1. Принципы построения оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов

   1. Выбор и обоснование элементов структурной схемы исследуемых систем

      1. Структура исследуемой системы

Как резюмировалось в Главе 1, объектом исследования являются оптико-электронные системы построенные по методу угловой засечки и обратной угловой засечки, построенные на основе однотипных оптоэлектронных модулей –матричных ПОИ и светодиодов как в наибольшей степени удовлетворяющие сформулированным в Введении четырем группам требований.

Оптико-электронные системы построенные по одному из способов включают не менее трёх визирных целей, размещенные на контролируемом объекте и однозначно определяющих его положение, а также измерительный оптико-электронный преобразователь (ИОЭП), размещенный на базовом объекте (один или два).

Рассматриваться будем системы, использующие активные визирные цели, соответственно им, принимающие ИОЭП.

Необходимо исследовать два вида ОЭС построенных по методу угловой засечки и обратной угловой засечки.

ОЭС «угловой засечки» включает два (или более) ИОЭП (см. позиции 1,2 на рис. 2.1), расположенных на базовом объекте и обеспечивающих регистрацию изображений трех ВЦ (поз.4.), расположены на контролируемом объекте поз. 3.

Схема измерительной системы построенной по методу обратной угловой засечки включает один ИОЭП (например только измерительный канал поз.1.). Как и для системы предыдущего типа, три ВЦ расположены на контролируемом объекте (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура ОЭС построенной по методу «угловой засечки» .1,2 – ИОЭП; 3- контролируемый объект, 4 –измерительная марка

2. Обобщенная схема оэс построенной по методу угловой засечки.

ОЭС «угловой засечки» могут рассматриваться с использованием следующей обобщенной схемы – см. рис. 2.2.

На рис. 2.2 в рассматриваемой схеме 1, 2, 3, - визирный цели, точечные источники излучения, фиксирующих три контрольные точки на контролируемом объекте, в качестве источников излучения используют светодиоды. Их преимущества по сравнению с иными источниками излучения: малые габаритные размеры и масса, низкое рабочее напряжение и энергопотребление, высокая устойчивость к внешним воздействиям.

Каждый из двух ИОЭП включает корпусной модуль с приемным объективом, соответственно, 4 и 5. Позиционно-чувствительная регистрирующая система ИОЭП представляет собой матричный ПОИ (КМОП или ПЗС – матрица), расположенную в фокальной плоскости соответствующего объектива. Фактически каждый ИОЭП представляет собой видеокамеру.

Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема ОЭС «угловой засечки»

Оси двух ИОЭП находятся на базовом расстоянии. В друг от друга. На площадке каждого из матричных ПОИ (матрица) формируются изображения трех ВЦ, установленных в контрольных точках объекта, их координаты на площадке каждого матрицы определяются с помощью измерительного тракта матрица – компьютер.

Видеосигналы с матриц поступают в блок предварительной обработки, состоящий из видеоусилителя 7 и АЦП 8, где осуществляется “привязка” нижнего уровня сигнала и его необходимое усиление с целью согласования верхнего и нижнего уровней видеосигналов с рабочим диапазоном АЦП, а так же преобразование аналогового видеосигнала в цифровой код для дальнейшей его обработки в компьютер. Ввод информации в компьютер 10 осуществляется посредством устройства ввода 9. Для визуального наблюдения изображений ВЦ используется вспомогательный монитор 11.

Информация с матриц о координатах изображений контрольных точек хранится в памяти компьютера. При угловых поворотах и линейных отклонениях объекта происходит смещение изображений трех контрольных точек на каждой из матриц. Измерение этих смещений производится трактом матрица — компьютер. При известных фокусном расстоянии и взаимном расположении активных ВЦ на подвижном объекте можно с достаточной степенью точности определить все шесть пространственных координат объекта.

Рассмотрим требования к параметрам оптической схемы ИОЭП.

Примем, что для упрощения оптической схемы и уменьшения стоимости системы относительное отверстие приемного объектива не превышает 1:2./39/

В соответствии с требованиями третьей и четвертой групп, предъявляемых к рассматриваемым ОЭС ИКПП, их реализация должна выполняться на основе типовых универсальных оптоэлектронных модулей. Как указывалось, оптимальной является построение приемных каналов на основе ПЗС – матриц или КМОП-матриц, а активных ВЦ с использованием малогабаритных мощных светодиодов.

При измерении координат перемещаемых объектов в практических ситуациях для рабочей дистанции L и фокусного расстояния объектива ИОЭП f выполняется условие L>>f. Принятое соотношение определяет, что плоскость чувствительной площадки матрицы располагается в фокальной плоскости объектива ИОЭП.

Угловое поле  принимающего ИОЭП в вертикальной и горизонтальной плоскости определяется размером A_x, A_y чувствительной площадки матрицы и фокусным расстоянием приемного объектива (рис. 2.4):

_x = 2 , _y = 2 (2.1)

Линейное поле каждого из двух ИОЭП в пространстве предметов определяется рядом факторов (см. рис. 2.3):

– диапазоном измерения линейных смещений объекта в Плоскости перемещения X_m,Y_m;

– наибольшим размером b_x,b_y проекций базовых расстояний между визирными целями;

– базовым расстоянием B между осями двух ИОЭП, в результате чего ось каждого ИОЭП оказывается смещенной относительно центра плоскости перемещения на величину B/2 в горизонтальной плоскости.

Рис. 2.3. Определение углового поля ИОЭП ОЭС «угловой засечки»

Отсюда следуют условия, определяющие угловое поле каждого из двух ИОЭП в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

(2.2)

(2.3)

При рассмотрении указанных факторов полагалось, что, во-первых, диапазоны перемещения объекта определяют перемещение его геометрического центра и, во-вторых, что ВЦ расположены приблизительно симметрично относительно геометрического центра объекта.