Способ измерения положения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и координат объектов. Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения влияний изменений яркости изображения, значительных низкочастотных помех, дрейфа параметров фотопреобразователя и паразитных засветок фотопреобразователя. На фотопреобразователь 4 на ПЗС проецируют изображение диафрагмы 2 таким образом, чтобы ширина изображения была бы больше периода расположения фоточувствительных ячеек фотопреобразователя 4 на ПЗС. Преобразовывают изображение в видеосигнал. Полученный видеосигнал сравнивают с 2<SP POS="POST">к1</SP>, где К1≥1, целое, опорными уровнями в блоке 6 сравнения. При каждом совпадении сигнала с опорным уровнем формируется временной интервал, длительность которого измеряется подсчетом импульсов счетчиком 10. Блок 11 цифровой обработки осуществляет суммирование длительностей всех сформированных интервалов за К2, где К2≥1, целое, периодов видеосигнала. Блок 7 обнаружения ошибки фиксирует превышение верхнего опорного уровня в каждом периоде видеосигнала. По коду суммы длительностей временных интервалов судят о положении объекта. 10 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО И306РЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ --:- " - / (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ

ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и координат объектов. Цель изобретения — повышение точности измерения путем исключенйя влияний изменений яркости изображения, значительных низкочастотных помех, дрейфа параметров фотопреобразователя и параэитных (21) 4318873/24-28 (22) 22. 10.87 (46) 23.03.90, Бюл. P- 11 (71) Краснодарский политехнический институт (72) Н.В.Бессарабов и Е.С.Саенко (53) 531.7 (088.8) (56) Бессарабов Н.В. и др. О точности оптоэлектронных измерителей размеров и перемещений на ППЗ с матричной организацией. — В кн.: Системы сбора и обработки измерительной информации.

Таганрог, ТРТИ, 1983, вып.5.

„„SU„„1552003 А1 (51) 5 С 01 В 21I/00

2 э асветок фотопреобразова геля . На фотопреобразователь 4 на ПЗС проецируют изображение диафрагмы 2 таким образом, чтобы ширина изображения была бы больше периода расположения фоточувствительных ячеек фотопреоб- разователя 4 на ПЗС. Преобразовывают изображение в видеосигнал. ПолученKg ный видеосигнал сравнивают с 2 где К 1 — целое, опорными уровнями в блоке 6 сравнения,. При каждом сов= падении сигнала с опорным уровнем формируется временной интервал, длительность которого измеряется подсчетом импульсов счетчиком 10. Блок 11 цифровой обработки осуществляет суммирование длительностей всех сформированных интервалов за К, где

K 1 -целое, периодов видеосигнала.

Блок 7 обнаружения ошибки фиксирует превышение верхнего опорного уровня в каждом периоде видеосигнала. По коду суммы длительностей временных .интервалов судят о положении объекта.

10 ил.

1552003

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и координат объектов.

Цель изобретения — повьппение точности измерения путем исключения влияний изменений яркости изображения, значительных низкочастотных помех, дрейфа параметров фотопреобразователя и тракта аналоговой обработ" ки видеосигнала и паразитных эасве1ок регистра сдвига фотопреобразоватепя, имеющих значительные низкочастотНые составляющие пространственного 15 спектра.

На фиг. 1 дана функциональная схеМа устройства для осуществления способа измерений," на фиг.2 — схема блоka управления; на фиг.3 — схема блока 20 цифровой обработки; на фиг.4 — схема блока. управления записью на фиг.5— р Ф схема блока обнаружения ошибки; на фиг. б — вариант исполнения формирова теля стробов записи; на фиг.7 — диа-,25 граммы напряжений, поясняющие работу блока сравнения; на фиг.8 — диаграмМы напряжений, поясняющие работу блока управления записью; на фиг.9— диаграммы напряжений, поясняющие ра- 30 боту блока обнаружения ошибки; на фиг.10 — эскиз формы видеоимпульса

" при различных освещенностях.

