по общепринятым методикам.
Структура диссертационной работы
Диссертация включает Введение, четыре Главы и Заключение.
Во Введении рассмотрены основные задачи диссертационной работы и пути их решения. Определена область научных исследований, выявлен класс оптико-электронных систем, составляющих объект исследования, рассмотрены основные элементы теории оптико-электронных систем, составляющих предмет исследований, указаны используемые методы.
В Главе 1 проделан аналитический обзор оптико-электронных систем измерения параметров ориентации перемещаемых объектов в процессе монтажа, буксировки, юстировки элементов оборудования и мониторинга деформаций. Определено, что в наибольшей степени предъявляемым требованиям соответствуют активные ОЭС с единой измерительной схемой. В результате проделанной классификации ОЭС с единой измерительной схемой по структуре и алгоритму измерения разбиты на два вида - с упорядоченного и смешанного, сформулированы основные признаки ОЭС каждого вида. Указанные виды ОЭС определены как конкретный объект исследования.
В Главе 2 выполнен анализ чувствительности ОЭС упорядоченного и смешанного вида при измерении параметров пространственной ориентации объекта - трех линейных и трех угловых координат. Выполнено сравнение этих двух видов ОЭС по критерию чувствительности измерения. Выявлены измерительные задачи, оптимальные для систем рассматриваемых видов.
В Главе 3 выполнен анализ составляющих погрешности измерения ОЭС упорядоченного и смешанного видов. Анализ выполнялся для практиче-
19 ского варианта ОЭС измерения смещений и поворотов буксируемого самолетом контейнера с научной аппаратурой. Выявлены первичные погрешности как отклонения параметров измерительных звеньев от номинального значения. Определены аналитические выражения и найдены численные значения частичных погрешностей измерения как следствие первичных погрешностей. Определены сильно влияющие составляющие погрешности измерения для ОЭС двух рассматриваемых видов.
В Главе 4 рассмотрены принципы построения и реализована компьютерная модель рассматриваемых ОЭС на уровне структурной схемы, позволяющая имитировать влияние первичных погрешностей элементов измерительной цепи. Разработана методика, на основе которой с использованием модели выполнены исследования влияния первичных погрешностей и параметров измерительной задачи на погрешность измерения линейных и угловых координат контролируемого объекта. Приводятся результаты экспериментальных исследований.
В Заключении приведены краткие итоги проделанной работы, направления дальнейших исследований, основные публикации по теме диссертации.
Диссертация выполнена на кафедре Оптико-электронных приборов и Систем Санкт-Петербургского Государственного Университета Информационных технологий, Механики и Оптики.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОПТИКО-ЭЛЕКТТОННЫХ СИСТЕМ
ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ
ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ. УТОЧНЕНИЕ ОБЪЕКТА ИСЛЕДОВАНИЯ
Тенденции развития рассматриваемых измерительных систем непосредственно определяются группами требований (сформулированы во Введении). При этом основными являются требования первой и второй групп. Отсюда следуют главные исследуемые направления совершенствования оптико-электронных систем (ОЭС) измерения параметров пространственной ориентации (ИППО); повышение точности измерения, увеличение диапазона измерения и дистанции до контролируемого объекта (первая группа требований)^ а также увеличение количества измеряемых координат (вторая группа требований) при уменьшении числа используемых измерительных каналов (третья группа требований).
Требования четвертой группы учитываются в рамках особенностей построения схем ИППО по указанным главным направлениям.
Краткий анализ схем ИППО, определяющих указанные тенденции удобно выполнять на системотехническом уровне, в частности, используя обобщенную структурную схему.
Измерительные системы с единой измерительной схемой смешанного вида
Используемые в настоящее время оптико-электронные системы измерения параметров пространственной ориентации (ОЭС ИППО) перемещаемых объектов могут быть объединены в ряд групп по признаку реализуемого принципа измерения.
При этом могут быть выделены две группы измерительных систем, основанные на различных принципах измерения пространственных координат -с так называемой "единой" и " раздельной" измерительной схемой.
Группа 1 с единой измерительной схемой включает измерительные системы, в которых величины как трех угловых, так и трех линейных координат объекта методически определяются в рамках одного измерительного канала. Все шесть пространственных координат находятся после измерения и последующей обработки одних и тех же величин - линейных координат МФИМ в неподвижной системе координат XYZ, В этом случае МФИМ включает группу из трех (и более) малоразмерных измерительных марок (ИМ), определяющих три ( и более ) контрольные точки на объекте.
