Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы и способы контроля крупногабаритных конструкций
1.1 .Классификация оптико-электронных систем для контроля смещений 11
1.2. Схемы, использующие коллимированный лазерный луч 14
1.3.Теодолиты, алиниометры 20
1.4.Оптико-электронные приборы с ОРСЗ 23
1.5.Оптико-электронные приборы с ПЗС .„.26
1.6.0птико-электронные системы, реализующие метод створных измерений.29
1.7.Постановка задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Построение распределенной оптико-электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений 39
2.1. .Принципы построения распределенной оптико-электронной системы 39
2.2. Принципы построения измерительных каналов РОЭС 41
2.2.1. Принципы аппаратной реализации измерительного канала... 44
2.2.2. Принципы программой реализации измерительного канала .48
2.2.3. Принципы программно-аппаратнной реализации измерительного канала 49
2.2.4. Принципы организации взаимодействия телевизионных датчиков с вычислительным устройством при программном и програмнно-аппаратном методе реализации ...51
2.3.Способы построения оптической части ИК 56
2.4.Принципы построения канала связи ...62
2.4.1. Беспроводные каналы связи ...65
2.4.2. Кабельные каналы связи 68
2.5.Описание РОЭС на базе персональных электронно-вычислительных машин ...71
2.6.Особенности РОЭС на базе ПЭВМ и ОЭВМ 75
2.7.Заключение 76
ГЛАВА 3. Методики обработки измерительной информации 77
3.1. Методы устранения шумов с помощью числовой обработки. 77
3.2. Методы определения координат точечного объекта 86
3.3. Методика восстановления координат 90
3.4. Заключение ...98
ГЛАВА 4. Исследование свойств измерительных каналов роэс на базе микроконтроллеров 99
4.1.Описание макетов измерительных каналов распределенной оптико-электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений...99
4.1.1. Устройство блоков предварительной обработки информации .101
4.1.2. Описание работы блока управления источниками излучения 106
4.1.3. Алгоритмы программных средств 108
4.1.3.1.Алгоритм программы управления блока предварительной обработки информации ...109
4.1.3.2.Описание программы блока управления источниками излучения.. 114
4.2.Исследование макета оптико-электронной системы контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений 123
4.3.Заключение 137
Заключение 138
Список литературы
- Схемы, использующие коллимированный лазерный луч
- Принципы построения измерительных каналов РОЭС
- Методы определения координат точечного объекта
- Устройство блоков предварительной обработки информации
Введение к работе
Одним из направлений развития научно-технического прогресса, является автоматизация работ с применением современных средств измерений. Это позволяет обеспечить повышение производительности оборудования, снизить затраты труда на подготовительные операции, сэкономить ресурсы, повысить объективность контроля и сократить ручной труд.
При разработке и эксплуатации крупногабаритных объектов, таких, как плавающие доки, суда, летательные аппараты, мосты, плотины и другие промышленные сооружения, возникает проблема контроля их деформации с целью обеспечения безопасности выполняемых работ. Деформация перечисленных объектов имеет, как правило, характер прогиба, величину которого необходимо регулярно контролировать, особенно в периоды максимальных нагрузок.
Особое место занимают операции пространственного позиционирования относительно протяженной базы в машиностроении, при управлении исполнительными органами машин при производстве земляных работ, строительной планировки поверхности, при инженерно-геодезических измерениях, а также измерениях прогибов крупногабаритных конструкций, например, плавающих платформ, доков и судов.
При производстве строительных работ широко применяются оптико-электронные системы контроля смещений (ОЭСКС), позволяющие контролировать положение рабочих органов строительных и землеройных машин относительно некоторой базовой плоскости. В мелиоративных работах такие системы используются для планировки земляных участков, которые готовятся под сплошной залив водой (рисовые чеки и т.п.). В строительстве эти системы необходимы при укладке асфальтовых или бетонных площадок, монтаже междуэтажных перекрытий, для контроля положения скользящих опалубок при возведении монолитных; объектов, при строительстве дорог, насыпей, каналов и т.д. В настоящее жмя при производстве строительных,
дорожных и мелиоративных работ, связанных с планировкой площадок, требования к погрешности планировки относительно задаваемой плоскости составляют 3...5 см при расстояниях до 300 м.