Устройство, реализующее способ измерения положения объекта, содержит оптически связанные источник 1 света, диафрагму 2, объектив 3 и фотопреобразователь 4 на приборе с зарядовой связью (ПЗС), последовательно соединенные блок 5 выборки, блок 6 срав- 40 йения, блок 7 обнаружения ошибки и регистратор 8, последовательно соединенные блок 9 управления, счетчик 10, блок 11 цифровой обработки. Вход блока 5 выборки подключен K выходу фото- 5 преобразователя 4 на ПЗС, к управляющему входу которого поцключен второй выход блока 9 управления, третий выход которого подключен к объединенным г второму входу счетчика 10 и второму входу блока 7 обнаружения ошибки, третий вход которого объединен с вторым входом блока 1 1 цифровой обработки и подключен к четвертому выходу блока 9 управления, пятый выход

55 которого подключен к третьему входу блока 11 цифровой обработки. Шестой выход блока 9 управления подключен к второму входу блока 5 выборки. Второй выход блока 6 сравнения подключен к четвертому входу блока 11 цифровой обработки, информационные выходы которого подключены к информационным входам регистратора 8.

Блок 6 сравнения (фиг.2) может содержать блок 12 компараторов, содержащий 2", где К» 1, целое, компараторов, источник 13 опорных напряжений и формирователь 14 стробов записи. Источник 13 опорных напряжений подключен своими выходами к управляющим входам блока 12 компараторов, первый вход которого является входом блока 6 сравнения.

Выходы блока 12 компараторов подключены к входу формирователя 14 ! стробов записи. Выход верхнего опор-.

I ного уровня блока 12 компараторов является первым выходом блока 6 сравнения, вторым выходом которого является выход формирователя 14 стробов записи.

Блок 11 цифровой обработки (фиг.3) может содержать блок 15 задержки, блок 16 управления записью результата и последовательно включенные регистр

17 номера импульса заполнения, входы которого являются первыми входами блока 11 цифровой обработки, накапливающего сумматора 18 и регистра 19 результата, причем вход блока 15 задержки и вход записи регистра 17 номера импульса заполнения объединены и являются четвертым входом блока 11 цифровой обработки, выход блока 15 задержки подключен к входу записи накапливающего сумматора 18, выходы регистра 19 являются информационными выходами блока 11 цифровой обработки.

Вход установки и вход регистровой частоты блока 16 управления записью результата являются соответственно вторым и третьим входами блока 11 цифровой обработки. Выходы сигналов сброса и записи блока 16 управления записью результата подключены, соответственно, к входу сброса накапливающего сумматора 18 и входу записи регистра 19 результата.

Блок 16 управления записью результата (фиг.4) содержит RS-триггер 20, вход установки которого является входом установки блока 16, первый 21 и второй 22 D-триггеры, причем информационный вход первого В-триггера

21 объединены с прямым выходом RSтриггера 20, прямой выход — с инфор52003

5 15 мационным входом второго D-триггера

22 и является выходом записи блока

16 управления записью результата.

Прямой выход триггера 22 подключен к входу сброса RS-триггера ZO и является выходом сброса блока 16 управления записью результата. Входы синхронизации первого 21 и второго 22

D-триггеров объединены и являются входом регистровой частоты блока 16 управления записью результата, Блок 7 обнаружения ошибки (фиг.5) содержит первый D-триггер 23, вход синхронизации которого является первым входом блока 7 обнаружения .ошибки, второй D-триггер 24, информационным входом подключен к прямому выходу первого D-триггера 23, а прямым выходом — к информациончому входу первого В-триггера 23 и к выходу блока

7 обнаружения ошибки, формирователь

25 сигнала сброса, входом подключенный к третьему входу блока 7 обнаружения ошибки, логический элемент

ИЛИ 26, первый вход которого является вторым входом блока 7 обнаружения ошибки и подключен к входу синхронизации второго D-триггера 24. Второй вход логического элемента ИЛИ 26 подключен к выходу формирователя 25 и входу установки второго D-триггера

24, а выход — к входу сброса первого

D-триггера 23.

Формирователь 14 стробов записи (фиг.б) содержит первый 27, второй

28, третий 29 и четвертый 30 логические элементы ИСК1ПОЧАЮЩЕЕ ИЛИ и элемент 31 задержки. Входы первого

27 и второго логических элементов

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются входами формирователя 14 стробов записи. Выходы первого 27 и второго 28 логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к входам тре- . . тьего логического элемента ИСКЛЮЧА10ЩЕЕ ИЛИ 29,первый выход которого подключен к первому входу четвертого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

30, к второму входу которого подключен выход элемента 31 задержки, вход которого подключен к второму входу третьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29. Выход четвертого логического элемента ИСКЛ10ЧА10ЩЕЕ ИЛИ 30 является выходом формирователя 14 стробов записи.

Способ осуществляется устройством следующим образом.