В свою очередь, единые измерительные системы разделяются на два вида: - смешанные (в методическом смысле ) системы, в которых величины линейных координат трех ИМ в неподвижной системе координат XYZ определяются в результате единой процедуры после измерения и последующей обработки некоторых общих величин - координат изображений ИМ в одной общей плоскости анализа; - упорядоченные (в методическом смысле ) системы, в которых определение линейных координат каждой из трех ИМ в неподвижной системе координат XYZ производится раздельно после измерения координат изображений каждой ИМ в нескольких плоскостях анализа.
Группа 2 с раздельной измерительной схемой включает системы, в которых измерение угловых и линейных координат объекта производится в различных измерительных каналах. Фактически, измерение угловых и линейных координат выполняется по отдельности.
Помимо указанного признака, измерительные системы каждой из групп могут быть прямого действия - при использовании активных измерительных марок (АИМ) и автоколлимационные - при использовании пассивных измерительных марок (ПИМ).
Используются не менее трех активных ИМ. В этих схемах ИОЭП измеряет координаты изображений ИМ в плоскости анализа. Затем по итерационному алгоритмы рассчитываются координаты ИМ, а на их основе - линейные и угловые координаты контролируемого объекта.
Примером схемы системы прямого действия может служить система измерения параметров ориентации при стыковке двух космических объектов /11/. Телевизионная камера высокого разрешения 1, выполняющая функцию ИОЭП (рис. 1.3) расположена на базовом объекте, связанном с системой координат ХО, YO, Z0. Приближающийся объект имеет три источника излучения 2, 3, 4 расположенных в соответствии с габаритными размерами летательного аппарата связанного с подвижной системой координат XiYtZi. Правый источник 3 является проблесковым» для обеспечения однозначности измерения по углу поворота относительно оси OZj.
Параметры системы: рабочая дистанция - от 0 до 300 метров; - диапазон измерения угла отклонения линии визирования от оси объектива телевизионной камеры составляет 5, погрешность измерения до 3 угл. мин. (0.01 от диапазона измерения); - диапазон измерения углов поворота контролируемого объекта равен ± 10, погрешность измерения до 3 угл. мин. ( 0,005 от диапазона измерения). Система имеет большое количество дополнительных подсистем, необходимость которых определяется факторами процесса космической стыковки. Например, имеется устройство управления видеокамерой, изменяющее фокусное расстояние и, соответственно, расширяющее угловое поле .системы при уменьшении дистанции до стыкуемого объекта.
Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения
В рассматриваемых системах с единой измерительной схемой линейные и угловые координаты контролируемого объекта определяются по измеренным координатам трех (и более ) его точек в базовой системе координат.
В контрольных точках расположены измерительные марки (ИМ) в виде точечных источников излучения. При измерении углов поворота измерительным преобразователем (одним или двумя) измеряются координаты изображений ИМ в плоскостях анализа ИОЭП, после чего определяются координаты трех ИМ 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 OXi,OYi,OZi также рассматриваются поочередно. Этот прием позволяет упростить анализ и оценить приблизительно чувствительность ОЭС. 2,3. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта в
Плоскости перемещения
Пусть в исходном положении ИМ 1 совпадает с началом координат О і системы XiYiZj. После смещения л: по оси ОіХ] до положения 2 в так называемой «плоскости перемещения объекта», под которой понимается плоскость OiXiYj, изображение Г в плоскости анализа ИОЭП сместится на величину х определяется геометрическим соотношением: (2.6) X = х- А L где х - смещение ИМ 1 по оси OiXi - см. рис. 2.7, L - дистанция до контролируемого объекта, А - задний фокальный отрезок, определяющий положение плоскости анализа как плоскости, сопряженной с плоскостью расположения ИМ 1. Плоскость анализа К анализу чувствительности ОЭС: 1- измерительная марка, 2 положение измерительной марки после смещения, 3 - объектив ИОЭП
Из сравнения параметров рассматриваемых систем и их практического использования можно сделать вывод, что почти всегда фокусное расстояние f объектива 3 ИОЭП значительно меньше расстояния L до контролируемого объекта и, следовательно, выполняются соотношения : L»f; (2.7) A»f (2.8) При этом приближении выражение (2.1) принимает вид: f-x = — (2.9) Измеренная координата х и чувствительность ОЭС к линейному смещению объекта определяется: х=ух Sx= х /х = у (2-Ю) Аналогично можно показать, что чувствительность к линейным смещениям в плоскости перемещения OiXiYi, но по оси OYi определяется таким же соотношением .(2.10).
