УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2000 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к устройствам, осуществляющим преобразование световой информации в электрическую, и может быть использовано для измерения пространственного положения объекта в устройствах, предназначенных для слежения за объектами в пространстве, для определения ориентации различных объектов, для измерения смещения объектов в пространстве и т.п. при наличии мощных фоновых засветок.

Известно устройство для определения положения светового пятна [1], состоящее из источника светового излучения, оптически связанного с фотоприемником "мультискан", содержащим делительную и общую шины, двух источников смещения, соединенных между собой и с делительной шиной, а также блока преобразования электрического сигнала (напряжение в напряжение), выполненного в виде операционного усилителя, собранного по схеме повторителя с высоким входным сопротивлением и соединенного с общей шиной. Данное устройство обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм. При работе данного устройства в специальных условиях при отсутствии посторонних засветок ошибки в измерении координаты составляют величину менее 3 мкм. Однако при наличии посторонних фоновых засветок, мощность которых соизмерима с мощностью полезного сигнала, возникают ошибки в определении координаты величиной более 100 мкм.

Известно устройство для определения положения объекта - светового пятна [2] , взятое нами в качестве прототипа, состоящее из генератора импульсов, модулирующего световое излучение, источника излучения, оптически связанного с ним фотоприемника "мультискан", имеющего делительную и общую шины, двух источников смещения и блока преобразования электрического сигнала, выполненного в виде преобразователя ток-напряжение, а также из соединенных последовательно фильтра высоких частот, синхронного детектора и интегратора. Данное устройство обладает координатной чувствительностью 0,01 мкм и статистической погрешностью 0,2 мкм, кроме того, оно способно определять положение модулированного светового сигнала в присутствии фоновых засветок, превышающих мощность полезного сигнала более чем в 200 раз. Однако данное устройство рассчитано на непрерывное измерение координат одного источника оптического излучения, что предполагает плавное перемещение эквипотенциали фотоприемника "мультискан" вдоль его фоточувствительной поверхности. Определение положения объекта в трехмерном пространстве предполагает определение его координат по излучению трех источников светового излучения, жестко связанных с этим объектом. В этом случае фотоприемник "мультискан" должен работать последовательно по трем излучателям, формируя последовательно во времени три координатных отсчета (три положения эквипотенциали) за время, определяемое необходимым быстродействием системы. При этом при переходе от регистрации координаты одного излучателя к регистрации координаты другого происходит скачкообразное перемещение положения эквипотенциали фотоприемника "мультискан" вдоль его фоточувствительной площадки. Такое перемещение эквипотенциали в присутствии фоновой засветки вызывает мощный электрический сигнал, обусловленный быстрым изменением фототока на выходе фотоприемника. Этот токовый импульс приводит к насыщению, как входного преобразователя, так и тракта усиления по переменному току, вызывая длительный переходной процесс, ограничивающий как быстродействие системы, так и ее точность. То есть данное устройство не обладает устойчивостью к переходным процессам, возникающим при быстром последовательном измерении координат трех излучателей, и не дает возможности определять пространственное положение объекта.

Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, использующего один мультискан, для последовательного определения трех пространственных координат положения объекта в условиях фоновых засветок при сохранении быстродействия и точности определения координат.

Указанная задача решается устройством, содержащим генератор импульсов, первый источник светового излучения и оптически связанный с ним фотоприемник "мультискан", имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и первый интегратор, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот и синхронный детектор, электрически связанный с генератором, первый источник светового излучения соединен с первым выходом генератора импульсов, одними выводами источники смещения соединены с соответствующими выводами делительной шины, другими - между собой, а вход преобразователя ток-напряжение соединен с общей шиной фотоприемника "мультискан", в котором новым является то, что в устройство дополнительно введены второй и третий источники светового излучения, пять ключей, второй, третий и четвертый интеграторы, первый, второй и третий блоки хранения информации и источник тока, причем генератор импульсов выполнен в виде многоканального, к выходу преобразователя ток-напряжение подсоединен первый вход первого ключа, к выходу которого подсоединен четвертый интегратор, выход которого соединен с первым входом второго ключа, к его соответствующим выходам подсоединены первый, второй и третий блоки хранения информации, а их выходы подсоединены к соответствующим входам третьего ключа, к выходу которого подсоединен источник тока, выход источника тока подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение, параллельно с первым интегратором подсоединены второй и третий интеграторы, входы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими выходами четвертого ключа, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими входами пятого ключа, выход которого соединен с объединенным выводом источников смещения, второй и третий источники светового излучения соединены соответственно со вторым и третьим выходами генератора, четвертый выход генератора соединен со вторыми входами второго и четвертого ключей и с четвертыми входами третьего и пятого ключей, а пятый выход генератора соединен со вторыми входами первого ключа и синхронного детектора.

Сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Конструкция устройства позволяет устранить мощные переходные процессы, возникающие в системе при переключении каналов, скомпенсировать на входе преобразователя ток-напряжение фототоки фоновых засветок и тем самым обеспечить возможность работы устройства при регистрации координат последовательно по трем каналам (соответствующим измеряемым координатам), то есть позволяет регистрировать положение объекта в трехмерном пространстве при сохранении быстродействия и точности.

Дополнительно введенные два источника излучения дают возможность пространственного координирования объекта. Три блока хранения информации необходимы для запоминания выделенных значений фототоков фоновой засветки для каждой из трех измеряемых координат, а управляемый напряжением источник тока - для компенсации фототока фоновой засветки.

Первый ключ необходим для коммутации выхода преобразователя ток-напряжение и входа четвертого интегратора в моменты, когда отсутствуют импульсы полезного сигнала, а присутствуют только фототоки фоновой засветки. Второй, третий, четвертый и пятый ключи служат для подключения элементов схемы в соответствии с номером регистрируемого излучателя. Второй ключ служит для последовательной во времени коммутации выхода четвертого интегратора с входами блоков хранения информации, третий - для последовательной коммутации выходов блоков хранения информации и входа источника тока, четвертый - для последовательной коммутации выхода синхронного детектора и входов первого, второго и третьего интеграторов, пятый ключ - для последовательной коммутации выходов этих интеграторов с объединенным входом источников смещения.

Дополнительно введенные второй и третий интеграторы, подсоединенные параллельно первому интегратору, дают возможность работы по трем каналам. Последовательная коммутация данных интеграторов к синхронному детектору и источникам смещения осуществляется четвертым и пятым ключами в соответствии с номером излучателя, координата которого регистрируется в данный момент.

Дополнительно введенные первый, второй и третий ключи для коммутации, преобразователь ток-напряжение, четвертый интегратор и блоки хранения информации, коммутируемые в соответствии с номером регистрируемого излучателя совместно с введенным источником тока, управляемым напряжением, позволяют подавить на выходе преобразователя ток-напряжение напряжение, вызванное воздействием, как самих токов фоновых засветок, так и изменений фоновых засветок при переключении с канала на канал.

Многоканальный генератор формирует пять импульсных последовательностей, синхронизованных между собой и управляющих работой элементов схемы, т.е. генерирует модулирующий сигнал, питающий источники излучения и обеспечивает работу всего устройства путем управления ключами и синхронным детектором через их управляющие входы, которыми являются вторые входы первого, второго, четвертого ключей и синхронного детектора, а также четвертые входы третьего и пятого ключей. С генератора непрерывная последовательность импульсов частотой f_м подается на второй вход первого ключа для выделения фоновой составляющей входного сигнала и на второй вход синхронного детектора для выделения полезного сигнала. Кроме того, в многоканальном генераторе формируются импульсы длительностью ΔT, из которых формируются три сдвинутых друг относительно друга последовательности импульсов ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃, которые управляют тремя импульсными источниками светового излучения и вторым, третьим, четвертым, пятым ключами, обеспечивая формирование сигнала на каждом из трех интеграторов (или на первом, или на втором, или на третьем) и на каждом из трех блоках хранения информации (или на первом, или на втором, или на третьем) в соответствии с номером излучателя, координата которого определяется в данный момент.

