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

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

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.

Рис.2

Опорный канал

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.

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)

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 .

Рис.8

Ошибка формирования изображения при повороте основания

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

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.

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.