Устройство для измерения скорости движения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения протяженного оптического неоднородного объекта. Устройство содержит: 2 обьектива (1, 2), 2 прямоугольных приемника излучения (3, 4), 2пары линейных приемников излучения ( 7, 8, 9, 10), 2 блока дифференцирования (5, 6), 3блока вычитания (11, 12,16), 3 блока умножения (13, 15, 17), 1 блок деления (14), 3-5- 17-16-14, 7-11-15-16, 5-13-14, 9-12-17, 4-6-13, 8-11, 10-12, 6-15. Зил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистичесКих

РЕСПУБЛИК (и)5 G 01 P 3/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 I

Р.ЫВ (I1il ÅÍTÍÔ- ТЕ ! ь ьлиотвнк

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К ПАТЕНТУ

Р

° О (21) 4892187/10 (22) 17.12.90 (46) 07.07,93. Бал М 25 (71) Самарский политехнический институт им.В.В.Куйбышева (72) А.M.Àáàêóìîâ, В.Е.Агеев, В.Н.Войтенко, П.К.Кузнецов и В.И.Семавин (73) Самарский политехнический институт (56) Авторское свидетельство СССР

М 1262384, кл. G 01 P Д/36, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1742729, кл. G 01 P 3/36, 1989.

„„ Ц „„1827024 АЗ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

{57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения протяженного оптического неоднородного объекта. Устройство содержит: 2 объектива (1, 2), 2 прямоугольных приемника излучения (3, 4), 2 пары линейных приемников излучения (7, 8, 9, 10), 2 блока дифференцирования (5, 6), 3 блока вычитания {11, 12, 16), 3 блока умножения (13, 15, 17), 1 блок деления (14), 3-517-16-14, 7-11-15-16, 5-13-14, 9-12-17, 4-6-13, 8-11, 10-12, 6-15. 3 ил.

1827024

Us = — О»Ж.

Н

Оэ= Н< <+ > (1гК1, V (2) 40

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам определения скорасги движения протяженного оптически неоднородного абьекта и может быть использована в средствах навигации летательных аппаратов относительно подстилающей поверхн ости, Целью изобретения лвляется увеличение точности измеренил скорости движения обьекта путем устранения влияния расстояния между объектом и объективам на результаты измерений.

На фиг.1 приведена функциональная . схема устройства, на фиг.2 — схема взаимного наложения плоскости объекта 18 и плоскости изображений объектива 1 первого канал", обработки сигналов; на фиг.3 — функциональная схема блока 14 деления, Устройство для измерения скорости относительного движения двух объектов содержит первый 1 и второй 2 обьективы, первый 3 и второй 4 прямоугольные приемники излучения, выходы которых соединены саответстенно с первым 5 и вторым 6 блоками дифференцирования, две пары 7 — 8 и 9—

10 линейных приемников излучения, первый и второй блоки вычитания 11-12, а также первый блок умно>кения 13, выход которого соединен с первым входом блока деления 14, второй 17 и третий 15 блоки умножения, выходы которых соединены с соответству ащими входами третьего блока вычитания 16, выход которого, в свою очередь, соединен со вторым входом блока деления 14. Выходы первой пары линейных приемников излучения 7-8 соединены с соответствующими входами первого блока вычитания 11, выход которого соединен с первым входом второго блока умно>кения

15, выходы второй пары приемников излуче.ния 9 — 10 соединены с соответствующими входами второго блока вычитания 12, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения 17, выход первого блока дифференцирования соединен с первыми входами первого 13 и второго 17 блоков умножения, а выход второго блока дифференцирования соединен со вторыми входами первого 13 и третьего 15 блоков умножения.

Оптические оси первого 1 и второго 2 обьективов параллельны, а плоскость установки второго объектива 2 смещена вдоль своей оси по отношению к первому объективу 1 на расстояние h < Н, где Н вЂ” расстояние между первым объективам 1 и контролируемым объектом 18. Линейные фотоприемники 7-8 и 9-10 расположены на противолежащих сторонах соответственно прямоугольных приемников излучения 3 и 4 нормально направлению движения.

Устройство для измерения скорости относительного движения двух абьектов работает следующим образом.

