СПОСОБ КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА ОТНОСИТЕЛЬНО ОПОРНОГО НАПРАВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E21C35/24 

Предлагаемый способ относится к области горного дела, а более конкретно
к лазерным способам контроля смещения подвижного объекта типа горнопроходческого щита относительно опорного направления. Способ может быть использован также для контроля подкрановых путей и линейнопротяженных объектов таких, как корпуса кораблей и ракет, при строительстве высотных зданий и сооружений.

Известен способ контроля смещения, включающий задание опорного направления в виде узкого светового пучка лазерного излучения, установку в заданном месте створа светоприемного устройства в виде плоского полупрозрачного экрана, на котором образуется световое пятно, регистрацию этого пятна телекамерой, нахождение по полученному видеосигналу искомых координат смещения относительно опорного направления [1]
Основным недостатком этого способа является низкая точность контроля положения светового пятна на полупрозрачном экране, вызванная субъективной оценкой человека-оператора.

Известен также способ измерения смещений [2] включающий задание опорного направления в виде потока лазерного излучения, установку в заданных местах створа фотоприемного устройства, содержащего несколько фотоэлементов, расположенных последовательно один за другим по координатным осям Х и Y в плоскости, перпендикулярной опоpному направлению, смещение лазерного луча относительно опорного направления, приведение лазерного луча во вращательное движение вокруг опорного направления так, что в плоскости, перпендикулярной опорному направлению, образуется сканирующая окружность, измерение временных интервалов между выходными импульсами фотоэлементов фотоприемного устройства при их облучении лазерным излучением, определение искомых величин смещения относительно опорного направления как функции времени. При этом должно соблюдаться условие, чтобы за один период сканирования в зону излучения попадало четыре фотоприемных элемента по одному на каждом направлении оси координат Х и Y.

К основным недостаткам этого способа относятся: зависимость диапазона измеряемых величин смещения от размеров фотоприемного устройства, необходимость большого количества фотоприемных элементов, что снижает помехоустойчивость и повышает стоимость устройства, реализующего указанный способ. Снижение точности и достоверности измерений в тех случаях, когда в зону излучения попадает менее чем четыре фотоприемных элемента (3, 2 или 1), поскольку фотоприемные элементы расположены с некоторым промежутком, соизмеримым с диаметром лазерного луча. Кроме того, при работе в дневное время или в условиях высокого уровня фоновой освещенности возникают трудности визуального распознавания информационной зоны, особенно при больших удалениях от лазерного излучателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ для измерения поперечных смещений относительно опорного направления, включающий задание опорного направления, формирование лазерной веерообразной плоскости, вращение ее вокруг оси, совмещенной с опорным направлением, регистрацию моментов пересечения лазерной плоскостью трех фотоприемных элементов, расположенных на одной прямой на известном расстоянии друг от друга, определение временных интервалов между моментами пересечения лазерной веерообразной плоскостью первого и второго, второго и третьего фотоприемных элементов, вычисление координат смещения Х и Y фотоприемного устройства относительно опорного направления.

Известный способ имеет существенные недостатки. Первый недостаток проявляется в том, что точность измерения координат по направлениям Х и Y неодинакова, что следует из точностного анализа способа. Второй недостаток состоит в том, что в случае, когда линия положения фотоприемных элементов совпадает с опорным направлением, измерения выполнять нельзя.

Целью предлагаемого способа является повышение точности контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления.

Поставленная цель достигается тем, что контрольные точки на объекте задают в форме вершин треугольника, дополнительно измеряют интервал времени между моментами пересечения лазерной плоскостью третьей и первой контрольных точек, а координаты подвижного объекта вычисляют по выражениям:



где Х, Y текущие координаты смещения подвижного объекта;
Х₁Y₁, Х₂Y₂, Х₃Y₃ координаты первой, второй и третьей контрольных точек;
A, B, C углы треугольника, образованного контрольными точками;

t₁, t₂, t₃ временные интервалы между моментами пересечения лазерной веерообразной плоскости первой и второй, второй и третьей, третьей и первой контрольных точек;
T период вращения лазерной веерообразной плоскости относительно опорного направления;
π=3,1415...
Новыми признаками предложенного способа является:
расположение фотоприемных элементов в контрольных точках системы координат XOY, связанной с подвижным объектом, в углах треугольника с заданными координатами вершин Х₁Y₁, Х₂Y₂, Х₃Y₃ и известными углами A, B, C при вершинах треугольника;
дополнительное выделение временного интервала между моментами пересечения лазерной веерообразной плоскостью фотоприемных элементов, установленных в третьей и первой контрольных точках.

