Концептуальная модель трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 681. 783.2 + 528. 48
М. Б. Леонов, И. Т. Разумовский КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
ТРЕХКООРДИНАТНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ЦЕЛЕУКАЗАТЕЛЯ
Рассматривается концепция разработки трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя. Показано, что использование в измерительных каналах целеуказателя типовых электронных датчиков позволяет значительно повысить оперативность измерений, снизить габариты прибора, а также себестоимость его разработки и изготовления.
Ключевые слова: целеуказатель, топографические приборы, тахеометры, дальномеры, энкодеры, датчик угла наклона.
В настоящее время для определения координат объектов используются такие измерительные инструменты, как светодальномеры, буссоли, гироазимуты, тахеометры.
Для целеуказания на равнинной местности достаточно знать в полярной системе координат две координаты объекта — дальность до объекта D и его азимут A. В случае холмистой или горной местности для целеуказания может потребоваться третья координата объекта, а именно угол его места 8 над уровнем горизонта. Схема целеуказания наблюдаемого объекта приведена на рис. 1.
Применяемые для целеуказания топографические инструменты обладают высокой точностью измерения углов и дистанций, однако характеризуются значительными временными затратами при определении координат объекта и имеют высокую стоимость. Для обеспечения оперативности измерений в 2001 г. был предложен наблюдательный оптико-электронный прибор «NORD& quot- [1]. Функция определения дальности в этом приборе совмещена с указанием направления на «Север& quot-, но поставленную задачу — целеуказания трех координат — прибор, тем не менее, не выполняет.
Современные достижения в электронике обусловили возможность создания компактного и вместе с тем быстродействующего универсального трехкоординатного целеуказателя, способного оценивать не только дальность до объекта, но и вычислять его азимут синхронно с измерением угла места. Концептуальная модель такого устройства, предлагаемого авторами настоящей статьи, показана на рис. 2, где 1 — визирная труба- 2 — лазерный дальномер- 3 —
Рис. 1
ПЗС-приемник, передающий изображение визирного канала дальномера на экран- 4 — цифровой компас- 5 — цифровой датчик угла наклона- 6 — экран отображения визуальной информации и данных измерений- 7 — пузырьковый шаровой уровень для выверки датчика угла наклона- 8 — привод визира- 9 — поворотный столик- 10 — наблюдаемый объект.
Модель конструируется из функционально законченных готовых модулей.
В список возможных функций разрабатываемого прибора входят:
1) контроль окружающего пространства-
2) измерение дальности до объекта-
3) азимутальное ориентирование на местности-
4) определение угла места-
5) проведение геологических (поисково-съемочных) маршрутов-
6) ориентировочное определение мест залегания выходов пластов горных пород для создания геологических карт.
Следует отметить, что ранее задачи 5, 6 решались с использованием горно-геологических компасов, которые не обеспечивают синхронное измерение угла места и дальности до объекта, а также не позволяют выполнять работы с удаленными объектами в связи с отсутствием визирной трубы.
Таким образом, предлагаемый прибор будет представлять собой многоцелевой инструмент, способный определять три координаты объекта и который можно применять как для ориентирования на местности, так и для решения специальных задач. Прибор является аналогом горно-геологического компаса с расширенными функциональными возможностями, что
I
/
6
Рис. 2
делает его также и аналогом многофункциональных измерительных приборов (тахеометров, буссолей).
В модели трехкоординатного целеуказателя для определения дальности D предлагается использовать штатный импульсный лазерный дальномер (например, Yukon Extend LRS-1000), структурная схема которого представлена на рис. 3 [2]. Принцип его работы основан на измерении времени прохождения светового импульса до цели и обратно.
Измеритель временных интервалов
ФПУ
Блок управления
Объект
Визирное устройство
/
D= 1000 м
/ к
Лазер
0=1000м
Рис. 3
Для определения азимута, А в целеуказателе намечено применить готовый цифровой компас & quot-Adrenalin DC-01& quot- на основе магнитного энкодера. Система измерения угла поворота в нем представляет собой поворотный микромагнит (рис. 4), размещенный над однокристальной микросхемой (например, AS5030) [3].
Структурная схема цифрового компаса на основе магнитного энкодера приведена на рис. 5. Внутри микросхемы на кристалле расположены четыре датчика Холла H1-H4, которые фиксируют значения напряженности магнитных полей по двум ортогональным направлениям. Электрические сигналы датчиков H1 и H3, пропорциональные напряженности магнитных полей, поступают на дифференциальный усилитель ДУ1, а сигналы датчиков H2 и H4 — на дифференциальный усилитель ДУ2. Сигналы датчиков H1 и H3 определяют значение синуса угла поворота микромагнита, а сигналы датчиков и Н4- значение косинуса угла поворота.
