Устройство для определения положения и ориентации объекта Советский патент 1990 года по МПК G01B21/00 

рОлируемую зону пространства, описывая в процессе сканирования коническую поверхность Мишень 11, закрепляемая на объекте, выполнена в виде креста, четыре луча которого образованы соотвественно четырьмя группами по N фотоприемных ячеек 16, Информация о положении объекта считы- в&ется непрерывно путем регистрации номеров засвечиваемых в процессе сканирования лазерным лучом фотоприемных ячеек 16 и показаний N-разрядно- го цифрового преобразователя 6 угла, расположенного на валу 30 Эта инфор- м&ция используется для вычисления

шести координат, необходимых и достаточных для определения положения и ориентации объекта в пространстве. Устранение влияния импульсных световых помех осуществляется путем их временной селекции относительно информационных импульсов в четырех блоках 7-10 обработки информации„ Фотоприемная ячейка 16, выполненная в виде бленды с установленным внутри нее оптическим полосовым фильтром, осуществляет селекцию полезного оптического сигнала относительно фоно- . вой световой помехи по угловым отклонениям и спектру. 2 з.п0ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение информативности за счет определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации о его положении, повышение достоверности за счет устранения влияния импульсных световых помех от посторонних источников и повышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех. Коллимирующая линза 5, установленная в полом валу 3 механизма 2 сканирования с поперечным смещением относительно фокусирующей линзы 4, образует в совокупности с ней телескоп, с помощью которого из луча лазера 1 формируется луч с малым угловым расхождением, сканирующий контролируемую зону пространства, описывая в процессе сканирования коническую поверхность. Мишень 11, закрепляемая на объекте, выполнена в виде креста, четыре луча которого образованы соответственно четырьмя группами по N фотоприемных ячеек 16. Информация о положении объекта считывается непрерывно путем регистрации номеров засвечиваемых в процессе сканирования лазерным лучом фотоприемных ячеек 16 и показаний M-разрядного цифрового преобразователя 6 угла, расположенного на валу 3. Эта информация используется для вычисления шести координат, необходимых и достаточных для определения положения и ориентации объекта в пространстве. Устранение влияния импульсных световых помех о

любОМиРОВ АНАТОлий ВиКТОРОВич

КАРпОВ МиХАил ВлАдиМиРОВич

КиРЕЕВА гАлиНА АлЕКСАНдРОВНА+7507635DISPLACEMENT TRANSDUCER WITH PHASE OUTPUT11 440052 пЕНзА11

Г

:p-i

Изобретение относится к контроль- нб-измерительной технике и может быть использовано для автоматического контроля в динамике положения и ориентации в заданной области пространства различных объектов, например платформ с- аппаратурой, антенных устройств и т.п

Целью изобретения является повышение информативности за счет определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации о его положении,, повышение достоверности за счет устранения влияния импульсных, свето- ых помех от посторонних источников повышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех.

На фиг„1 представлена блок-схема устройства; на. - структурная схема блока обработки информации;на фиГоЗ - устройство фотоприемной Ячейки; на фиг.4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу блоков обработки информации; на - крестообразная мишень и траектория све- toBoro пятна - проекции лазерного луча - на плоскость мишени при отсутствии ее наклона относительно оптической оси лазера; на фиг.6 - случай взаимного расположения конуса Сканирования и системы координат,связанной с объектом.

Устройство содержит (фиг..1) лазер I, механизм 2 сканирования с полым

0

5

0

5

0

5

валом 3, установленный по ходу лазерного луча так, чТо ось полого вала 3 механизма сканирования (вала 3) совпадает с оптической осью лазера 1, фокусирующую линзу 4, установленную между валом 3 и лазером 1 соосно его оптической оси, коллимирующую линзу 5, закрепленную внутри вала 3 так, что ее главная оптическая ось параллельна оптической оси лазера 1, но смещена относительно нее,, М-разряд- ный цифровой преобразователь 6 угла (ЦПУ), расположенный на валу 3, четыре блока 7-10 обработки информации, первая группа из М входов каждого из которых соединена соответственно с М выходами ЦПУ 6, и мишень 11, закрепляемую на контролируемом объекте, выполненную в виде прямого креста, четыре луча 12-15 (полуоси 12-15) которого образованы соответственно четырьмя группами по N линейных и с равномерным шагом расположенных фотоприемных ячеек 16 (ФП ячеек 16), выходы которых соединены соответственно с вторыми группами из N входов соответствующих блоков 7-10 обработки информации, четыре группы выходов которых являются выходами устройства и предназначены для соединения с многоразрядной шиной интерфейса ЭВМ

Каждый из четырех блоков 7-10 обработки информации состоит (фиг.2) из N селективных предусилителей 11 { , ..|17),..017|| (на фиг о 2 условно показан только один селективный пред- усилитель N;), входы которых образуют вторую группу из N входов