Из выражения (2.10) следует, что чувствительность к линейным смещениям в плоскости перемещения OiXiYi в рамках принятых приближений не зависит от взаимного расположения ИМ. В принципе, при размещении ИМ в точке пресечения осей поворота контролируемого объекта для определения линейных координат достаточно одной ИМ.
Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта по оптической оси ИОЭП (измерение расстояния) Измерение координаты контролируемого объекта по оси OZ (расстояния до плоскости перемещения) реализуется различными методами для двух рассматриваемых видов ОЭС.
В ОЭС упорядоченного вида измерение координаты OZ выполняется триангуляционным методом. Согласно методу, используются два ИОЭП с объективами 3 и 3 - см. рис. 2.8. Оси объективов параллельны оси OZ и расположены на базовом расстоянии В друг от друга. Пусть ИМ 1 находится в начале системы координат, связанной с объектом. Каждый ИОЭП измеряет угол между направлением на ИМ 1 и оптической осью объектива, дополняющий углы (р1 ф2 в основании треугольника: ИМ, объектив 3, объектив 3 - до 90.
В результате дистанция L (координата по оси OZ, равная высоте этого треугольника) определяется соотношением: L = (2.11) где углы фі, ф2 указываются с учетом знака. Эти углы измеряются по алгоритму: 9l=90-arctg(xF/f) (2.12) ф2 = 90-arctg(x27f) (2.13) где xl, х2 - координаты изображений ИМ 1 в плоскостях анализа пер 57 вого и второго ИОЭП, соответственно.
После подстановки соотношений (2.12),(2.13) в выражение (2.11) с учетом малости отношения xVf, которое позволяет принять arctg(x7f) « xVf получаем: В (2.14) xV-xT L=/- T Чувствительность измерения (2.15) Sl" L - 1Г
В выражениях (2.14),(2.15) координаты xl,x2 указываются со знаком. В общем случае при наличии смещения ИМ1 по оси OY для определения дистанции необходимо измерять и координаты у изображений по оси О Y.
В ОЭС смешанного вида измерении координаты OZ выполняется параллактическим методом. По этому методу используются две измерительные марки ИМ 1 - см. рис. 2.9. Измерительные марки расположены в плоскости перемещения XiOiYi на известном базовом расстоянии b друг от друга. Пусть обе ИМ расположены вдоль оси OXi системы координат, связанной с объектом.
Расположение ИОЭП и ИМ ОЭС
ОЭС включают один или два ИОЭП, установленные на базовом объекте ( в хвостовой части самолета-буксировщика) и активные ИМ, установленные на приборном контейнере. Оптические оси ИОЭП в соответствии с режимом буксировки составляют уголг = 6 со строительной осью самолета в вертикальной плоскости. В ОЭС упорядоченного вида используется 2 ИОЭП с базовым расстоянием между осями В 600 мм.
Необходимость регистрации изображений не менее чем трех ИМ при колебаниях буксировочного троса и поворотах контейнера определило принцип их размещения (см. рис. 3.3),
Одна ИМ — поз.1 расположена в центре передней крышки, а две - -поз. 2,3 - в хвостовой части по горизонтальному диаметру задней крышки на консолях длиной 50 мм. При следовании контейнера в эшелоне на 3 метра ниже самолета-буксировщика как в случае колебаний буксировочного троса, так и поворотов самого контейнера в плоскости анализа ИОЭП будут формироваться изображения носовой ИМ поз, 1 и двух ИМ поз. 2 и 3 в хвостовой части контейнера.