ДУ1 АЦП
Рис. 4
Sin Угол
Cos Mag
А=315,1°
Рис. 5
Далее сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) переводятся в двоичную форму, а с помощью сигнального процессора (ЦСП) пересчитываются в абсолютный угол поворота микромагнита — азимут — по формуле, А = arctg[(Hi-H3)/(H2-H4)]. Модуль автоматической регулировки усиления (АРУ), используя измеренное значение напряженности магнитного поля & quot-Mag"- (в блоке ЦСП), позволяет обеспечить компенсацию отрицательных
воздействии внешней температуры и вариации расстояния между магнитом и микросхемой на сигналы датчиков H-H4 [4].
Погрешность измерения азимута, приводимая в паспорте на компас, составляет 30−60'- при угловой чувствительности самого энкодера 5−6'-.
Для определения угла места 8 объекта целесообразно использовать цифровой датчик угла наклона & quot-S-Digit Mini& quot-, устанавливаемый на визирную поворотную трубу. Чувствительным элементом такого датчика является двухкоординатный (в плоскости горизонта Х и Y) акселерометр. Упрощенная структурная схема датчика угла наклона представлена на рис. 6.
ФНЧ /
Акселерометр М К 6=27,5°
ФНЧ —
Y / N
Рис. 6
Широтно-импульсные сигналы (ШИМ-сигналы) с выходов Х и У акселерометра проходят через фильтры низких частот (ФНЧ) и поступают на дискретные входы микроконтроллера (МК). Микроконтроллер с помощью соответствующих алгебраических и тригонометрических преобразований измеряет длительность и период импульсов ШИМ-сигналов, далее определяет текущий угол наклона акселерометра относительно плоскости Земли и выводит значение измеренного угла на цифровой индикатор [5]. Для начальной выверки и периодической проверки датчика угла наклона требуется наличие в устройстве шарового пузырькового уровня.
Двухкоординатный акселерометр представляет собой датчик линейного ускорения по типу, например, датчика АОХЬ202- его структурная схема приведена на рис. 7.
питания л
Сж
Фильтр Х
ДатчикX
Демодулятор
Генератор
Демодулятор
Датчик Y
Модулятор ШИМ
Т
Хвы
Cy
¦
Фильтр Y
'- X'-
Рис. 7
Датчик линейного ускорения представляет собой совокупность дифференциальных конденсаторов, каждый из которых состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть является базой, относительно которой измеряется ускорение. Подвижная часть связана с неподвижной посредством полисиликоновой пружины. При приложении внешней силы подвижная часть перемещается относительно неподвижной, соответственно изменяя емкость конденсаторов. Сигнал датчика по каждой координате (Х и Y) подается на контроллер обработки, который преобразует его в широтно-импульсный сигнал [6].
Функциональные возможности датчика угла наклона & quot-S-Digit Mini& quot- позволяют оценивать углы в вертикальной плоскости вплоть до 90° от горизонта, что является весомым достоинством при проведении целеуказаний в горных районах.
Основной проблемой при разработке оптико-электронного трехкоординатного целеуказателя остается создание конструкции визуального канала прибора с увеличением, достаточным для опознавания объекта (3−6х), а также создание оптических или оптико-электронных систем ввода информации, поступающей с трех измерительных каналов, в одно поле зрения.
В результате планируется получить переносной универсальный прибор для определения координат объектов, более простой, компактный и эффективный, чем используемые в настоящее время.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Медведев А. В., Гринкевич А. В., Попов А. Г., Кисляков А. В. Оптико-электронный наблюдательный прибор // Оптич. журн. 2002. Т. 69, № 8. C. 73−75.
2. Старовойтов Е. Лазерные системы для управления транспортными средствами и робототехникой // Современная электроника. 2010. № 6. С. 30−35.
3. Щерба А. Магнитный датчик угла поворота AS5030 производства Austriamicrosystems // Компоненты и технологии. 2007. № 4. C. 28−32.
4. Щерба А. Магнитные энкодеры производства Austriamicrosystems // Там же. 2008. № 7. C. 36−38.
5. Ковшов В. Д., Хакимьянов М. И., Сакаев А. Ф. Датчик угла наклона на основе интегрального акселерометра: реализация и исследование характеристик // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Межвуз. сб. науч. статей. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.
6. Бузыканов C. Датчик наклона на основе твердотельного акселерометра // Современная электроника. 2004. № 12. С. 42−45.
Сведения об авторах
Михаил Борисович Леонов — магистрант- Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов Игорь Тимофеевич Разумовский — канд. техн. наук, доцент- Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов- E-mail: itraz@rambler. ru
Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию
компьютеризации и проектирования 07. 02. 13 г.
оптических приборов

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой