авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Елкин Евгений Александрович

Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат

Специальность 05.11.07

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Майоров Андрей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Хорошев Михаил Васильевич

кандидат технических наук

Мейтин Валерий Аркадьевич

Ведущая организация: ОАО НПП «Геофизика-Космос»

Защита состоится « » декабря 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва К-64, Гороховский переулок, д.4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (105064, Москва К-64, Гороховский переулок, д.4).

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь Ю.М. Климков

диссертационного совета

  1. Общая характеристика работы

Актуальность исследований обусловлена потребностью в создании принципиально новой системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении углового положения контролируемого основания.

Из рассмотренных свойств гироскопов различного типа, как устройств, решающих задачу хранения направления, следует, что у каждого есть недостатки, ему присущие. Между тем, у всех типов гироскопов общий недостаток – это интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени.

Общим при традиционном методе хранения курса гироскопическим устройствами, использующимися сегодня, является создание направления на подвижном основании физическими элементами этих устройств, а также сохранение их положения в независимой от подвижного основания системе координат (инерциальной или связанной с землей).

Необходимость периодического выставления гироскопа по заданному направлению влияет как на точность измерений, так и на удобство его эксплуатации.

Высокие точности измерений могут обеспечить механические, кольцевые лазерные и возможно, лучшие образцы волоконно-оптических гироскопов. С точки зрения стоимости в этом случае лучше всего волоконно-оптические гироскопы, однако их цена на Западе, судя по проведенным исследованиям рынка, составит от 10 тыс. долларов и выше. Стоимость кольцевого лазерного гироскопа при той же точности раза в два выше.

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулируют интерес не только к дальнейшим усовершенствованиям рассмотренных в работе гироскопов, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

Резюмируя все вышесказанное, напрашивается вывод: в настоящее время для системы определения ориентации подвижного объекта использование оптических инерциальных измерителей в чистом виде нецелесообразно. Среди гироскопов наиболее перспективными, видимо, являются механические гироскопы как обладающими наивысшей точностью при минимальных габаритах. Использование волоконно-оптических гироскопов также накладывает дополнительные требования. Для повышения точности с использованием математического аппарата фильтрации необходимо проведение дополнительных исследования.

Анализ литературы показывает, что в классических системах определения ориентации инерциальные датчики дополнены датчиками положения, выполняя измерения каждые в своем спектре изменения угловых скоростей. При этом относительные погрешности измерений, выполненные гироскопами в низкочастотной области спектра, увеличиваются и могут быть одного порядка с измеряемыми величинами. В этом случае необходимо периодически корректировать измеряемые данные, используя независимые измерения.

Таким образом, интересна разработка нового подхода к хранению направления, идеей которого станет отказ от так называемого физического метода хранения направления. При этом оно может виртуально сохраняться через результаты угловых измерений, производящихся с момента запуска устройства.

Идея метода должна быть универсальна, и конкретика ее применения в той или иной области может варьироваться лишь от массогабаритных параметров навигационного устройства.

При этом стоимость должна быть конкурентоспособной по отношению к существующим сегодня приборам.

Целью диссертационной работы является разработка метода хранения направления в плоской системе координат, основанного на отказе от традиционного физического хранения. При этом оно может храниться в виде результатов угловых расчетов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

  1. Выполнен аналитический обзор литературных и патентных источников известных методов навигации, хранения и определения положения, проведен их анализ, выявлены частные и общие недостатки;
  2. Разработана и исследована модель оптико-электронной системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении изменений положения контролируемого основания;
  3. Разработаны методики расчета, получены аналитические зависимости, учитывающие связь массогабаритных параметров устройства с точностью измерений, возможных погрешностей;
  4. Проведен анализ и расчет параметров работы исследуемой системы применительно к контролю характеристик железнодорожного пути, точность результатов которого превышает используемые сегодня методы.

Методы исследования

Все разработанные методы и алгоритмы были протестированы на персональных компьютерах.

В качестве математического аппарата для расчетов использовались:

  1. Ковариационная модель для нахождения оптических передаточных функций;
  2. Преобразование Фурье.
  3. Для проведения численных и аналитических расчетов были использованы программные пакеты MATHCAD, MAPLE.

Для трехмерного моделирования была использована среда 3D MAX.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Методика хранения направления в плоской системе координат. Хранение направления реализуется виртуально через результаты периодических угловых измерений.
  2. Алгоритм построения математической модели системы.
  3. Анализ и расчет возможных ошибок системы хранения направления. Возможные пути их компенсации.
  4. Практическая реализация предложенного метода для контрля параметров железнодорожных путей.