Анализ показал, что наиболее часто требуется контролировать прогиб конструкций длиной до 300 м. При этом диапазон измеряемых деформаций лежит в пределах ±200 мм, а погрешность измерения прогиба должна составлять от 1 до 10 мм. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, характеризуемых изменением температуры окружающей среды от -40 С до +50 С, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).
В указанных условиях эксплуатации и областях применения ОЭСКС 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 ОЭСКС.
Решение задачи автоматизированного контроля положения объектов представляется на основе системы точечных объектов, жестко связанных с исследуемым объектом. Деформация объекта вызывает их смещение. Картина, создаваемая точечными объектами, регистрируется оптико-электронными датчиками с матричным фотоэлектрическим преобразователем на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и анализируется с привлечением числовой обработки на ЭВМ. При этом предварительная обработка измерительной информации осуществляется в непосредственной близости от приемника оптического излучения, что позволяет увеличить помехозащищенность системы в целом и исключить избыточность информации.
Целью работы является разработка принципов построения распределенных оптико-электронных систем измерения деформации крупногабаритных инженерных сооружений, а также разработка и практическая реализация указанной системы и исследование ее свойств.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.
Анализ и классификация существующих методов контроля пространственного положения объектов.
Разработка принципов построения распределенной оптико-электронной измерительной системы (РОЭИС) с приемниками оптического излучения на основе матричных ПЗС структур, обеспечивающей многоточечный непрерывный контроль деформации наблюдаемого объекта.
Разработка методики быстрого поиска изображения точечного объекта в картине регистрируемой приемником оптического излучения на базе ПЗС.
Разработка методики определения соответствия между линейными смещениями контрольного элемента, жестко закрепленного на контролируемом объекте, и регистрируемыми информативными величинами.
Создание экспериментального макета измерительного канала (ИК) РОЭИС сопрягаемого с ПЭВМ.
Разработка алгоритма управления процессом сбора, обработки и хранения измерительной информации.
Проведение экспериментальных исследований макетов измерительных каналов РОЭИС.
Структурно работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений.
В первой главе проведен аналитический обзор и классификация известных методов и средств определения пространственного положения объектов. Выводы, сформулированные в данной главе, определяют цели и задачи работы и подтверждают её актуальность.
Во второй главе рассмотрены принципы построения распределенных оптико-электронных систем (РОЭС).
Для решения задач контроля деформации крупногабаритных инженерных сооружений, необходимо реализовать распределенную оптико-электронную систему, обеспечивающую многоточечный непрерывный контроль, что позволит получать более полную информацию о состоянии объекта. Рассмотрены принципы построения распределенных оптико-электронных систем. Рассмотрены схемы построения распределенных оптико-электронных систем. Сформулированы основные требования, предъявляемые к блокам входящим в состав РОЭС, выделены основные функции, выполняемые блоками системы. Приведены основные требования к программному обеспечению измерительных каналов и центрального управляющего прибора.
В третьей главе рассматриваются методы извлечения координат изображений точечных объектов из измерительной картины, при этом предполагается, что в качестве приемника оптического излучения используется матричный приемник оптического излучения на основе ПЗС структур, сигнал с которого оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя, полученная при этом измерительная картина обрабатывается программым или программно-аппаратным образом. Показано, что контрольный элемент должен состоять из пары управляемых точечных объектов, это необходимо для снижения погрешности и автоматизации процесса измерений. Приводится алгоритм пересчета координат контрольного объекта из приборной системы координат, в систему связанную с объектом.
В четвертой главе рассматриваются принцип действия и устройство двух вариантов реализации блоков предварительной обработки измерительной информации с использованием микроконтроллеров, блока управления источниками излучения, рассматриваются две схемы исполнения оптической части измерительного канала, а также приводится описание измерительного стенда и полученные экспериментальные результаты.
Краткая формулировка научной новизны работы.
В диссертации разработаны принципы построения распределенной оптико-электронной измерительной системы с приемниками оптического
излучения на основе матричных ПЗС структур, обеспечивающих автоматизированный многоточечный непрерывный контроль параметров наблюдаемого объекта.