Таким образом, появляется возможность обеспечить решение задачи изобретения - сохранить точность и быстродействие системы в условиях работы с тремя источниками светового излучения.

Суть изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема устройства, где:
1 - многоканальный генератор;
2 - первый источник светового излучения;
3 - фотоприемник "мультискан";
4 - делительная шина "мультискана";
5 - общая шина "мультискана";
6 - источник смещения;
7 - источник смещения;
8 - преобразователь ток-напряжение;
9 - фильтр высоких частот,
10 - синхронный детектор;
11 - первый интегратор;
12 - второй источник светового излучения;
13 - третий источник светового излучения;
14 - первый ключ;
15 - второй ключ;
16 - третий ключ;
17 - четвертый ключ;
18 - пятый ключ;
19 - второй интегратор;
20 - третий интегратор;
21 - четвертый интегратор;
22 - первый блок хранения информации;
23 - второй блок хранения информации;
24 - третий блок хранения информации;
25 - источник тока.

В предлагаемом устройстве источники смещения 6 и 7 соединены между собой и с делительной шиной мультискана 4, вход преобразователя ток-напряжение 8 соединен с общей шиной 5, выход преобразователя ток-напряжение 8 через ключ 14 соединен с входом интегратора 21, выход которого через ключ 15 соединен с входами блоков хранения информации 22, 23 и 24, выходы блоков хранения информации 22, 23 и 24 через ключ 16 соединены с входом источника тока 25, выход которого соединен с входом преобразователя ток-напряжение 8, выход преобразователя ток-напряжение 8 соединен с входом фильтра высоких частот 9, выход которого соединен с входом синхронного детектора 10, выход синхронного детектора 10 через ключ 17 соединен с входами интеграторов 11, 19 и 20, выходы которых через ключ 18 связаны с объединенными выводами источников смещения 6 и 7, а каждый их источников излучения 2, 12 и 13 соединен с соответствующим выходом многоканального генератора 1, его четвертый выход соединен со вторыми входами ключей 15, 17 и с четвертыми входами ключей 16, 18, пятый выход многоканального генератора 1 соединен со вторым входом ключа 14 и со вторым входом синхрогенератора 10.

Устройство работает следующим образом. При работе по трем источникам цикл работы схемы разделяется на три равных временных интервала ΔT, соответствующих формированию координатного отсчета от первого источника излучения 2 - ΔT₁, второго источника излучения 12 - ΔT₂ и третьего источника излучения 13 - -ΔT₃ (ΔT = ΔT₁= ΔT₂= ΔT₃), причем длительность световых импульсов τ модулированного излучения при скважности равной 0,5 удовлетворяет соотношению τ ≤ 0,1ΔT. Импульсы длительностью ΔT и τ синхронизованы между собой и формируются в многоканальном генераторе 1. Поскольку координаты трех источников излучений 2, 12 и 13 различны, каждому из них соответствует свое значение фототока фонового сигнала.

Рассмотрим работу устройства в течение интервала ΔT₁, во время которого происходит формирование сигнала, пропорционального координате первого источника излучения 2. Модулированный оптический сигнал первого источника излучения 2 вместе с фоновой засветкой, попадая на фоточувствительную площадку фотоприемника "мультискан" 3, вызывает электрический ток, состоящий из переменной составляющей, соответствующей модулированной части оптического сигнала I_с, и постоянной составляющей тока, соответствующей фоновой засветке I_ф. Эти токи протекают через общую шину "мультискана" 5 и поступают на вход преобразователя ток-напряжение 8. С выхода преобразователя ток-напряжение 8 сигнал поступает на первый ключ 14, управляющее напряжение которого, подаваемое от генератора 1, синхронизовано с частотой модуляции оптического сигнала. Этот ключ 14 коммутирует выход преобразователя ток-напряжение 8, подключая его к входу четвертого интегратора 21 в те моменты, когда отсутствуют импульсы полезного сигнала, а присутствуют только фототоки фоновой засветки. В результате на выходе четвертого интегратора 21 формируется усредненное за время ΔT₁ значение напряжения, соответствующее уровню фона, который присутствует на фотоприемнике при регистрации координаты первого источника излучения 2. Четвертый интегратор 21 через второй ключ 15 в течение всего периода ΔT₁ подключен к первому блоку хранения информации 22, на котором, сформированное на интеграторе 21, напряжение запоминается и хранится. Выходное напряжение первого блока хранения информации 22 подается через третий ключ 16, работающий синхронно со вторым ключом 15, на вход управляемого напряжением источника тока 25, выход которого подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение 8. Тем самым создается обратная связь, компенсирующая ток фоновой засветки, поступающий на преобразователь ток-напряжение 8 с общей шины 5 "мультискана" 3. В результате этого на выходе преобразователя ток-напряжения 8 формируются только импульсы переменного тока, вызванного полезным сигналом, поступающим от первого источника излучения 2.