Рассмотренная конфигурация ИМ определяет базовые расстояния меж 70 ду измерительными марками: - bz = 3000 мм между носовой маркой и плоскостью размещения хво стовых марок - bx = 600 мм между хвостовыми марками. - Ъу = 0 .- все измерительные марки лежат в горизонтальной плоскости Xi YjZi системы координат контейнера
Элементная база ОЭС
В соответствии с требованиями четвертой группы, активные ИМ и ИОЭП реализуются на основе типовых оптико-электронных компонентов. ИОЭП включает объектив, в фокальной плоскости которого установлена ПЧРС, при этом оптическая ось объектива определяет ось базовой системы и направлена вдоль буксировочного троса..
Каждая измерительная марка представляет собой мощный инфракрасный светоизлучаюший диод без дополнительных оптических компонентов, установленный в контрольной точке контейнера. Роль формирующей оптики выполняет оптический купол на излучающей площадке светодиода.
Для ОЭС упорядоченного вида требуемое угловое поле в горизонтальной плоскости больше чем для ОЭС смешанного вида, поскольку как базовое смещение В между осями двух ИОЭП, так и базовое смещение Ъх между измерительными марками из-за особенностей контролируемого и базового объектов реализованы именно в горизонтальной плоскости XOY измерительной системы.
Для используемой ПЗС-матрицы по найденным угловым полям можно оценить требуемое фокусное расстояние f объектива ИОЭП. Подставляя в выражения (2.1) размеры чувствительной площадки используемой ПЗС Ах -10,37 мм; Ау = 8Д мм, получаем требуемую величину фокусного расстояния.
Для ОЭС упорядоченного вида: f , 71,5 в горизонтальной плоскости и f 77,1 в вертикальной . Для ОЭС смешанного вида: f 83 в горизонтальной плоскости и f 77,1 в вертикальной. Окончательно выбираем фокусное расстояние объектива ИОЭП f = 70 мм удовлетворяющее указанным условиям для ОЭС с различными видами схемы.
Типичным для стандартного объектива относительным отверстием является величина 1 : 2, 1 : 3, 1:4 /21/. Выберем относительное отверстие равным 1 : 2, что определяет диаметр D входного зрачка равным D = 35 мм,
Выполним проверочный энергетический расчет реализуемости ИОЭП при выбранной величине диаметра входного зрачка объектива и фокусном расстоянии.
Критерий оценки реализуемости - получение облученности в изображении ИМ на чувствительной площадке ПЗС - матрицы ИОЭП на уровне насыщения. Необходимость достижения облученности изображения на уровне насыщения определяется тем, что именно при этом условии обеспечивается наибольшая точность измерения координат на чувствительной площадке ПЗС-матрицы ИОЭП.
Основные энергетические соотношения. Rl=Ei/Ep; RRl=Ei/En; (3.1) где Ер — пороговая облученность ПЗС - матрицы для излучения ИМ. Определяется флуктуационными шумами ПЗС , а также спектральными характеристиками светодиода и ПЗС; En—облученность насыщения ПЗС для излучения ИМ. Определяется границей линейного участка характеристики преобразования свет-сигнал ПЗС; ЕІ —облученность на ПЗС изображений ИМ (полезный сигнал). Для успешной реализации оптико-электронной системы необходимо выполнение условий /21/:
Алгоритм измерения ОЭС ИППО смешанного вида
Пусть контролируемый объект находится в так называемом «исходном положении». В этом положении оси системы координат XiYiZi, связанной с контролируемым объектом, параллельны соответствующим осям базовой неподвижной системы координат XYZ. Линия, соединяющая начальные точки 0,01 систем координат (линия визирования контролируемого объекта) совпадает с осью 0Z неподвижной системы - см. рис. 4.1.
Дистанция L до объекта численно равна координате Z0 точки О і начала системы координат XJYJZJ в системе координат XYZ..
В процессе перемещения контролируемого нарушается параллельность соответствующих осей рассматриваемых систем координат, оси системы XiYiZi займут новое угловое положение X iY iZV Начало координат Ot подвижной системы сместится на величины XO,YO, Z0 относительно неподвижной системы координат XYZ (рис.4.2).
Тремя угловыми координатами объекта являются величины і,02,0з трех последовательных поворотов системы координат XiYiZ] относительно собственных осей, в результате которых оси этой системы из согласованного переместятся в текущее после поворота объекта положение X IY JZ J - см. рис. 4.2 Алгоритм измерения ОЭС ИППО упорядоченного вида В ОЭО упорядоченного вида координаты не менее трех измерительных марок (ИМ) поз. 1,2,3 определяются с помощью двух измерительных оптико-электронных преобразователей (ИОЭП) 3,4 обобщенная структурная схема которых приведена на рис. 4.3.