Основные результаты, выносимые на защиту.
Принципы построения РОЭИС, на основе блочно-модульного способа построения, с обработкой измерительной информации в непосредственной близости к приемнику оптического излучения, обеспечивающей автоматизированный многоточечный непрерывный контроль параметров наблюдаемого объекта.
Методика быстрого поиска изображения точечного объекта в картине регистрируемой приемником оптического излучения на базе ПЗС, заключающаяся в исключении из процедуры поиска избыточных элементов разложения на основании предложенного критерия, что позволяет существенно снизить время обработки зарегистрированной измерительной картины.
3. . Алгоритм программной склейки четного и нечетного полукадров, позволяющий упростить схему блока предварительной обработки информации (БПОИ) и повысить точность измерений.
Методика определения соответствия между линейными смещениями контрольного элемента, жестко закрепленного на контролируемом объекте, и регистрируемыми информативными величинами, позволяющая отказаться от измерения дистанции при регистрации смещений, и за счет этого снизить погрешность и автоматизировать процесс измерений.
Алгоритм управления процессом сбора измерительной информации в РОЭИС, позволяющий проводить одновременный захват и обработку измерительной информации в измерительных каналах, что позволяет уменьшить время, необходимое для получения результата измерения.
Практические результаты работы
1. Представленные в работе исследования позволили сформировать основные принципы построения РОЭИС для контроля деформации протяженных крупногабаритных объектов сложной формы.
Разработан и изготовлен экспериментальный образец оптико-электронного измерительного преобразователя коллимационного типа с управляемыми источниками оптического излучения, позволяющий проводить высокоточные измерения в широком диапазоне смещений, не требующий трудоемких наладочных операций при подготовке к работе.
Разработан и изготовлен действующий макет измерительного канала РОЭИС, осуществляющий цифровую обработку измерительной информации в приборной системе координат на основе алгоритма энергетического взвешивания.
Для макета ИК разработан и реализован на ПЭВМ рабочий алгоритм определения параметров деформации контролируемого объекта.
Разработан алгоритм управления центральным блоком системы контроля деформаций крупногабаритных сооружений для двух управляемых источников оптического излучения, позволивший исключить вычисление дистанции из процесса определения смещения контрольного элемента.
Реализация результатов работы отражена пятью актами внедрения экспериментального образца оптико-электронной системы контроля соосности элементов СКПУД-1, разработанных методик и алгоритмов работы измерительных каналов РОЭС. Результаты диссертационной работы использованы в лекционном курсе дисциплины «Измерительные оптико-электронные приборы и системы», а так же при создании лабораторной установки по указанной дисциплине, которая введена в реальную эксплуатацию.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
XXXI научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО (ТУ), 5-7 февраля 2002 года.
V международная конференция «Прикладная оптика» 15-17 октября 2002 г. Санкт-Петербург.
X Международная конференция ЛАЗЕРЫ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ Санкт-Петербург 27-28 ноября 2002 года.
III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика - 2003», Санкт-Петербург 2003г.
XXXII научная и учебно-методическая конференция СПбГИТМО(ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, Санкт-Петербург, Россия, 4-7 февраля 2003 года.
XXXII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 3-6 февраля 2004 года.
По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 140 наименований и 4 приложений. Общий объем работы составляет 139 страниц, включая 69 рисунков и 4 таблицы.
Работа выполнена на кафедре оптико-электронных приборов и систем «Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий механики и оптики».
Схемы, использующие коллимированный лазерный луч
В основу принципа действия лазерных геодезических приборов лучевого типа положены следующие способы образования референтной прямой - оси луча: симметрия в одномодовом гауссовом пучке; симметрия в многомодовом пучке; образование зон раздела по частоте, фазе, поляризации, спектральному составу излучения, дифракционной и интерференционной структурам пучка. Наиболее оптимальным решением являлось бы создание референтной прямой в виде очень тонкого луча. Однако создать тонкий луч большой протяженности невозможно вследствие дифракционных ограничений.