Расположение фотоприемных элементов в контрольных точках системы кооpдинат XOY, связанной с подвижным объектом, в углах треугольника с заданными координатами вершин Х₁Y₁, Х₂Y₂, Х₃Y₃ и известными углами A, B, C при вершинах треугольника позволяет получать одинаковую точность измерения по направлениям координат Х и Y внутри треугольника, образованного контрольными точками.

Дополнительное выделение временного интервала между моментом пересечения третьего и первого фотоприемных элементов, установленных в третьей и первой контрольных точках, лазерной веерообразной плоскостью позволяет по известному периоду вращения лазерной веерообразной плоскости Т определить углы ее поворота γ, a и b между моментами пересечения указанной плоскостью фотоприемных элементов, установленных в контрольных точках на объекте в вершинах треугольника, и рассчитать смещения Х и Y подвижного объекта относительно опорного направления.

Указанными свойствами не обладает ни одно из известных технических решений. Следовательно, заявленный способ обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 представлено расположение контролируемого подвижного объекта относительно линии опорного направления О₁-O₂.

На фиг. 2 представлены основные геометрические соотношения, поясняющие способ контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления.

Способ контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления осуществляют следующим образом. На одном конце задаваемого направления О₁-О₁ устанавливают источник лазерного излучения 1, который с помощью известных средств [3] создает лазерную веерообразную плоскость 2, которую вpащают вокруг опорного направления О₁-О₁ с угловой скоростью w так, как это показано на фиг. 1. На подвижном объекте 3, положение которого необходимо контролировать относительно линии опорного направления О₁-О₁, выбирают прямоугольную систему координат ХОY (фиг. 1 и фиг. 2), в которой в контрольных точках, расположенных в вершинах треугольника, устанавливают три фотоприемных элемента 4, 5, 6. Координаты Х₁Y₁ первого фотоприемного элемента 4, координаты Х₂Y₂ второго фотоприемного элемента 5, координаты Х₃Y₃ третьего фотоприемного элемента 6, установленные в первой, второй и третьей контрольных точках соответственно выбранной системы координат ХОY, предварительно известны. По известным координатам Х₁Y₁, Х₂Y₂, Х₃Y₃ фотоприемных элементов 4, 5, 6 вычисляют или измеряют следующие углы: угол A, образованный прямыми, соединяющими первую и вторую и первую и третью контрольные точки, угол B, образованный прямыми, соединяющими первую и вторую и вторую и третью контрольные точки, угол C, образованный прямыми, соединяющими вторую и третью и третью и первую контрольные точки. При вращении лазерной веерообразной плоскости 2 вокруг опорного направления O₁-O₁ она последовательно пересекает фотоприемные элементы 4, 5 и 6, которые в момент контакта с указанной веерообразной плоскостью 2 вырабатывают электрические импульсы (фиг. 2), которые поступают для обработки в известное устройство [3] (на чертеже не показано). Известное устройство измеряет следующие временные интервалы: Т, соответствующий периоду вращения лазерной веерообразной плоскости 2 вокруг линии опорного направления О₁-О₁; временной интервал t₁ между моментом регистрации лазерной веерообразной плоскости 2 фотоприемными элементами 4 и 5, пропорциональный углу поворота лазерной веерообразной плоскости 2 на угол g; временной интервал t₂ между моментом регистрации лазерной веерообразной плоскости 2 фотоприемными элементами 5 и 6, пропорциональный углу поворота лазерной веерообразной плоскости 2 на угол a; временной интервал t₃ между моментом регистрации лазерной веерообразной плоскости 2 фотоприемными элементами 6 и 4, пропорциональный углу поворота лазерной веерообразной плоскости 2 на угол b. Пусть проекция линии опорного направления О₁-О₁ в системе координат ХОY, связанной с подвижным объектом 3, имеет координаты Х и Y (фиг. 2), которые необходимо определить. Если известны координаты Х₁Y₁ первого фотоприемного элемента 4, установленного в первой контрольной точке, координаты Х₂Y₂ второго фотоприемного элемента 5, установленного во второй контрольной точке, координаты Х₃Y₃ третьего фотоприемного элемента 6, установленного в третьей контрольной точке, в системе координат XOY и углы A, B, C, то по измеренным временным интервалам t₁, t₂ и t₃, пропорциональным углам поворота g, a, b лазерной веерообразной плоскости 2, можно определить координаты Х и Y смещения подвижного объекта 3 относительно опорного направления О₁-О₁ следующим образом [4, 5]