соответствующего бпока 7-10 обработки информации, формирователя 18 кода номера (формирователя 18 кода) и формирователя 19 импульса пересечения (формирователя 19 импульса), N входов каждого из которых соединены соответственно с выходами N селективных предусилителей 1 7, ,. .. 7, , „ „ „ 17N, регистра 20 когда угла (регистра 20), М входов которого представляют собой первую группу из М входов соответствующего блока 7-10 обработки информации, а многоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя 18 кода в группу выходов соответствующего блока 7 - 10 обработки информации, и формирователя 21 временного интервала (формирователя 21 интервала), выход которого соединен с блокирующими входами формирователя 18 кода, формирователя 19 импульса и регистра 20, а вход объединен с входом синхронизации регистра 20 и соединен с выходом формирователя 19 импульса.

Какждая из 4N фотоприемных ячеек 16 состоит (фиГоЗ) из бленды 22 с углом раскрытия, соответствующим максимальному контролируемому значению угла наклона объекта относительно оптической оси лазера 1, в которой установлены по ходу сканирующего луча соосно ей (бленде 22) оптический полосовой фильтр 23, оптическая линза 24 и фотоприемный диод 25, приемной поверхностью помещенный в фокусе линзы 24.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении оптическая ось лазера 1 направлена в центр мишени 11 по нормали к ее плоскости. Коллимирующая линза 5 расположена на таком расстоянии от фокусирующей линзы 4, чтобы диаметр светового пятна - проекции лазерного луча - не превышал размера ФП ячейки .Механизм 2 сканирования приводит во вращение вал 3, обеспечивая сканирование мишени 11, при котором луч лазера 1 описывает правильную коническую поверхность с заданным углом 2у раскрытия конуса Угол J1 определяется соотношением: jf arctg ., где Д1 - расстояние между главной оптической осью коллимирующей линзы 5 и оптической осью лазера 1; fk - фокусное расстояние коллимирующей

5362046

линзы 5. При выборе угла у соблюдается также следующее условие: в исходном положении (при отсутствии отклонений и смещении объекта с мишенью 11) пересечение лучом лазера 1 го- луосеи 12 - 15 мишени 11 происходит ориентировочно в середине каждой из полуосей 12 - 15. Диапазон контроIQ лируемых перемещений и отклонений объекта с мишенью ограничивается условием: при каждом обороте вала 3 сканирующий луч лазера 1 пересекает каждую из четырех полуосей 12-15

15 мишени 11. Таким образом, указанный диапазон зависит от размеров мишени 11 о Одновременно со сканированием мишени лазерным лучом механизм 2 сканирования вращает ЦПУ 6 таким обра- 20 зом, что текущее значение кода угла однозначно соответствует текущему значению угла с/, развертки. Для рациональной обработки информации значение оС 0° совмещено с одной из

25 полуосей (например, 12), которая принимается за положительное направление оси X. Совмещение механизма 2 сканирования, коллимирующей линзы 5, ЦПУ 6 на одном валу 3 обеспечивает после

30 юстировки наименьшие погрешности геометрии оптического тракта и точное соответствие регистрируемого угла углу csi разверткио

При пересечении лучом лазера 1 ФП

ячейки 16 полуоси 12 мишени 11 в ней . Jb

генерируется электрический импульс,

поступающий в блок 7 обработки информации Аналогично при пересечении лучом лазера 1 полуосей 13, 14, 15 40 импульсы поступают соответственно на блоки 8, 9, 10 обработки информации. Сигналы с блоков 7-10 обработки информации поступают на выход устройства и далее на многоразрядную шину 45 интерфейса ЭВМ для последующей об- работкИо

Каждый из блоков 7-10 обработки информации работает следующим обра - зом о

сп Световой поток, состоящий из све- тового импульса (фиг.4а) лазерного луча, попадающего на ФП ячейку 16 в процессе сканирования фоновой засветки и импульсной помехи (фиг.46), пресс образуется фотоприемьым диодом 25 в электрический сигнал (фиг 4в) и поступает на вход соответствующего селективного предусшппеля 1/J В селективных предусилителях 17, , . , 17( ,...