Основным фактором, влияющим на устойчивость референтных осей, является нестабильность оси диаграммы направленности (ОДН) лазерного излучения, зависящая от нестабильности оптического резонатора лазера, режима работы и времени установления теплового равновесия. При разъюстировке зеркал наблюдается параллельный сдвиг оптической оси и наклон ее по отношению к первоначальному положению, что приводит к соответствующему изменению положения ОДН. Наиболее перспективным путем решения данной проблемы является разработка приборов, у которых нестабильность ОДН не оказывает влияния на положение референтного направления. В основе повышения стабильности референтного направления лежит использование оси лазерного излучения в виде совокупности центров окружностей при кольцевой структуре лазерного пучка после выхода из коллимирующей оптической системы.
Рассмотрим принципиальную схему конструкции лазерного излучателя для формирования осесимметричной кольцевой структуры лазерного пучка. Поскольку на формирование лазерного пучка основное влияние оказывают аберрации второго оптического элемента, то объектив коллимрующей системы выполнен в виде положительного мениска, ориентированного выпуклой стороной в направлении источника излучения.
Физическая сущность образования кольцевой структуры заключается в следующем (рис. 1.2, а). Луч, выходящий из He-Ne лазера, имеет малую расходимость, и его можно в первом приближении рассматривать как параксиальный и в тоже время гомоцентрический пучок световых лучей. Проходя через оптические компоненты коллимирующей системы 2, 3, часть пучка отклоняется от оси и затем сжимается объективом 3. Пучки, удаленные от оси и преломляемые объективом, проходят большой путь, а поэтому запаздывают по фазе. Так как пучки когерентны, сходясь, они образуют в пучке за коллиматором кольцевую интерференционную структуру (рис. 1.2, б). В своей работе [16] Е.Т.Вагнер отмечает, что кольцевую структуру можно получить при прохождении лазерного излучения в обратном ходе лучей телескопической системы Галилея и Кеплера. Для этих целей необходимо в коллиматоры ввести дополнительные оптические компоненты в виде отрицательных линз, увеличивающих диаметр пучка, падающего на окуляр телескопической системы. Кольцевую структуру можно получить и от двухкомпонентной телескопической системы без дополнительной линзы, однако в этом случае необходимо отнести коллиматор на брыпее расстояние от лазера, чтобы падающий на оптические компоненты пучок лучей был большого диаметра. Такие системы получаются громоздкими.
Благодаря большой пространственной и временной когерентности лазерного излучения, четкая кольцевая структура в пучке сохраняется на расстоянии до 100 м и более.
Таким образом, коллиматоры - интерферометры с кольцевой структурой лазерного излучения могут быть представлены как телескопические системы со сферической аберрацией, создающие на большом протяжении системы концентрических интерференционных колец, совокупность центров которых образуют искомое референтное направление. Экспериментальные исследования показали интересные особенности такого коллимирования лазерного излучения. Так, при параллельном или угловом смещении ОДН лазерного излучения относительно оптической оси коллиматора референтная прямая в виде совокупности центров интерференционных колец не смещается до тех пор, пока сохраняется четким хотя бы одно кольцо в центе структуры.
Достаточно хорошо разработаны, производятся и находятся в эксплуатации большое количество модификаций и видов систем для управления пространственным положением исполнительных органов строительных машин, в основу которых положен принцип определения положения энергетического центра оптического пучка. Эти системы используют когерентное излучение.
Лазерный указатель УКЛ -1 [79] предназначен для управления мелиоративными машинами при строительстве линейных объектов: коллекторов, дрен, каналов и др. Он является узкоугольной ОЭСКС.
Принципы построения измерительных каналов РОЭС
В связи с тем, что задачи, решаемые РОЭС, чрезвычайно разнообразны, трудно составить универсальную схему ИК. Однако в структурной схеме должны быть предусмотрены узлы, обеспечивающие необходимый набор операций обработки информационного сигнала, а также узлы, позволяющие при переходе от одного режима работы к другому изменять структуру РОЭС, то есть изменять набор операций и их последовательность.
