Оптическая система наведения подвижного объекта Советский патент 1993 года по МПК G01S3/78 

Изобреге.чие относитсн к оЬласти радиотйхн;ки, а именно к устпойствам naeeriei iMH,, сзриентации и навигации пе нмУ1л их1:,я объектоБ, предназначеннь|х для ак ii-iHf-ioro упоавления траекторией iгс1е;- ещенмя объекта, движу|цегося к ;-;з,паьн-юи гочке пространства, и может быть использовано для проводки как лел1.п&нно п жущих.ся; так и быстро дви;ку|;1ихся судов по фарватерам npi произаодстае землечерпательных стыковке автоматических в том. числе и космических Lieiu, изобретения повышение точ HOiVfi-i наведения подвижного объекта. Из ЗИ|, 1 показана функциональная схеь-а ус ройства ,. расположенного на неподв. объекте; на фиг., 2 функциональ(-.:ая схема устройства, рас по/южеиного на ползи пнок объекте; на 3 й еиен:- Ь;-. ;;.: грэм Д|-1| . Ci-i ,.; i :-м- -1-::ЬеДеМ -1Я 1ОД ..;; 1Г,: с обьекь: содер : ит первый и :-. р-.:, ae 35bie - пйк; и 2, ,v. ,,; ,:)i;:-iyiO I ; iKJC KOCi ;. НаВеДбШпЯ j IiudUieH/isi световых лучей :;:; iridt;: ипн-г8 I и 2 соответственно «i : :; , id Я КО в i ; ; , briOs формироБан-1я и у фавле , -:я t игровыми лучани - -л S, .juB- Xrioii о ъекте ста юв ены :J.,; , срнсниир. / с приемной с|ЛТ -1чес;-.:ои . , i v;i-KvH ; 1оспедобатепы-ю соед 1негг .:;г.1с блок 8 считыван11я заряда с фото:-,;;и;&;-,; liiKa t первый формирователи .игггууг.ьсов 9, первый триггер 10, первая схема разрешения 11, последовательно соединенные второй формирователь ммпупьсоз 12. ждущий культиаибратор 13 5пок }- с(-Н- Хроми:зации J вторая схема рнзре 11ения 15. блок 1б ориентации фо TonpiieMHiiKa, последоза ельно соеди|-- енные селектор-смеситель 17 ревер--::-) c-ieT-JHK 185 второй триггер 18 последователь но соединен ые форимрователь интервалов 20,, ключ 21, счетi.ii.iK . а также третей триггер 23 и б. 2Li- управления перемещением -f- if i :fi:i вдо.пь опорной линии. Первый :.ай второго формирователя импуяьсоы : С,;:.ЗцИМйН СО ВТООЫМ 3 ХСДОМ блОКЗ 8 счить1ваний заряда с фотоприемника, третий и четвертый выходы которого соответственно подключены к первому входу фотоприемника 7, второй вход которого соединен с выходом блока 1б ориентации фотоприемника, а выход .с вторым входом второго, формирователя импульсов 12, и к первому входу селектора-смесителя 17, а пятый выход подключен к второму входу селекторасмесителя 17, третий и четвертый входы которого соответственно подключены к первому и второму выходам второго формирователя импульсов 12, третий вход которого одновременно соединен с первым входом третьего триггера 23, второй вход которого дополнительно подключен к второму выходу второго формирователя импульсов 12, с первым входом формирователя интервалов 20, второй и третий входы которого соотйетственно подключены к четвертому и т|:етьему входам селектора-смесителя 17, с вторым входом первого триггера 10, с вторым входом счетчика 22, выход которого подключен к второму входу первой схемы разрешения 11, с вторым входом реверсивного счетчика l8j второй выход которого подключен к второму входу второй схемы разре (пения 15. с вторым входом второго rpirrepa 19, выход которого подключен к третье.му входу второй схемы разрешения 15 и с вторым выходом блока синхронизации 1, второй вход icoToporo подключен к выходу третьего триггера 23,, а первый выход которого дополнительно соединен с третьим входом первой схемы разрешения 11, выход которой подключен к входу бло1(3 24 управлением перемещением объекта вдоль опорной линии, причем второй выход блока 8 считывания заряда с фотоприемника дополнительно соединен с вторым входом ключа 21, а первый выход второго формирователя импульсов 12 дополнительно соединен с вторым входом первого Формирователя импульсов 9. Первый и второй световые маяки 1 Л 2, расположенные на определенном расстоянии дру от друга, содержат 5 вращающиеся навстречу друг лругу два источника света, в