. ,. , 1 7 jj осуществляются селекция и формирование импульсов с логическим уровнем, соответствующих световым импульсам на входах ФП ячеек 16 (фиг,4г). Сигналы с выходов N селективных предусилителей 17 ,„.., 7; ,... . +.,17 поступают в формирователь 19 импульса, где формируется одиночный импульс независимо от того, н,а ка- кс)й вход поступил импульс. Сигналы с селективных предусилителей 17 ,,,„., 17.;,..,.7у1 поступают также на входы формирователя 18 кода засвечиваемой ФП ячейки 16, где определяется номер и формируется код номера засвечиваемой ФП ячейки 160 Вы/деление ин- фс рмативных лазерных импульсов осу- щфствляется блокирующими импульсами (фиг.4д), формируемыми задними фронтами информативных импульсов от л4зера 1 (). Длительность защитного временного интервала опре- д ляется из соотношения

о

ьи

(О

где Т - длительность запитного | интервала;

Тск - период сканирования; tH - длительность импульса от лазерного луча на выходе ЪП ячейки 1 6;

t ц - максимальная нестабильность периода развертки за время одного оборота вала 3;

ta максимальное значение временного интервала, вносящего поправку в период встречи лазерного луча с данной полуосью мишени 11 вследствие движения объект та4 который,двигаясь навстречу сканирующему лучу или от него, будет изме-.- нять период Тск встречи полуоси мишени 11 с лучом в сторону сокращения или увеличения соответственно„ Блокирующий импульс с выхода фор- мирователя 21 интервала поступает на. входы блокировки формирователя 18 кода, формирователя 19 импульса и регистра 20. В регистре 20 записывается код угла сканирования с ЦПУ 6 в момент пересечения лазерного луча с полуосью 12 (13, 14, 15) мишени И.Этот момент определяется появлением на вкоде синхронизации регистра 20 импульса, который поступает с выхода формирователя 19 импульса„

Выходной код от формирователя 18 кода засвечиваемой ФП ячейки 16 и код угла регистра 20, соответствующи данному моменту пересечения, передаются на выход устройства и далее на многоразрядную шину интерфейса ЭВМ для дальнейшей обработки и вычислени координат объекта

Луч лазера 1 представляет собой параллельный пучок света;отличающийся узкой (по длине волны) полосой. Пересекая в процессе сканирования соответствующую ФП ячейку, 16, лазерный луч совместно с фоновой световой помехой попадает на оптический полосовой фильтр 23, который селектирует лазерный луч по спектру относительно фоновой световой помехи Затем лазерный луч фокусируется оптической линзой 24 на приемную поверхность фотоприемного диода 25, генерируя на его выходе информационный электрический импульс.е

При отсутствии наклона мишени 11 (фиг.5) относительно оптической оси лазера 1 (фиг.1) траектория 26 фиг„ светового пятна 27 (проекции лазерного луча на плоскость мишени 11) представляет собой окружность. Однако в общем случае траектория светового пятна 27 представляет собой эллипс, эксцентриситет и ориентация которого относительно осей Ґ и J7 крестовидной мишени И зависят от ориентационных характеристик объекта, задаваемых, например углами Эйлера (фиг.6):

5 - полярный угол (между осью Z неподвижной системы XYZ и осью Ј системы, связанной с объектом, Ј Ј , которыйпоказывает наклон объекта относительно оптической оси лазера 1 (фиг.1);

Ц - азимутальный угол линии узлов 1 в системе XYZ, который показывает, в какую сторону наклонен объект;

азимутальный угол линии узлов 1 в системе, связанной с объектом , который показывает поворот объекта, претерпевшего пока лишь наклон N , ВОКРУГ ОСИ V .

Малая полуось эллипса траектории светового пятна по плоскости (,{) в процессе сканирования и его местонахождение на этой плоскости являются функцией пространственного положения объекта: удаленности Z0 от вершины конуса сканирования вдоль его оси и поперечного смещения (XQ, Y,0 ) от оси конуса, В процессе сканирования лазерньй луч пересекает четыре полуоси 12 - 15 (фиг,) мишени 1 1 в точках с координатами , { , t , t , которые регистрируются устройством в виде номеров, засвечиваемых лазерным лучом ФП ячеек 16: Nt,, N,

N:, N.

Координаты и номера связаны при этом через шаг квантования q четырех полуосей 12.- 15 соотношением:

;-NSqj

Ј q;

Г

Г

ч

-N q;

-N; q;

(2)

|Г (cosCf cosV-sinCpsinVcos)+Xe-(sin(f sJn-0 +Z0)tg у cosoi % (sincpcosV-cos Cf sin( )+Yo-( sin-) +Z0) tgj sin oiv«- (-coscf sin -sincpcos cos- )+Х0(созф sin +Z0)tgy coseCj 2(-Bintf sincp+costfcos cos )+Ye (j7f cos ( sin +Z0)tgJ sinoLh - (coscfcos -sintf sin cos 3 )+X0 ( in ф sin +Z0)tgj cos od (s in q cos Cfsin cos 9 )+Y0 (sinC,; sin 9 +Z0 ) tgj sinoC - jT(-cosq sin({ -sinq cos cos} )+Xe-(cosy sin 9 )tg cosoi2- (-sin sin +cos coscpcos) )+Y6(cos(sin +Z0)tg sinoir