В качестве приемников оптического излучения в ИК можно использовать различные приборы, однако, применение телевизионных датчиков на базе ФПЗС предпочтительнее, так как для ФПЗС характерна жесткая геометрическая привязка фоточувствительных элементов растра к приборной системе координат, что существенно облегчает задачу построения измерительной аппаратуры с высокой стабильностью метрологических характеристик. Несмотря на дискретный характер ФПЗС, в плоскости анализа изображения возможна регистрация координат объекта с точностью до сотых долей элемента ФПЗС [5, 6]. Основные физические принципы работы ФПЗС подробно рассмотрены в работах [22,45,108, 95].
Таким образом, в связи с использованием в ИК телевизионных датчиков (ТВД) на базе ФПЗС, в качестве приемников оптического излучения, преобразует каждые ОЭП, входящий в состав ИК, в телевизионную измерительную систему (ТИС), в которой информационный оптический сигнал преобразуется в видеосигнал. Следует, однако, отметить, что существует ряд операций по обработке видеосигнала, которые, как правило, реализуются в рамках ТИС, хотя конкретный вид операций и их последовательность зависят от назначения системы.
Во всех современных ТИС, независимо от их типа и назначения, на начальном этапе предполагается преобразование аналоговых входных информационных оптических сигналов в совокупность дискретных электрических сигналов, пригодных для осуществления дальнейшей цифровой обработки изображений с применением средств вычислительной техники [6, 7]. Такое преобразование осуществляется в два этапа: E(x9y)= U(xi9yj)= [Eff]. (2.1)
На первом этапе входной оптический сигнал изображения Е(х,у), представляющий собой в общем случае двумерную непрерывную функцию непрерывных пространственных аргументов (координаты х, у% преобразуется в электрические сигналы U(x , ), то есть в двумерную непрерывную функцию дискретных пространственных аргументов х.( yj4. Сигнал 1/(х у представляет собой видеоимпульсы, на выходе матричного фотоприёмника (например матрица ФПЗС, фотодиодная матрица или КМОП-матрица). Заметим, что, если в телевизионном датчике используется так называемая «трубка бегущего луча» или любая другая вакуумная трубка, дискретизация изображения по вертикали (вдоль направления кадровой развёртки) происходит за счет структуры растра. При этом необходимая дополнительная дискретизация по горизонтали (вдоль строки) может достигаться путём применения специальной схемы выборки-хранения. Для фотоприемника с накоплением энергии (например, матрица ФПЗС) величина напряжения сигнала видеоимпульса, снимаемого с /-того элемента j-той строки, определяется выражением Щ і У])= J \STHE(x,y)dxdy (22) i y} где S - интегральная чувствительность фотоприёмника, выраженная через экспозицию; Тн— время накопления; х, у} - координаты центра фоточувствительного элемента; Ах и Ду- размеры фоточувствительного элемента по горизонтали и вертикали соответственно. Второй этап преобразования осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он заключается в квантовании сигналов U{xnyj) по уровням и формировании двоичных кодов соответствующих чисел EtJ. Таким образом, любой цифровой обработке изображений должны предшествовать преобразования входного оптического сигнала Е(х,у) в матрицу [,_,], представляющую собой двумерный массив целых чисел. Очевидно, что всякое преобразование сигналов с помощью АЦП связано с нелинейными искажениями и появлением погрешности квантования, которую можно считать распределённой по равномерному закону в пределах ±й/2, где h - шаг квантования. Однако величина погрешности квантования при достаточной разрядности АЦП может быть значительно меньше других составляющих.
Кроме того, существует ряд задач, которые в процессе решения требуют изменения структуры ТИС. В качестве примера можно привести телевизионный координатор со следящим стробом, работающий в двух режимах: обнаружения и слежения [9]. Схемы обработки видеосигнала в каждом режиме существенно отличаются. Отличаются также и временные интервалы видеосигнала, участвующего в обработке: в режиме обнаружения за время кадра обрабатываются все элементы изображения, в режиме слежения — только элементы изображения на участке, ограниченном следящим стробом и приблизительно совпадающим с изображением обнаруженного объекта. Таким образом, в структурной схеме ТИС должны быть предусмотрены узлы, обеспечивающие необходимый набор операций обработки видеосигнала в каждом режиме, а также узлы, позволяющие при переходе из одного Режима в другой изменять структуру ТИС, т. е. изменять набор операций и их последовательность. К настоящему времени сложилось три основных метода реализации ТИС [45]: аппаратный; программный; программно-аппаратный. Рассмотрим каждый метод реализации ТИС более подробно.