Приемная часть ОЭС включает два идентичных ИОЭП поз. 4,5, каждый из которых состоит из объектива и двухкоординатной ПЧРС в виде ПЗС матрицы.
При практической реализации ОЭС измерения координат буксируемого контейнера начало неподвижной системы координат XYZ совпадает с центром объектива одного из приемных каналов — поз .3; ось
OZ параллельна оптической оси объектива. Объектив второго ИОЭП смещен по оси ОХ на базовое расстояние В.
Также вводится вспомогательная неподвижная система координат XQYBZB, ее начало совпадает с центром приемного объектива второго ИОЭП поз.4. Ось OZ сонаправлена с осью OZ
Каждый ИОЭП измеряет углы ср1, р2и vl,v2 между оптической осью объектива и линией визирования каждой из трех ИМ - см. рис. 4.3.
Алгоритм измерения включает следующие основные шаги. 1. В согласованном положении объекта (рис. 4.1) определяются координаты xlj,yli,zli (і = 1... 3) каждой измерительной марки в осях системы координат X\Y\Z\, связанной с контролируемым объектом.
Для этого в согласованном положении определяются координаты - ,, (і = 1...3) измерительных марок в осях базовой системы координат XYZ. В согласованном положении контролируемого объекта координаты измерительных марок в осях системы координат XYZ и XtYiZi связаны элементарным соотношением: УК=Щ (4.1) zlj Oj-ZO, где Z0 - координата начала О] системы координат X]YiZi, связанной с объектом, равная дистанции L до контролируемого объекта.
В выражении (4.1) величина Z0 выбирается исходя из условий измерения например, так, чтобы начало координат X1Y1Z1 было расположено близко от центра масс или точки поворота контролируемого объекта. В результате первого этапа определяется положение начала системы координат, связанной с объектом, а также координаты каждой измерительной марки в системе координат, связанной с объектом. По результатам этих измерений также определяют базовые расстояния Ъ между измерительными марками на контролируемом объекте.
Измерение координат ИМ выполняется следующим образом.
В плоскости анализа первого приемного канала ПЧРС измеряет координаты x j, у ,, z i (i=l,2,3) изображений трех ИМ относительно системы координат XYZ. Аналогично в плоскости анализа второго приемного канала определяются координаты xb i, yb j, zb i ( i=l,2,3) изображений тех же ИМ относительно системы координат XBYBZB 1.2 Затем для каждой ИМ определяются углы визирования pl; и vl; первым приемным каналом и, соответственно, р2, и v2, — вторым приемным каналом (i= 1,2,3) (см. рис. 4.3): (pn = 90-arctg(xyf) (4.2) ф2 = 90 - arctg(xbVf) (4.3) vli - arctg(-yai/ f) (4.4) v2; = arctg(-ybi / f) ,(4.5) где f - фокусное расстояние объективов приемных каналов; x j, y j и xb i, yb i (1=1,2,3) - координаты изображений трех ИМ на чувствительных площадках ПЧРС измерительных каналов, определенные в системах координат XYZ и XBYBZB, соответственно.
1 Далее, по алгоритму триангуляционного метода координаты ИМ в системе координат XYZ определяются в последовательности z0 - хО - уО выражениями: z0 = В . . . w 0 х -(4.6) Х0І=77 ГТ (4-7) y0i= j bjxOt2+zOt2 . g(vl,) + VOB- 0,)2 + zO,2 rg(v2,)) (4.8) где В - заранее известная величина базы между осями объективов; Xj, УІ, Zj ( 1=1,2,3 ) — координаты трех ИМ, установленных в соответствующих контрольных точках.
2. При смещении и повороте контролируемого объекта в произвольном положении определяются координаты x0j,y0i,z0j (І = 1...3) каждой измерительной марки в базовой системе координат XYZ. Используются выражения (4.2)...(4.8).
3. По измеренным на этапах 1 и 2 координатам трех измерительных марок вычисляются шесть пространственных координат объекта: линейные координаты X0,Y0,Z0 начала Oi системы координат XiYjZj и углы ь 2» з трех последовательных поворотов системы координат XjYjZ] относительно собственных осей.