40

четвертой пары уравнений в (3) при появлении четвертого пересечения пучка с осью # в точке Ј значения шести характеристик корректируются, исходя из последних трех пар уравнений (3). Таким образом, информация о положении объекта считывается непрерывно посредством регистрации номеров засвечиваемых ФИ ячеек 16 и снятия показания с М-разрядного ЦПУ 6 в три

Для исчерпывающей характеристики положения объекта в пространстве не- обходимо и достаточно знать шесть координат (X0,Y0,Z0, -Э ,(f , (j )j, однако в системе (3 положение объекта описывается восемью уравнениями, таким образом, любые два уравнения из системы (3) вытекают из остальных шести Например, (Ј, 1, Ј4, об , %, u6U), то ({,о.п) получаются автоматически, что геометрически соответ- ,,- последовательных момента пересечения ствует нахождению четвертой точки пересечения лазерного луча с мишенью 11, а лишняя, с точки зрения статики, пара уравнений в системе (3) используется в вычислениях для коррекции Динамики о Например, после набора трех первых пар уравнений системы (3) после пересечения лазерным лучом осей Ј и П в трех точках , Ј , Ј, имея к тому же углы «Л, сД oL & сканирования, при которых произошли , эти пересечения, определяются значения шести характеристик объекта (Х0, YO Z0, 0 , f,(j ) , С возникновением

50

сканирующего лазерного пучка с полуосями 12-15 крестовидной мишени 11

Формула изобретения

1 о Устройство для определения положения и ориентации объекта, содержащее лазер, установленные по ходу лазерного луча фокусирующую линзу и механизм сканирования лазерного луча по образующей конуса, полый вал которого соосен лазерного лучу, М-раз рядный цифровой преобразователь угла, расположенный на полом валу меха

Одновременно с появлением импуль-. са на одной из полуосей 12 - 15, на- пример на +, в соответствующем блоке 7 - 10 обработки информации (фиг.1) записывается угол сканирования, например Otto о

С завершением одного полного оборота лазерного луча четыре пары зарегистрированных данных (, &Јк +

оГ

iP, /Ј ),

несущих полезную

информацию, поступают с выходов блоков, 7 - 10 обработки информации во внешнее, по отношению к данному, устройство (ЭВМ) для вычисления пространственных и угловых координат X , Y , Ј,) , Cf, Cf1 мишени 11 (объекта) из соотношения:

(3)

четвертой пары уравнений в (3) при появлении четвертого пересечения пучка с осью # в точке Ј значения шести характеристик корректируются, исходя из последних трех пар уравнений (3). Таким образом, информация о положении объекта считывается непрерывно посредством регистрации номеров засвечиваемых ФИ ячеек 16 и снятия показания с М-разрядного ЦПУ 6 в три

последовательных момента пересечения

последовательных момента пересечения

сканирующего лазерного пучка с полуосями 12-15 крестовидной мишени 11

Формула изобретения

1 о Устройство для определения положения и ориентации объекта, содержащее лазер, установленные по ходу лазерного луча фокусирующую линзу и механизм сканирования лазерного луча по образующей конуса, полый вал которого соосен лазерного лучу, М-раз- рядный цифровой преобразователь угла, расположенный на полом валу механ изма сканированияj и мишень, выполненную в виде креста, закрепляемую на контролируемом объекте, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности за счет Определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объ- е)кта в пространстве, и повышения точности за счет.обеспечения малой угловой расходимости сканирующего .туча и дискретности считывания информации о его положении;, оно снабжено коллимирующей линзой, закрепленной внутри полого вала механизма сканирования так, что ее главная оп- ическая ось параллельна оптической лазера и смещена относительно rtee, и образующей с фокусирующей лин ; ой телескоп, четырьмя блоками обработки информации, первая группа из

входов каждого из которых соедине- а соответственно с М выходами циф- ювого преобразователя угла, и че- |ырьмя группами по N фотоприемных ячеек, расположенными с равномерным нагом на четырех полуосях мишени, ныходы каждой группы фотоприемных ячеек соединены соответственно с второй группой из N входов соответствующего блока обработки информации, 6 четыре группы выходов четырех бло- $сов обработки информации являются выходами устройства.

5

0

5

0

5

ния влияния импульсных световых помех от посторонних источников, каждый из четырех блоков обработки информации выполнен в виде N селективных предусилителей, входы которых образуют вторую группу из N входов блока обработки информации, формирователя кода номера и формирователя импульса пересечения, N входов каждого из которых соединены соответственно с выходами N селективных предуск- лителей, регистра кода угла, М входов которого представляют собой первую группу из М входов блока обработки информации, а мнскгоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя кода номера в группу выходов блока обработки информации, и формирователя временного интервала, выход которого соединен с блокирующими входами формирователей кода номера и импульса пересечения и регистра кода угла, а вход объединен с входом синхронизации регистра кода угла и соединен с выходом формирователя импульса пересечения.

Фи#г

Фи.Ч

Фиг. 5

fc