Источник i света освещает диафрагму 2. связанную с объектом. Изображение формируется объективом 3 на поверхности фотопреобразователя 4, При изменении положения объекта происходит перемещение иэображения связанной с ним диафрагмы 2 по поверхности фотопреобразователя 4. Под управлением блока 9 управления на выходе фотопреобразователя 4 на ПЗС формируется последовательность видеоимпульсов

П((фиг.7), амплитуды которых пропорциональны распределению освещенностей в иэображении диафрагмы 2.

С выхода фотопреобразователя 4 на

1I3C видеоимпульсы U< (фиг.1) поступают на вход блока 5 выборки, где из них с помощью двойной коррели26 рованной выборки с последующей фильтрацией фильтром нижних частот выделяется огибающая U пачки видеоимпульсов. Управление двойной кор--. релированной выборкой осуществляется

25 с помэщью сигнала, подаваемого с блока 9 управления. Сигнал U< с выхода блока 5 выборки поступает на первые входы 2 компараторов блока 12 ком=

К(-:(àðàòîðîH, на вторые входь(которых хе подана! опорные уровни 1 д((е е е е yUQ((g от источника 13 опорных напряжений.

Сигналы U q (фиг. 2), образующиеся в результате компарирования, поступают с выходов компаратора на входы формирователя 14 стробов записи, вырабатывающего на выходе последовательность стробов U записи по положиФ тельным и отрицательным фронтам импульсов U . В рассматриваемом примере

40 реализации устройства K(=2, следовательно, на фиг./-9 использовано четыре компаратора и на выходе формирователя 14 вырабатывается 8 стробов записи. С выхода импульсов заполнения блока 9 управления на счетныи вхоп счетчика 10 импульсов частоты заполнения поступают импульсы U частоты заполнения. С выхода импульсов времени сдвига блока 9 управления на

50 вход сброса счетчика 10 импульсов частоты заполнения поступают импульсы !

U< длительностью Т> (время переписи зарядовых пакетов из секции накопления в регистр сдвига фотопреобразователя 4 на ПЗС) и с периодом Т (время сдвига зарядовых пакетов в регистре фотопреобразователя 4 на ПЗС). На счетный вход счетчика 10 поступают импульсы Ug частоты заполнения, По

1552003 положительному 7роВНМ импульсов Ug счетчик 10 сбрасывается и находится в сброшенном состоянии в течение времени переписи Т .

По положительному фронту каждого строба U< записи, поступающему на вход записи регистра 17 номера импульса заполнения, записывается код содержимого счетчика 10,, подсчитывающего импульсы частоты заполнения, а по положительному фронту каждого импульса, задержанного блоком 15 задержки строба записи, код, хранящийся в регистре 17 номера импульса заполнения, складывается в накапливающем сумматоре 18 с накопленной в нем

: суммой.

По положительному фронту импульсов 20

U в блоке 9 управления формируется сигнал U< "Рабочий цикл". Например, по положительному фронту первого импульса U на выходе сигнала рабочего цикла блока 9 управления появляет- 25 ся перепад напряжения Ua являющийся началом сигнала "Рабочий цикл", а по

y,,Л положительному фронту 2 импульса, где К2 - 1 — целое, U6 — отрицательный фронт сигнала U>, определяющий 30 конец сигнала "Рабочий цикл" (фиг.8).

Сформированный сигнал 1Рабочий цикл" подается на вход установки S RS-триггера 20. С шестого выхода блока 9 управления на входы синхронизации первого 21 и второго 22 D-триггеров подаются импульсы Uö регистровой частоты. По отрицательному фронту импульса U RS-триггер 20 устанав-. ливается и напряже е ц 2 ло еской,40

"1" с его прямого выхода передается на информационный вход первого Э-триггера 21. С приходом на вход синхрони зации первого 9-триггера 21 положи,тельного фронта очередного импульса д5

U < регистровой частоты, он устанав11 11 ливается в состояние логической 1 на его прямом выходе формируется положительный фронт сигнала U записи результата, по которому результат измерения переписывается из накапливающего сумматора 18 в регистр 19 результата, причем на информационные входы регистра 19 результата подается код суммы начиная с (К +К2+1) /2-ro младшего разряда и кончая старшим разрядом. Такое подключение эквивалентно сдвигу кода суммы на (К +К2+

+1)/2 разрядов вправо, т.е. делению суммы на 2 " + 1, где К,, К2К 1, К2 1.