частности лазерные пучки. Точки пространства, в которых световые лучи (лазерные пучки) пересекаются, образуют опорную плоскость наведения 3. Размеры опорной плоскос ти наведения 3 определяются диаграммой направленности световых лучей от световых маяков. Форма и размеры диаграммы направленности задаются блоком 6 формирования и управления световыми лучами. Этим же блоком осуществляется синхронизация противофазного вращения лучей, Ооточувствительным элементом фото приемника 7 с приемной опти ческой системой может служить линейный прибор с зарядовой связью (ПЗС) или фотодиодная структура с ПЗС-регистром. С помощью объектива на фоточувствительную поверхность ПЗС проектируетс оптическое изображение первого и вто рого световых маяков 1 и 2, Количество заряда, накопленного в данном элементе ПЗС, пропорционально числу попавших в эту область фотонов, т.е. ее локальной освещенности элемента-. Считывание заряда осуществляется варьированием подачи соответствующих потенциалов на смежные электроды ПЗС из блока 8 считывания заряда с фотоприемника. Появившиеся на выходе ПЗС видеосигналы усиливаются до величины, необходимой для работы второго формирователя импульсов 12. I Второй формирователь импульсов 12 предназначен для выработки из видеосигналов от маяков 1 и 2 служебных импульсов,необходимых для работы ря да блоков устройства. Ждущий мультивибратор 13 предназначен для выработки импульса, длительность которого определяет зону opиeнYaции объекта. При длительности импульса примерно равной половине периода вращения световых маяков 1 и 2 зона ориентации достигает угла 180°. Ждущий мультивибратор 13 может быть выполнен по типовой схеме одновибратора. Селектор-смеситель 17 предназначен для управления поступлением на вход реверсивного счетчика импульсов 18, поступающих из блока 8. Реверсивный счетчик 18 предназначен для определения величин отклонения центра изображения световых маяг« ков 1 и 2 и формирования служебного импульса, необходимого для определения знака отклонения центра изображения световых маяков 1 и 2, поступающего на вход второго триггера 19 Реверсивный счетчик l8 может содержать счетчик, переключаемый на прямой или инверсный счет, логическую схему, триггер. При достижении счетчиками нулевого состояния логическая схема вырабатывает импульс, который переключает триггер, управляющий работой счетчика в прямом или инверсном счете. До переключения триггера счетчик осуществлял инверсный счет, после переключения - прямой. Емкость счетчика пропорциональна количестеу элементов ПЗС блока йотоприемника 7. Второй триггер 19 предназначен для определения знака отклонения центра изображения световых маяков 1 и 2 и может быть выполнен на основе Т-триггера. Формирователь интервалов 20 служит для формирования импульса, фронт которого соответствует моменту появления сигнала от первого маяка, а срез - от второго маяка. Ключ 21 предназначен для пропускания импульсов с второго выхода блока 8 считывания заряда с фотоприемника при наличии импульса на выходе формировтеля интервалов 20 и может состоять из схемы 2И. Счетчик 22 служит для определения величины отклонения объекта от створа и может содержать счетчики, осуществляющие прямой счет, соединенные по типовой схеме. Первый Формирователь импульсов 9 предназначен для формирования импульсов, управляющих работой первого триггера 10, и может состоять из нескольких схем 2И. Первый триггер 10 служит для определения знака отклонения объекта от створа и может быть выполнен на основе Т-триггера. Первая и вторая схемы разрешения 11 и 15 пропускают информацию о знаке и величине отклонения соответственно фотоприемника 7 и объекта соответственно на блок ориентации фотоприемника 1б и блок 2 управления перемещением объекта вдоль опорной линии. Блок 1б ориентации фотоприемника служит для ориентации фотоприемника 7 в пространстве определенным обра3Of-i и может содержать,, например, ций poai-ia П--с вый преобразователь (ЦАП) , ycMM-iTenb MOdiHocTM, двигатель, механический привод на Лотоприемник 7. Блок.24 управления перемег1;ениен вдоль опорной линии предназнаиен для управления передаижением судна и Mower содержать у например, усилитель мощности, двигатег-.ь, привод, например, на рули судна, Оптимеская систе.м.а наведения подвижного объекта работает следующ 1м образом, Вращение навигационных световых лучей ( и 5, образующих при взаимном пересе-1ении область пространственного створа опорную плоскость навесинхронизированную между собой. Сигналы, необходимые для вращения лучей и 5 от маяков 1 и 2., вырабатываются в блоке 6 Поэтому ориентация луча -t однозначно определяет положение в пространстве луча 5 Углы Kf. и |й в некоторый момент времени задают положение обоих лучей отно сительно опорной плоскости 3 соответ ственно. Опорная плоскость 3 создает доста ;:;ирокий в пгчск;ураистве навигапиоинь створ„ а)чоде объекта в зту область на шото |увстаигельмой по ве| х:-;ос-,и ПЗС фотопрмемника 7 стро л:г;:я .еское изображение маяков 1 н 2, Ьсли огггическая ось блока фотог1:; И;:-1-;;;са 7 совмещена с осью створа. (Г) .зобрагненин маяков будут располо- i. симметрично относительно центра ))ст оприемнлка 7 При отклонении опти геский оси аизирован я вправо ипи йлезс) от оси стзора оси си1-1метр -1 -1 изобрэ :(ений маяков 1 и 2 будут соответственно смещаться в плоскости ПЗС ;;юто ;риенника J, При отклонении объекта от оси створа моменты (рормирования изображений маяков I и 2 будут разнесены во времени на величи-:у„ пропорциональну 0 угповому смеце- -:И10 объекта от опорной плоскости на8еден -1Я 3. Если время накопления сигнала превышает мнтераал времени г.ежду моментами облучения фотоприемника 7 лучами 4 и 5, то видеосигнаг1ы 1рисутстауют s течение одного периодз считывания, с. время накопления меньше ийгераала времени между моментами об.пу.5ення лучами 4 и 5 Аотоприемника 7 ) о и течение одного i-ia периодов тывания зарядовых пакетов из ПЗС будет присутствовать сигнал от одного из маяков, во время одного из последующих периодов - сигнал второго маяка. При этом в системе вырабатывается сигнал, равный разности времени между моментами поступления сигналов от маяков. Знак рассогласования определяется тем, какой из световых навигационных лучей появился на (Ьотоприемнике 7 первым. Когда изображения маяков 1 и 2 расположены симметрично относительно центра фотоприемника, то, если первым появится световой луч ч, то первый из сигналов будет находиться в одной половине периода считывания, если первым появится навигационный луч 5, то видеосигнал будет находиться в другой половине периода считывания. При симметричном расположении обоих маяков 1 и 2 относительно оси симметрии фотоприемника 7 сумма координат удаления изображений маяка 1 и 2, отсчитываемых от любого из краев поля фотоприемника, равна размеру поля фотоприемника 7 вдоль этой координатной оси. Пусть центр изображения первого маяка находится от края К - элементного линейного фотоприемника в К1 элементе, а центр изображения второго маяка - в ., элементе. Модуль разности К,-К определяет разнос изображений маяков в плоскости приемника. При симметричном расположении изображений маяков относительно центра поля - К, К (числу элементов фотоприемника). При отклонении центра с 1мметрии 1/13ображений маяков от центра поля () К. Модуль разности К - () - ДК пропорционален ошибке наведения оси приемника 7, а знак этой величины определяет знак ошибки наведения фотогфиемника 7. I Рассмотрим работу системы в основi-ibix режимах. Объект находится в периферийной зоне створа. На блок фотоприемника 7 поступают сигналы от обоих маяков 1 и 2, Пусгь сигналы от маяков поступают в разные периоды .накопления (фиг.За), поэтому в период вывода зарядовых пакетов из ПЗС (фиг. 36) на вход блока 12. сначала посту.чает сигнал от одного из маяхоь. За теме один из по91

следующих периодов, в зависимости от величины относительного временного запаздывания момента облучения входного зрачка блока фотоприемника 7 световым лучом от второго маяка, с выхода блока 7 в блок It будет поступать сигнал, характеризующий положение изображения второго маяка. При этом на выходе блока 12 появляется импульс (фиг. Зв), передний фронт которого совпадает с моментом появления первого сигнала от одного маяка, а срез его - с моментом завершения периода вывода зарядовых пакетов. Формирование среза осуществляется под воздействием сигналов (фиг. 36),

поступающих в блок 12 из блока 8.

I

Импульс (Ь) с выхода блока обработки сигнала 12 поступает в следующие блоки, в ждущий мультивибратор 13, запуская его, в селектор-смеситель 17, который на время действия импульса (Ь) пропускает импульсы, (е) с выхода блока У на вход реверсивного счетчика l8 (фиг. Зз). Начало импульсов (е) совпадает с началом фазных импульсов, управляющих работой ПЗС 7 (например первой фазы), длительность импульсов (е) несколько меньше длительности фазных импульсов и может состаЬлять, например, половину длительности последних.

При поступлении импульсов (з) с выхода ключевого селектора-смесителя 17 реверсивный счетчик l8 осуществляет обратный счет, т.е. поступающие на вход реверсивного счетчика 18 импульсы будут вычитаться из числа, записанного при его исходной установке, в формирователь интервала 20,. переводя к его из исходного нулевого в единичное состояни е (фиг. Зи) , пропуская при этом через ключ 21 на вход счетчика 22 импульсы накопления (фиг. 36 и Зк). Окончание импульса на выходе формирователя интервала 20 произойдет в момент появления на выходе блока 7 сигнала от другого маяка. На выходе формирователя импульсов 9 вырабатывается импульс (фиг. 3м), если первый сигнал от маяка находится, например, во второй (относительно оси симметрии ПЗС) половине Фотоприемника 7. Длительность импульсов, поступающих с блока 8, равна половине периода считывания, начало совпадает с началом периода считывания информации с ПЗС. Находя23

щийся в исходном нулевом состоянии триггер знака курсового отклонения 10 будет переведен в единичное сосg тояние (фиг. 3м) импульсов, поступившим с выхода формирователя 5 (фиг.Зм).

Через некоторый период времени, определяемый величиной рассогласования между положением объекта и опорQ ной линией створа, в плоскости фотоприемника 7 будет сформировано изображение второго маяка. Сигнал от второго маяка с выхода блока 7 поступает в первый формирователь импульсов

5 9, который формирует импульс (фиг.Зг), передний фронт которого совпадает с моментом появления сигнала от второго маяка, а .срез его формируется в момент окончания интервала считыеа0 ния.

СЛормированный при поступлении сигнала от второго маяка блоком 12 импульс поступает на вход третьего триггера 23 и переводит его из исходного полох ения в единичное состояние. Селектор-смеситель 17 при поступлении на вход импульса (фиг. Зг) с блока 12 пропускает на вход реверсивного сметчика 18 тактовые импульсы с

0 блока 8. Начало этих импульсов

(фиг. Зж) совпадает с началом фазных импульсов, например второй фазы, длительность импульсов (ж) несколько меньше длительности фазных импуль, сов и может составлять, например, по5 .

ловину длительности Фазных импульсов.

Если при обратном счете тактовых импульсов реверсивный счетчик l8 дойдет до нулевого состояния, то на его выQ ходе появляется импульс обнуления, переводяи(ий реверсивный счетчик 18 в режим прямого счета тактовых импульсов и поступающий на вход второго триггера 19, переводя его в единичное

состояние.