где

π=3,1415...
В основу предложенного способа контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления О₁-О₁ положен метод обратной геодезической засечки на плоскости (задача Потенота) [4, 5] Решение указанной задачи Потенота состоит в следующем [4, 5] Пусть в заданной системе координат ХОY известны координаты Х_aY_a, Х_bY_b, Х_cY_c трех точек A, B и C, расположенных в вершинах треугольника. Внутри образованного треугольника ABC расположена точка D, кооpдинаты которой Х_dY_d необходимо определить. Если измерить угол γ, образованный прямыми AD и DB, угол a, образованный прямыми BD и DC, угол b, образованный прямыми СD и DA, то координаты Х_dY_d cогласно [4, 5] определяют как:

где Х_а, Х_b, Х_c, Y_a, Y_b, Y_c - координаты данных пунктов
A, B, C в системе координат ХОY;
P_a, P_b, P_c фиктивные грузы, сосредоточенные в вершинах A, B и C соответственно;

A, B, C углы вершин треугольника ABC.

Выполненный анализ точности предложенного способа показывает, что наибольшая точность контроля координат подвижного объекта 3 относительно опорного направления О₁-О₁ обеспечивается в том случае, если контрольные точки, в которых установлены фотоприемные элементы 4, 5, 6, расположены в вершинах равностороннего треугольника, центр которого совпадает с началом выбранной системы координат ХОY. В этом случае координаты X и Y смещения подвижного объекта определяют с учетом следующих соотношений:

Предложенный способ контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления может найти различное применение при решении технических задач, которые возникают при контроле направления движения горнопроходческих щитов, подкрановых путей и линейнопротяженных объектов, таких как корпуса кораблей, самолетов и ракет. Особенно перспективным предложенный способ может оказаться в военном деле при решении задач, связанных с поражением воздушных и наземных целей, при автоматической стыковке орбитальных объектов или когда необходимо вести самолет по линии глиссады в зоне аэродрома.

Положительный эффект от внедрения предложенного способа выразится в повышении точности контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления.

Предложенное изобретение сделано в связи с выполнением служебного задания.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам определения смещения подвижного объекта относительно опорного направления, позволяет повысить точность определения смещения. Для этого формируют вращающуюся вокруг опорного направления лазерную веерообразную плоскость. На подвижном объекте измеряют интервалы времени между пересечениями лазерной плоскостью трех контрольных точек, образующих треугольник в плоскости, перпендикулярной опорному направлению с заданными координатами. По измеренным значениям интервалов времени, заданным значениям координат вершин треугольника и его углов определяют текущие координаты подвижного объекта относительно опорного направления. 2 ил.

Способ контроля смещения подвижного объекта относительно опорного направления, заключающийся в формировании вращающейся вокруг опорного направления лазерной веерообразной плоскости, измерении интервалов времени между моментами пересечения вращающейся лазерной веерообразной плоскостью первой и второй, второй и третьей заданных контрольных точек на подвижном объекте и вычислении координат смещения подвижного объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, контрольные точки на объекте задают в форме вершин треугольника, дополнительно измеряют интервал времени между моментами пересечения вращающейся лазерной плоскостью третьей и первой контрольных точек, а координаты смещения подвижного объекта вычисляют по выражениям




где X, Y текущие координаты смещения подвижного объекта;
X₁, Y₁, X₂, Y₂, X₃, Y₃- координаты первой, второй и третьей контрольных точек;
A, B, C углы треугольника, образованного контрольными точками;

t₁, t₂, t₃ временные интервалы между моментами пересечения лазерной веерообразной плоскостью первой и второй, второй и третьей, третьей и первой контрольных точек;
T период вращения лазерной веерообразной плоскости относительно опорного направления.