Выбор количества учитываемых в результате разрядов основан на следующих соображениях. Пусть а =2

k число эталонных уровней в блоке 6 сравнения. Результат измерения полуК2 чают путем суммирования а =2 результатов одиночных измерений. Случайные погрешности измерения при этом уменьшаются в первом приближении в п раз, где п = 2 - а, а — общее число суммирований за рабочий цикл.

Если суммируемые коды имеют Р раэрядов, то для представления результата и суммирований требуется Р =Р+1с82 n=

=Р+1+К +К2 разрядов. Если бы погрешность результата не зависела от количества измерений, для представления результата было бы достаточно P стар.ших разрядов суммы. Для отображения дополнительной информации, обеспечивающей уменьшение погрешности в ï раз, необходимо дополнительно

I т — 1 1

logan=, — — log2 n — — (K<+K<+1) двоичных разрядов ° Тогда в результа1 . те требуется сохранить P =Р+-у- (К,+

К +1) двоичных разрядов, т.е. можно

1 не учитывать P -Р2= — — (K +К +1)

2 младших разрядов суммы. Результат измерения, записанный в регистре 19, далее поступает на регистратор 8, в котором производится масштабирование и дальнейшая обработка. В качестве регистратора в рассматриваемом варианте использована микроЭВИ.

Блок 7 обнаружения ошибки работает следующим образом. С приходом положительного фронта сигнала Ug "Рабочий цикл" формирователь 25 импульса сброl са вырабатывает короткии импульс, устанавливающий первый D-триггер

23 в состояние логического "0", а второй — в состояние логической "1".

Если за время измерения произошло превышение верхнего опорного уровня, состояние логической "1" будет переписано из второго D-триггера 24 в первый и с приходом очередного сигнала ТП состояние логической "1" бу.дет вновь записано во второй D-триггер, т.е. его состояние не изменится и на выходе блока обнаружения ошибки состояние логической "1", означающее.

1552003 что результат измерения действителен, первый Р-триггер будет сброшен. Если эа время измерения превышение верхнего опорного уровня не произойдет, к моменту прихода следующего сигнала

ТП первый D-триггер 23 будет в состоянии логического "0" и зто состояние будет переписано во второй Dтриггер 24. На выходе блока 7 обнаружения ошибки установится уровень логического "0", сигнализирующий о том, что результат измерения недействителен. Это состояние сохранится до начала следующего рабочего цикла и должно анализироваться регистратором.

Ширина изображения диафрагмы должна существенно превышать шаг ячеек фотопреобразователя. И чем она больше, тем больший участок фотопреобраэователя соответствует зоне срабатывания компараторов и тем значительнее при достаточном количестве уровней будет усреднение характеристик фоточувствительных ячеек. Верхний предел шири- Б ны фронтов видеосигнала определяется крутизной, необходимой для четкого срабатывания компараторов,. Кроме того широкий видеосигнал неизбежно ойладает плохой симметрией, например, 3р из-за неравномерной освещенности.

На фиг.10 приведены типичные формы видеосигналов, образуемых узкой диафрагмой в условиях отсутствия насыщения (кривые 1,2) и при значительных искажениях сигйала из-за .сильной пересветки (кривая 3), сохраняющей, однако, симметричность. сигнала в зоне действия компараторов.

Формула изобретения

Способ измерения положения объекта, заключающийся в том, что проецируют на фотопреобразователь изображение диафрагмы, связанной с объектом, преобразуют спроецированное изображение в видеосигнал, сравнивают напряжение видеосигнала с 2 < опорными

К уровнями, где К, 1, формируют временные интервалы от момента начала опроса фотопреобразователя до момента равенства напряжения видеосигнала каждому из 2" опорных уровней напряжения, измеряют временные интервалы путем заполнения их счетными импульсами, суммируют количество импульсов, соответствующих каждому временному интервалу в течение одного периода видеосигнала, измеряют положение объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения, точности измерений, формируют иэображение диафрагмы, ширина которого больше периода светочувствительных ячеек фотопреобразователя, опорные уровни выбирают в зоне осевой симметрии видеосигнала изображения диафрагмы, суммируют количество импульсов 2 периК одов видеосигнала, где К > .1, фиксируют превышение верхнего опорного уровня напряжением видеосигнала в каждом его периоде, по коду суммы су-. дят о положении объекта ° 7552003

4М 3

1552003

U)

Uan

1552003

ФиеЗ

Составитель В.Козлов

Техред М.Дидык.

Корректор МеПожо

Редактор А.Шандор

Заказ 322 Тираж 481 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101