Объективы 1 и 2 формируют изображение объекта 18 со случайным законом распределения яркости на чувствительные поверхности прямоугольных приемников излучения

3 — 4 и линейных приемников излучения 7-10, Придвижении обьекта 18 в направлении, нормальном.направлению оптических осей обьективов 1 и 2, изменяется аблученность прямоугольных приемников излучения 3-4 и линейных приемников излучения 7-10, В результате этого изменяiотся сигналы Оз - Up u

U7 О1е на выходе приемников излучения 3 — 4 и 7-10. Блок вычитания 11 формирует сигнал

О11, равный разности сигналов О7 и Оэ: О11=

О7- Ue. Блок дифференцирования 5 формиру- . ет сигнал Оэ. равный производной от сигнала

Оз по времени, Сигнал Оэ прямо пропорционален сигналу U» и скорости движения объекта IG, но обратно пропорционален расстоянию Н между объектом и объективам

1: где К1 — постоянный коэффициент (с), Сигналы на выходе блока дифференцирования 6 — Оэ и на выходе блока вычитания

12 — О1г = Ug - 01а связаны между собой уравнением: где h — смешение объектива 2 относительно объектива 1 (м).

Первый блок умножения 13 формирует сигнал О1з, пропорциональный произведению сигналов Оэ и Ua, третий блок умножения 15 формирует сигнал U15, пропорциональный произведению сигналов Оэ и О1г, второй блок умножейия 17 формирует сигнал U17, пропорциональный произведению сигналов Оь и О1г, третий блок вычитания 16 формирует сигнал О16, равный разности сигналов О17 и О1ь — О1о"

"- U17 — U15, " блок ДЕЛЕНИЯ 14 фармируЕТ сигнал О1.1, пропорциональный частному ат деления сигнала О1э на сигнал О1э. При этом сигнал Ои пропорционален скорости движенил объекта 18 и не зависит ат расстояния между объектом 18 и объективом 1:

014 VK2. где Кг — постоянный коэффициент (В с/м) 1827024

xm(t) = — (Хн - Xlo - Vt).

Н

05 Ч

0вык = ц — — д Кэ, (6) (За) бх f

Vm= — = — — V

dt Н

+ Е3(с2(1 Д43: (8) Ф7 =Е1Sdl;

Фв =езэ 13, f хв = -- (Х,4 - Х 1), Н (4) В устройстве-прототипе выходной сигнал 0вык формируется блоком деления, на вход которого подаются сигналы с выхода блока дифференцирования и блока вычитания применительно к фиг.1 он равен: где Кз —. постоянный коэффициент (В.с).

Таким образом, выходной сигнал устройства для определения скорости движения объекта 18 пряма пропорционален величине скорости и не зависит от расстояния между обьектом и объективом.

Покажем справедливость формулы.(1)— (3), Объектив 1 (фиг.2а) формирует изображение объекта 18 на чувствительных поверхностях прямоугольного приемника излучения 3 и двух линейных приемников излучения 7, 8, расположенных в плоскости изображения объектива 1 нормально направлению движения объекта. С плоскостью изобретения объектива 1 связана система координат ХОУ, начало которой, для простоты дальнейших рассуждений, находится на оптической оси 001 обьектива 1 и совпадает с центром площади прямоугольного приемника излучения.3. Оптическая ось 001 объектива 1 нормальна плоскости объекта 18, с которой связана прямоугольная система координат ХОУ, Ось

0Х системы координат ХОУ параллельна направлению движения абьекта.

В плоскости обьекта 18 произвольно выберем тачку M с координатами Х, Y> a системе координат XGY, яркость которой равна В . Тачке M в системе координат XOY будет соответствовать ее иэображение в точке m с координатами х, ym, освещенность которой равна Ев. Если плоскость объекта l8 удалена на значительное расстояние H от входного зрачка обьектива (Н»

f, где f - заднее фокусное расстояние абьектива 1), то, как следует иэ фиг.2а, между координатами xm и Хы существует зависимость: где Xl — проекция точки Gl пересечения оптической оси GQl обьектива 1 с плоскостью объекта.18 на ось OX.