По окончании ΔT₁ и начале интервала ΔT₂, когда первый источник излучения 2 выключается, а включается второй источник излучения 12, второй ключ 15, на который подаются от генератора 1 управляющие импульсы, синхронизованные с ΔT₁,ΔT₂ и ΔT₃, отключает выход четвертого интегратора 21 от входа первого блока хранения информации 22 и подключает его к входу второго блока хранения информации 23, в котором формируется напряжение, пропорциональное фототоку фоновой засветки в координате второго источника излучения 12, одновременно третий ключ 16 подключает источник тока 25 к выходу второго блока хранения информации 23, и источник тока 25 вырабатывает ток, компенсирующий I_ф2. С началом ΔT₃ второй ключ 15 подключается к третьему блоку хранения информации 24, и процедура повторяется.

Постоянная времени четвертого интегратора 21 выбрана так, что за время ΔT на его выходе успевает установиться напряжение, соответствующее напряжению, необходимому для компенсации действующей величины фонового тока, а напряжения на выходах первого 22, второго 23 и третьего 24 блоков хранения информации поддерживаются постоянными в течение времени 2ΔT, т.е. времени, в течение которого они отключены от выхода четвертого интегратора 21. При каждом подключении к четвертому интегратору 21 величины выходных напряжений блоков хранения информации 22, 23 и 24 корректируются в соответствии с медленно меняющимися значениями I_ф1, I_ф2, I_ф3.

С выхода преобразователя ток-напряжение 8 сигнальные импульсы, отфильтрованные от токов фоновых засветок, подаются на фильтр высоких частот 9, в котором происходит усиление сигнальных импульсов и подавление низкочастотных. С выхода фильтра высоких частот 9 напряжение поступает на синхронный детектор 10, опорное напряжение которого синхронизовано генератором 1 с частотой модуляции оптического сигнала. С синхронного детектора 10 через четвертый ключ 17, работающий синхронно со вторым ключом 15, напряжение подается в соответствии с интервалами ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃ на первый 11, второй 19 и третий 20 интеграторы, выходы которых через пятый ключ 18, работающий синхронно с четвертым ключом 17, подаются на вход источников смещения 6 и 7, управляющих смещением эквипотенциали "мультискана" 3.

При попадании на фотоприемную площадку модулированного сигнала на выходе синхронного детектора 10 в каждом интервале ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃ возникает напряжение, изменяющее выходное напряжение соответствующего интегратора (11, 19 или 20) и положение нулевой эквипотенциали "мультискана" 3 до тех пор, пока напряжение на выходе синхронного детектора 10 не станет равным 0. Равенство 0 на выходе синхронного детектора 10 в каждом интервале ΔT₁,ΔT₂,ΔT₃, соответствует такому положению эквипотенциали, при котором она находится на середине изображения модулированного оптического сигнала последовательно для трех излучателей. Изменение положения оптических пятен вызывает изменение напряжения на выходе первого 11, второго 19 и третьего 20 интеграторов, обеспечивающее перемещение эквипотенциали в новое положение, соответствующее изменившейся координате светового сигнала каждого источника светового излучения 2, 12 и 13.