45 :

При поступлении импульса (фиг. Зг) с блока 12 на формирователь интервала 20 последний переходит в исходное

нулевое состояние, тем самым закрывая ключ 21, который прекращает пропускание импульсов накопления (фиг. 36) с выхода блока 8 на вход счетчика 22. В результате этого в

счетчике 22 будет записан код, численное значение которого пропорционально величине рассогласования положения объекта относительно опорной плоскости наведения 3.

11 1

Для четкой и синхронной работы всех блоков системы длительность импульсов, вырабатываемых ждущим мультивибратором 13 (йиг. Зо), выбирается меньше половины периода вращения маяков. По окончании импульса с выхода ждуи1его мультивибратора 13 блок синхронизации ik вырабатывает импуль синхронизации (фиг, Зп), длительност которого много меньше периода вращения маяков. Этот импульс вырабатывается только при наличии на входе блока синхронизации И импульса с третьего триггера 23. Импульс синхронизации {фиг, Зп) разрешает перенос информации со следующих блоков через вторую схему разрешения 15 и первую схему разрешения 11 соответственно в блоки ориентации фотоприемника 16 и управления объектом

с реверсивного счетчика 18, в котором записано значение рассогласования оси фотоприемника 7, с второго триггера - знак отклонения оси симметрии фотоприемника от направления на ось симметрии маяков;

со счетчика 22,. несущего информацию о величине рассогласования курса объекта относительно опорной плоскости наведения 3;

с первого триггера 10, характеризующего знак отклонения курсаобъекта от опорной плоскости наведения 3.

По окончании импульса синхронизации (фиг, Зп) блок синхронизации вырабатывает второй импульс (фиг, Зр) длительностью много меньше периода считывания, который устанавливает триггер 23, 10 и 19, счетчики 22 и 18, формирователь интервала 20 и второй йормирователь 12 в исходное состояние, В этом состоянии в реверсивном счетчике lO будет записано число, равное числу элементов фотоприемника или числу, соответствующему длине фотоприемника. Блок 12 устанавливается в состояние, при котором импульс (фиг. Зв) появится только при поступлении сигнала от маяка.

Работа системы в режиме наведения при малых отклонениях объекта относительно опорной линии створа.

При незначительных отклонениях курса объекта относительно опорной

7237+

12

плоскости наведения 3 сигналы от маяков 1 и 2 поступают практически одновременно.

Оба сигнала присутствуют в одном периоде считывания (фиг. За). Работа блоков системы будет идентична вышеописанному за исключением того, что реверсивный счетчик .18 считывает в течение одного периода считывания тактовые импульсы первой и третьей фаз ПЗС - приемника а блоки 20, 21, 22 вырабатывают нулевую ошибку положения объекта, когда он находится в области заданной угловым полем навигационного створа 3 или заранее определенной области возможного отклонения траектории движения объекта.

Работа системы при первоначальном наведении (входе) объекта на створ,

В рассмотренных выше двух режимах работы блок фотоприемника 7 ориентирован на маяки 1 и 2, В случае же первоначального подхода объекта к области створа, сЬотоприемник 7 может быть ориентирован так, что на него попадет излучение только от одного и маяков) (режим работы у фиг, 3). Работа многих блоков будет идентична вышеописанному. Но так как сигнала от другого маяка наблюдаться не будет, то запуск третьего триггера 23 не будет произведен. Поэтому блок синхронизации И по окончании импульса ждущего мультивибратора 13 вырабатывает только один импульс (фиг, 3т) синхронизации, который установит триггера 19 и 10, счетчики 2 и l8 в исходное положение. Выдача сигнала рассогласования положения оси фотоприемника через вторую схему разрешения 15 в блок ориентации 1б, не производится. Блок l6 ориентации врасцает фотоприемник 7 до такого положения, пока на него не попадет изображение от двух маяков. Передача сигналов рассогласования на выход системы через первую схему разрешения 11 не производится и курс объекта сохйаняется неизменным до тех пор пока на фотоприемнике 7 не сформируется оптической системой изображения обоихмаяков, т.е. до перехода в I или II режимы работы системы.