Методы определения координат точечного объекта
Позиционную чувствительность ПЗС матрицы можно повысить за счет интерполяции сигналов, снимаемых со смежных элементов. [6].
Возможность применения квазиоптимальных методов для определения и повышения точности измерительных оптико-электронных приборов с матричными фотоприемниками типа ПЗС исследовалась авторами работ [41, 72, 91, 136 ,137], как правило в качестве модели распределения освещенности по изображению точечного излучателя рассматриваются некоторые функциональные зависимости типа косинусной или функции Гаусса. Зависимость в виде гаусоиды вращения, при моделировании используется наиболее широко, так как ближе других к действительности и позволяет аналитически оценить погрешность определения координат изображения [6, 72]. В данных работах показано, что погрешность тем существеннее, чем больше угловое поле и рабочая область спектра прибора.
Одним из наиболее простых интерполяционных алгоритмов определения координат точечного объекта является алгоритм энергетического центра («центра тяжести»). Под энергетическим центром изображения объекта понимают точку в плоскости анализа, координаты которой определяются выражениями [6]:
В некоторых случаях, когда реальные размеры изображения на фоточувствительной площадке ПЗС ограниченны сравнительно небольшой областью в окрестности наиболее освещенного элемента, то на практике можно существенно ограничить число слагаемых в выражениях (3.12), (3.13) и тем самым сократить время вычислений. При этом окончательный алгоритм, используемый в реальной системе имеет вид [6]: . Хм+к Х „ Y і=Хт-к т т Хл — 0 Xm+k 1 ЗЛ4) і Хт -к Уш+1 Ym+l \ГТТ , (3.15) J=YM-l где uw - электрический сигнал с j-vo элемента, расположенного в столбце, включающем элемент максимального сигнала, ит - электрический сигнал с j - го элемента, расположенного в столбце, включающем элемент максимального сигнала, - xmj электрический сигнал с і-то элемента, расположенного в строке, включающей элемент максимального сигнала.
При использовании соотношений (3.12), (3.13) и (3.14), (3.15), в которых обрабатывается не сигнал не со всей матрицы, а только из некоторого окна, следует производить поиск элемента содержащего максимальный уровень сигнала. Однако процесс перебора всей матрицы занимает довольно много времени. В связи с этим для увеличения быстродействия системы в целом целесообразно проводить поиск элемента с максимальной освещенностью с некоторым шагом, исключая при этом некоторые строки и столбцы, что позволяет существенно снизить время локализации элемента с максимальным уровнем сигнала. Такой поиск элемента основан на том, что изображение объекта занимает несколько элементов. Шаг поиска элемента с максимальной освещенностью можно определить из соотношений: - И-і sH=mt 1( (3.16) \Рх J Г2К" -1 (3.17) sy = Inf \PyJ где sH - шаг пропуска столбцов, sv - шаг пропуска строк, R - эффективный радиус кружка рассеяния, рх - горизонтальный размер фоточувствительной площадки элемента матричного приемника с включенной зоной не чувствительности, расположенной слева от него, ру — вертикальный размер фоточувствительной площадки элемента матричного приемника с включенной зоной не чувствительности, расположенной снизу от него, a lnt{x) - операция взятия целой части от выражения х.
Однако оценка координат, полученная по соотношениям (3.14), (3.15), более чувствительна к точному определению значений Xmi Гй, и в случае «промаха» (неправильного определения координат элемента с максимальной освещенностью) дает большую ошибку, чем оценка, полученная по (3.12) и (3.13). В связи с этим после поиска максимального элемента необходимо провести уточнение его положения в выбранном окне к х / без пропуска строк и столбцов.
При малых соотношениях сигнал/шум наиболее предпочтительными являются другие алгоритмы. Сущность таких алгоритмов после определения координат элемента с максимальным уровнем сигнала сводиться к следующему сводиться [2, 4, 6]: - путем интерполяции осуществляется восстановление непрерывной функции Щх У), адекватной распределению освещенности в плоскости анализа.-Е{х9у) производится вычисление частных производных dU(x,y)/dx и dU{x,y)/dy с последующим вычислением оценок в результате решения уравнений: Интерполяцию можно проводить различными методами, например: методом наименьших квадратов, полиномами, сплайнами.