Пример. Для подтверждения возможности измерения трех координат объекта при наличии посторонних засветок было собрано устройство, блок-схема которого представлена на чертеже. В данном устройстве использовался фотоприемник типа "мультискан" длиной 20 мм [2]. Преобразователь ток-напряжение был собран на операционном усилителе типа 544УД2 по стандартной схеме источника напряжения, управляемого током [3, с. 170]. Все пять коммутирующих ключей являются аналоговыми ключами на МОП-транзисторах типа К590КН1, управляемых цифровыми сигналами синхрогенератора. Многоканальный генератор состоит из генератора прямоугольных импульсов Г5-54, трех токовых ключей, собранных по схеме коммутатора на биполярном транзисторе КТ827А [3, с.279], аналогового ключа типа К590КН6, управляющего работой коммутирующих ключей. Каждый блок хранения информации выполнен в виде инвертирующего интегратора на микросхеме К140УД8 [3, с. 141] . Источник тока, управляемый напряжением, выполнен на интегральной микросхеме К140УД17 по схеме описанной в [3, с. 172]. Фильтр высоких частот, предназначенный для предварительной фильтрации модулированного сигнала и его усиления, состоит из двух усилительных каскадов с емкостной связью, собранных на операционных усилителях 140УД17 в инвертирующем и неинвертирующем включении [3, с.74 и 76]. Синхронный детектор собран по схеме коммутатора напряжения с переменой знака [3, с.282] и состоит из операционного усилителя типа 140УД17 и аналоговых ключей 590КН4, управляемых цифровыми сигналами. Интеграторы собраны по стандартной схеме инвертирующего интегратора [3, с. 141] на операционном усилителе 544УД2А. В качестве источников светового излучения используются светодиоды ЗЛ107Б. Источники смещения собраны как схемы вычитания на операционных усилителях 140УД17 [3, с. 139] . Источники смещения сдвигают выходное напряжение интегратора U_инт на величину +ΔU и -ΔU, так что на их выходах формируются напряжения U_ИHT+ΔU и U_ИHT-ΔU. Напряжение сдвига ±ΔU вырабатывается схемой, входящей в состав схемы источников смещения и выполненной в соответствии с [3, с.267].

Экспериментально показано, что при мощности светового сигнала 10^-8 Вт с частотой модуляции 8 кГц ошибка в измерении координат центров световых сигналов по каждому из трех излучателей не превышала 15 мкм в диапазоне измерений 20 мм при изменении мощности фоновой засветки от 0 до 2•10^-6 Вт (в прототипе ошибка составляла 40 мкм). Прототип и предлагаемое устройство позволяют зарегистрировать координату источника светового излучения: в прототипе время формирования координаты составляет 10 мс. в предлагаемом устройстве - время формирования отсчетов по каждому каналу (ΔT) составляло 3 мс на канал (за 10 мс происходит регистрация 3 координат).

Сравнение точности нового устройства с точностью, указанной в описании прототипа, показало, что переход к трехканальному последовательному во времени принципу действия с использованием дополнительно введенных наборов ключей, интеграторов и блоков хранения информации не ухудшило точность устройства. Быстродействие нового устройства с точки зрения минимального времени, необходимого для формирования координатных отсчетов трех излучателей, такое же, как в прототипе для координатного отсчета одного излучателя. В прототипе переход от одного излучателя к другому вызывает перегрузку канала и переходные процессы в нем, продолжающиеся 70-100 мс, что не обеспечивает возможность использовать его для пространственного определения положения объекта.

Предлагаемое устройство может применяться в мультимедийной технике для обеспечения ориентации в пространстве виртуальной реальности, для процессов стыковки летающих аппаратов в космосе и т.п.

ЛИТЕРАТУРА
1. Берковская К. Ф., Кириллова Н.В., Подласкин Б.Г., Столовицкий В.М., Токранова Н. А. Позиционно-чувствительный фотоприемник мультискан с высоким координатным разрешением. Сб. Научно-технические достижения. - М.:ВИМИ, 1992, вып.2, с.22-25.