Научная новизна результатов диссертационного исследования:

  1. Обоснована необходимость создания и применения нового подхода в области хранения направления;
  2. Найден новый алгоритм, позволяющий осуществлять хранения направления, основываясь на результатах угловых измерений;
  3. Построена математическая модель системы, позволяющая рассмотреть специфику ее работы, детально рассмотрены возможные погрешности измерений, определена потенциальная точность измерений;
  4. Подана заявка на изобретение устройства, работа которого построена на одной из реализаций исследуемой оптико-электронной системы.

Научная ценность работы состоит в разработке и исследовании принципиально новой оптико-электронной системы, в основе работы которой лежит идея отказа от традиционного физического хранения.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики, алгоритмов расчета оптико-электронной системы, позволяющей производить контроль параметров железнодорожного полотна. При этом стоимость и точность метода вполне конкурентоспособна по сравнению с современными аналогами.

Личный вклад автора

Все полученные в ходе исследования математические и аналитические расчеты и зависимости принадлежат автору. Им разработаны модель работы метода, исследованы все возможные причины возникновения погрешностей, проведена оценка точности метода при различных условиях эксплуатации.

Апробация работы

Основные результаты исследования на 3-х международных конференциях и научно-технической конференции студентов и молодых ученых МИИГАиК.

Публикации

По материалам работы опубликованы 2 статьи в рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 120 страниц машинописного текста.

  1. Содержание работы

Во введении приводится краткий исторический очерк методов определения и хранения направления с древнейших времен до наших дней.

В первой главе проводится обзор современных устройств хранения направления – гироскопов.

В ходе проведенного исследования были выявлены недостатки, присущие каждому типу гироскопических устройств, а также общие особенности работы, вносящие погрешности в измерения.

Анализ показал, что в классических системах определения ориентации инерциальные датчики дополнены датчиками положения, выполняя измерения каждые в своем спектре изменения угловых скоростей. При этом относительные погрешности измерений, выполненные гироскопами в низкочастотной области спектра, увеличиваются и могут быть одного порядка с измеряемыми величинами. В этом случае необходимо периодически корректировать измеряемые данные, используя независимые измерения.

У всех исследованных типов гироскопов обнаружен общий недостаток – интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени, при этом создавая необходимость периодического выставления гироскопа по заданному направлению, что влияет как на точность измерений, так и на удобство его эксплуатации.

 Точности гироскопов представлены на рис. 1-0

Точности гироскопов представлены на рис. 1

Таким образом, интересна разработка нового подхода к хранению направления, идеей которого станет отказ от так называемого физического метода хранения направления. При этом оно может виртуально сохраняться через результаты угловых измерений, производящихся с момента запуска устройства.

Идея метода должна быть универсальна, и конкретика ее применения в той или иной области может варьироваться лишь от массогабаритных параметров навигационного устройства.

При этом стоимость должна быть конкурентоспособной по отношению к существующим сегодня приборам.

Предлагается схема работы метода, в основе которой лежит взаимодействие двух каналов: опорного и измерительного. При этом в качестве плоскости измерения предлагается выбрать плоскость вращения инерционной массы – маховика. Он закреплен на контролируемом основании в подшипниках. Таким образом, его работа никак не будет связана с вращением самого основания.

Целью совместной работы опорного и измерительного каналов является определение угловых поворотов основания, на котором они расположены.

Схемы обоих каналов представлены на рис. 2 и 3.

 Опорный канал Измерительный-1

Рис.2

Опорный канал

 Измерительный канал Системы обоих-2

Рис. 3

Измерительный канал

Системы обоих каналов расположены на основании, положение которого контролируется. Это позволяет избежать рассогласований в работе внутри каждого из каналов.

Дается подробное описание работы опорного и измерительного каналов. При этом уделяется особое внимание работе опорного, в котором происходит компенсация поворотов основания оптическими методами, что делает возможным связать с ним хранимое направление.

Ход лучей до поворота основания показан на рис. 4 толстыми линиями. Излучение от источника 1 попадает на коллимирующую линзу 2, после чего, отразившись, - в объектив приемной системы 3. Рабочее отверстие 4 располагается в задней фокальной плоскости объектива, что позволяет получить промежуточное изображение, которое через конденсор 5 попадает на фотоприемное устройство 6.