При движении объекта 18 с постоянной скоростью V в направлении, укаэанном на фиг.2а стрелкой, координата Х1 будет изменяться по зависимости

Xl = X1o+ Vt (5) где Xlo — начальное положение точки Х1 при

1=0:

t — текущее время (с), 5 После подстановки (5) в (4) получим;

1Î Из (6) определим скорость перемещения точки гл — Vm вдоль оси QX:

Пусть на абсолютном темном объекте 18 имеются три светлые прямоугольные области 61, G2 и G3 с постоянным значением яркости В1, В2 и Вэ, внутри каждой области

20 01, 62 и G3. пусть стороны прямоугольных областей параллельны осям координат ОХ и

ОУ, а их изображения gl, g2 и g3 с IlocToAHным значением осве ценности Е1, Е2 и Е3 формируются объективом 1 так, как показа25 но на фиг,2б. Тогда величины потоков излучения, приходящих на прямоугольный приемник излуче сия 3 и линейные приемники излучения 7 и 8 будут соответственно равны:

3Q 63 =Е 1(еl — в1())СЬ+Е2(ь2(1) ЬЯ d<+ где а1(1), а2(1), bl(t), ь2(1), с1(т), с2(т) — координаты прямоугольных областей gl, ц2 и цэ в

4О системе координат XÎY; е1 и e2 — координаты прямоугольного приемника излучения 3 в системе координат ХОУ; dl d2 и d3— высота прямоугольных областей gl. g2 «g3, $ — ширина линейных приемников иэлуче45 ния7и8.

Реальную картину распределения функции яркости В (X, Y) объекта 18 можно представить в виде бесконечно большого числа бесконечно малых па размерам областей

5Q G1l, (32!и (з31, вплотную примыкающих друг к другу и имеющих внутри каждой области постоянное значение яркости Bll, B21 и В31.

Тогда реальную картину распределения функции освещенности Е(х, у) в плоскости изображения объектива 1 можно представить в аиде бесконечно большого числа бесконечно малых по размерам прямоугольных областей цгь g21 и цэь вплотную примыкающих друг к ругу и имеющих внутри каждой области постоянное значение освещенно1827024

U5- — U»K1

Н

Ф =,, E1« S d««;

«=1

%= » Ез««Ь, l=1 (10) сти Е1«, E2«и Ез«. В этом случае величины потоков излучения, приходящих на прямоугольный приемник излучения 3 и бесконечные узкие линейные приемники излучения 7 и 8 будут равны;

Ф3 =), Е1«(е«a1«(t)) d««+

l=1

+Х =-2«("2«(т) "1«(т))+

i=-1

+ Е3«(Сг«(т ) - ег«) dз«(9)

i=1 где i — номер области.

Выходные сигналы прямоугольного приемника излучения 3 и двух линейных приемников излучения 7, 8 (фиг.1) равны;

U« =Кф%:

07=Кфа7;

06=Кф Ь, где Кф — коэффициент преобразования приемников излучения 3 и 7, 8 (В/лм), Выходной сигнал О» блока вычитания

11 равен:

О» - U7 — U6- Кф(Ф7 — Фв) =

- КфЯ(g Е141« — g E3«d3«) (11)

«=1 «=1

Выходной сигнал 05 блока дифференцирования 5 найдем иэ (9) с учетом (7) и (9) - (11);

05-Т -Ткф{, . Е1 — Vd««+

d03

dt «1 Н

00 00

+ g E2l — +Ч+ V)«12«- $ Ез« вЂ” бз«) —«=1

00 00

- Т / — Кф(Е141« -, », Е3«о3«) =

l=1 l=1

- TV — — λ

Н S (12) где Т вЂ” постоянная времени дифференциатора 5 {с).

Обозначив K1- Tf/S, получим выражением (1)

Аналогично выводятся выражения (2) для

10 выходного сигнала U6 блока дифференцирования 6 и 012 блока вычитания 12: U6- — 012К1.

H+h

Выходной сигнал 013 первого блока ум15 ножения 13 равен; /2

U 13- m130506 = m 13 — -Н + - K1 011012, (13) где m13 — масштабный коэффициент первого умножителя 13 (1/В).

Выходные сигналы U15 и 017 третьего 15 и второго 17 блоков умножения равны:

U15= m15U»06- m15 „+1,011012К1; (14)

30 U17 = m17050«2 гп17 Н 0»012К1, (15)

V где «т«15 и л117 — масштабные коэффициенты второго умножителя 15 и третьего умножи-. теля 17 (1/В).