2. Подласкин Б.Г., Токранова Н.А., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А. Устройство для определения положения светового пятна. Патент Российской Федерации N 2097691, БИ N 33, 1997.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: Мир, 1983, 512 с.

Устройство для определения пространственного положения объекта, слежения за объектами в пространстве, определения ориентации различных объектов или измерения смещения объектов в пространстве. Устройство использует один фотоприемник "мультискан" для последовательного определения трех пространственных координат положения объекта в условиях фоновых засветок при сохранении быстродействия и точности определения координат. Устройство содержит генератор импульсов, первый источник светового излучения и оптически связанный с ним фотоприемник "мультискан", имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и первый интегратор, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, фильтр высоких частот и электрически связанный с генератором синхронный детектор. Первый источник светового излучения соединен с первым выходом генератора импульсов, одними выводами источники смещения соединены с соответствующими выводами делительной шины, другими - между собой, а вход преобразователя ток-напряжение соединен с общей шиной фотоприемника "мультискан". В устройство дополнительно введены второй и третий источники светового излучения, пять ключей, второй, третий и четвертый интеграторы, первый, второй и третий блоки хранения информации и источник тока. Генератор импульсов выполнен многоканальным. К выходу преобразователя ток-напряжение подсоединен первый вход первого ключа. К выходу первого ключа подсоединен четвертый интегратор, выход которого соединен с первым входом второго ключа. К соответствующим выходам второго ключа подсоединены первый, второй и третий блоки хранения информации, а их выходы подсоединены к соответствующим входам третьего ключа. К выходу третьего ключа подсоединен источник тока, выход источника тока подсоединен к входу преобразователя ток-напряжение. Параллельно с первым интегратором подсоединены второй и третий интеграторы, входы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими выходами четвертого ключа. Первый вход четвертого ключа - с выходом синхронного детектора. Выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими входами пятого ключа, выход которого соединен с объединенным выводом источников смещения. Второй и третий источники светового излучения соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора. Четвертый выход генератора соединен с вторыми входами второго и четвертого ключей и с четвертыми входами третьего и пятого ключей, а пятый выход генератора соединен с вторыми входами первого ключа и синхронного детектора. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.

Устройство для определения положения объекта, содержащее генератор импульсов, первый источник светового излучения и оптически связанный с ним фотоприемник "мультискан", имеющий делительную и общую шины, два источника смещения и первый интегратор, последовательно соединенные преобразователь ток - напряжение, фильтр высоких частот и синхронный детектор, электрически связанный с генератором, первый источник светового излучения соединен с первым выходом генератора импульсов, одними выводами источники смещения соединены с соответствующими выводами делительной шины, другими - между собой, а вход преобразователя ток - напряжение соединен с общей шиной фотоприемника "мультискан", отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены второй и третий источники светового излучения, пять ключей, второй, третий и четвертый интеграторы, первый, второй и третий блоки хранения информации и источник тока, причем генератор импульсов выполнен многоканальным, к выходу преобразователя ток - напряжение подсоединен первый вход первого ключа, к выходу которого подсоединен четвертый интегратор, выход которого соединен с первым входом второго ключа, к его соответствующим выходам подсоединенным первый, второй и третий блоки хранения информации, а их выходы подсоединены к соответствующим входам третьего ключа, к выходу которого подсоединен источник тока, выход источника тока подсоединен к входу преобразователя ток - напряжение,
параллельно с первым интегратором подсоединены второй и третий интеграторы, входы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими выходами четвертого ключа, первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, выходы первого, второго и третьего интеграторов соединены с соответствующими входами пятого ключа, выход которого соединен с объединенным выводом источников смещения, второй и третий источники светового излучения соединены соответственно с вторым и третьим выходами генератора, четвертый выход генератора - с вторыми входами второго и четвертого ключей и с четвертыми входами третьего и пятого ключей, а пятый выход генератора - с вторыми входами первого ключа и синхронного детектора.