При повороте основания на некоторый угол вместе с ним повернется, и вся система опорного канала, что показано на рис. 4. Тогда согласно законам оптики отраженный луч повернется в противоположную сторону на угол . Однако промежуточное изображение после прохождения излучения объектива 3 все равно будет сформировано в плоскости рабочего отверстия 4. После чего оно попадет на фотоприемное устройство 6.

Таким образом, период появления электронных импульсов на фотоприемнике 6 не будет зависеть от вращения основания (рис. 5). Хранимое направление можно связать с этими импульсами.

 Ход лучей в опорном канале до и-5

Рис. 4

Ход лучей в опорном канале до и после поворота основания (вид сверху)

Рис. 5

Сигнал опорного канала не зависит от поворотов основания

Сигнал на фотоприемнике измерительного канала (рис. 6) возникает с учетом задержки (опережения) с случае поворота основания в направлпении совпадающем или противоположном вращению маховика.

Рис. 6

Сигнал измерительного канала с учетом вращения основания

Таким образом, сопоставление сигналов опорного и измерительного каналов позволяет получить сигнал рассогласования, который в свою очередь несет информацию об изменении углового положения основания .

Во второй главе приводится построение математической модели, позволяющей описать работу исследуемого метода хранения направления.

Логика работы устройства, реализующего исследуемый метод, а также преобразования оптических сигналов в системах каналов, описаны через систему передаточных функций компонентов.

Для опорного канала найдены передаточные функции следующих компонентов: коллиматора, отражателя, объектива приемной системы, рабочего отверстия, конденсора, фотоприемника.

Для измерительного канала: объектив приемной системы и конденсор, входящие в оптическую пару, рабочее отверстие, фотоприемник.

Полученные значения, сопоставленные со скоростью вращения маховика, позволяют получить форму импульсов на фотоприемнике.

В результате расчетов, полученные передаточные характеристики имею виды:

- для опорного канала;

- для измерительного канала.

Тогда формы электрических сигналов опорного и измерительного каналов будут выражаться зависимостями:

Угол поворота основания может быть найден по формуле, учитывающей время появления данных сигналов относительно друг друга и угловую скорость вращения маховика:

Вариант реализации электронного тракта для исследуемой системы имеет вид:

На схеме: ФПУ ОК и ФПУ ИК – фотоприемные устройства опорного и измерительного каналов, t1 и t2 – время появления импульсов.

В третьей главе проводятся расчеты погрешностей измерений метода.

К случайным погрешностям отнесена угловая погрешность измерительного канала. Ее причина заключается в том, что не известен момент начала вращения основания во время одного периода вращения маховика. Погрешность рассчитана исходя из наиболее неблагоприятных возможных условий. Рассчитанное значение представлено как угловая ошибка измерения и как временная ошибка появления импульса на фотоприемнике. Построенные предельные зависимости и соответствуют частоте вращения маховика 10 Гц, то есть 600 об/мин.

Результаты представлены на рис. 7.

По оси абсцисс отложена частота поворотов основания в секундах.

По оси ординат – временная (с, секунды) и угловая (", секунды) ошибки появления сигнала.

 а) б) Предельные временная (а) и-23

 а) б) Предельные временная (а) и-24

а) б)

Рис. 7

Предельные временная (а) и угловая (б) ошибки измерительного канала

К инструментальным отнесена погрешность смещения промежуточного изображения в плоскости рабочего отверстия опорного канала в результате искривления фокальной плоскости при повороте основания.

Ситуация представлена на рис. 8. Позициями 1 и 2 обозначен объектив приемной системы опорного канала до и после поворота основания на угол соответственно. Положение промежуточных изображений 3 и 4 в плоскости рабочего отверстия будут отличаться на угол .

 Ошибка формирования изображения при-29

Рис.8

Ошибка формирования изображения при повороте основания

Рассчитанная зависимость угловой ошибки (в секундах) от угла поворота основания (в градусах) представлена на рис. 9.

 Угловая ошибка измерений при-32

Рис. 9

Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°…15°

Особый интерес представляет участок в интервале углов поворотов основания 0°…3.75° с ошибкой измерений, не превышающей 1", что может оказаться полезным при проектировании устройства, ориентированного на работу с данной точностью.

Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°…3.75° представлена на рис. 10.

 Угловая ошибка измерений при-33

Рис. 10

Угловая ошибка измерений при повороте основания в диапазоне углов 0°…3.75°

Рассчитано угловое поле прибора, реализующего исследуемую систему хранения направления. Его значение связано с диапазоном возможных измерений поворотов контролируемого основания. При этом показано, что его увеличение ведет к увеличению габаритов устройства.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.