Однако восстановление двумерной функции U(x,y) требует выполнения большого числа вычислительных операций, поэтому для уменьшения количества вычислений возможно производить интерполирование таблично заданных функций Uym (х) и Uх {у) то есть значения выбираются из столбца и строки содержащей элемент с максимальной освещенностью. Поиск максимума в таком случае можно производить, например методами дихотомии, золотого сечения, по знаку первой производной и т.д.
Устройство блоков предварительной обработки информации
Блок питания собран на основе интегрального параметрического стабилизатора КРЕН5А (DA1) с выходным напряжением 5 В.
Счетчики DD4A, DD4B и DD8 представляют собой 9-разрядный двоичный счетчик. На счетный вход этого счетчика поступают тактовые импульсы с камеры, а на вход сброса - строчные импульсы. Таким образом, этот счетчик формирует адрес элемента в строке в диапазоне от 0 до 511:
Аналогичным образом работает второй счетчик на DD6A и DD6B. Полученный 8-разрядный счетчик управляется строчными импульсами, подаваемыми на счетный вход, и кадровыми импульсами, подаваемыми на вход сброса. Таким образом, этот счетчик формирует адрес строки в диапазоне от О до 255.
Одновременно с формированием адреса осуществляется аналого-цифровое преобразование видеосигнала с помощью АЦП DA2, который тактируется тактовыми импульсами, приходящими с синхрогенератора (СТ) ТВД. Шина АЦП подключена к шине данных оперативного запоминающего устройства, которое также тактируется тактовыми импульсами с СГ. Таким образом, в течение одного кадра обеспечивается аппаратная запись оцифрованного видеосигнала в ОЗУ.
По окончании ввода кадра микроконтроллер переключает коммутатор в состояние, когда управление ОЗУ осуществляется со стороны микроконтроллера. При этом блокируется запись в ОЗУ, и микроконтроллер способен обращаться к оцифрованному видеосигналу. Для этого все входы счетчиков подключаются к портам микроконтроллера, который программно считывает информацию из ОЗУ для предварительной обработки. Обработка включает в себя поиск максимального элемента в массиве изображения, который соответствует центральному элементу сигнала, и затем вычисление каждой из двух координат изображения по алгоритму определения энергетического центра тяжести изображения.
Работают оба устройства в соответствии с программным обеспечением микроконтроллера. При этом имеется три основных режима: режим записи кадра; режим обработки видеоданных; передачи информации. Режим записи кадра обеспечивается в случае поступления соответствующей команды от ЦУП. Само переключение происходит не в момент получения команды, а с приходом ближайшего кадрового синхроимпульса с камеры, который сигнализирует о начале очередного кадра. С приходом следующего кадрового синхроимпульса текущий кадр заканчивается, и микроконтроллер переключает коммутатор в исходное состояние.
Работа интерфейса RS-485 осуществляется следующим образом. Микросхема МАХ485 имеет две линии А и В для внешнего подключения RS-485 и три линии для подключения к микроконтроллеру, среди которых имеется выходная линия для подключения к входу RXD микроконтроллера, входная линия Для подключения к выходу TXD микроконтроллера и вход управления направлением приема/передачи, который подключается к еще одному выходу микроконтроллера.
В системе имеется только одно активное устройство - управляющий ЦУП. Это означает, что инициировать обмен может только он. Основное состояние интерфейса периферийного устройства - прием информации, то есть его выходы находятся в высокоимпедансном состоянии и ждут прихода сигнала со стороны активного устройства. При необходимости передать команду активное устройство формирует ее и посылает по линии связи. Все пассивные устройства принимают команду и анализируют ее, но выполняет команду только одно периферийное устройство, адрес которого совпадает с адресом, содержащимся в команде.
В случае если команда предполагает обратную передачу информации, то после передачи этой команды активное устройство переключается на прием, а пассивное устройство, приняв команду, переключается на передачу и отправляет данные активному устройству. Для этого микроконтроллер переключает направление приема/передачи микросхемы МАХ485.