При выполнении условия m«5=- m17, получим выражение для выходного сигнала 016 третьего блока вычитания16:

U16- U17 U15 Vm15U»012K1 х

40 рГ+д) -H <+ >mmUvUtRKi. (16)

Выходной сигнал 014 блока деления 14 on45 ределим из (13) и (16):

014 - m«4 — = m«4

U13 m13 V К1

016 m15 h (17) где m«4 — масштабный коэффициент блока деления 14 (В).

Обозначив в {16) Кг - 1п14 m13K1/«т«15К получим выражение (3):

Функциональная схема блока деления

14 (фиг,3) содержит первую 19 и вторую 20 схемы выделения абсолютной величины сигнала. первый 21 и второй 22 компарато10

1827024

25

55 ры, первый 23 и второй 24 фильтры нижних частот, логическую схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 25, делитель 26, коммутатор 27, Выход первого умножителя 13 через первую схему выделения абсолютной величины сигнала

19 через первый фильтр нижних частот 23 соединен со входом Вх1 делителя 26, выход которого соединен с первым входом коммутатора 27. Кроме этого, выход первого умнажителя 13 через первый компаратар 21 соединен с первым входом логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 25, выход которой соединен со вторым входом коммутатора 27. Выход третьего вычитателя

16 через второй кампаратор 22 соединен са вторым входом логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и, кроме этого, выход третьего вычитателя 16 через вторую схему выделения абсолютной величины сигнала

20 и второй фильтр нижних частот 24 соединен с входом Вх2 делителя 26.

Блок деления 14 работает следующим образом.

Входные сигналы О1з и Оы блока деления 14, как следует из описания работы устройства для измерения скорости движения объекта, знакопеременные. Они имеют одинаковые знаки при принятом за положительное направление скорости и противоположные — при отрицательной скорости.

Выходной сигнал Uig первой схемы выделения абсолютной величины сигнала 19 равен збсол отному значению выходного сигнала

О 1з первого умножителя 13 (О и = О1з ), а выходной сигнал Uzo второй схемы выделения збсолютной величины сигнала 20 равен абсолютному значению выходного сигнала

Ои третьего вычитателя 16 (Uzo - IUcaI ).

Первый фильтр нижних частот 23 и второй фильтр нижних частот 24 уменьшают пульсации сигналов О1э и Uzo и, следовательно, увеличивают постоянные составляющие этих сигналов, Выходные сигналы фильтров нижних частот Uzg u Uza положительны и связаны между собой коэффициентом пропорциональности I V I, где I Ч I — модуль скорости движения объекта. Выходной сигнал

Оы делителя 26 равен:

О26 =mz6 I V . (18)

Uz п11з К1

Uzn гп15 h где п 26 — масштабный коэффициент делителя 26.

Выходной сигнал Uz1 компаратора 21 равен лог.1 при Un > О и — лог.0 при О з < О.

Выходной сигнал Uzz компаратора 22 равен лог.1 при U)a > 0 и — лог.О при U

О) и — уровень лог,1 если скорость отрицательна (V < О).

Коммутатор 27 имеет коэффициент передачи, равный+1 при сигнале О25, равному лог.О, и равный — 1 при сигнале UzB. равному лог.1. Следоваетельно, выходной сигнал Uz? коммутатора 27 равен:

О27 = mz6V (19) гп15 и

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости движения обьекта, содержащее оптическую систему, две пары линейных приемников излучения, выходы однои из которых саединены с соответствующими входами первого блока вычитания, второй блок вычитания, блок дифференцирования и блок деления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чта, с целью повышения точности измерения, в него введены двз прямоугольных приемника излучения, третий блок вычитания, второй блок дифференцирования и три блок умножения, при этом выходы второй пары линейных приемников излучения соединены с соответствующими входами второго блока вычитания, выходы первого и второго прямоугольных приемных излучения соединены соответственно с входами первого и второго блоков дифференцирования, выход первого блока дифференцирования соединен с. первыми входами первого и второго

40 блоков умножения, выход второго блока дифференцирования соединен с вторыми входами первого и третьего блоков умножения, выход первого блока вычитания соединен с первым входом третьего лака умножения, а выход второго блока вычитания соединен с вторым входом второго блока умножения, выход первого блока умножения соединен с первым входом блока деления, выходы второ"a и третьего блоков умножения соединены соответственно с вторым и первым входами третьего блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом блока деления, при этом каждыи иэ прямоугольных приемников излучения размещен в каждой паре линейных приемников излучения между н ми, оптическзя система содержит два объектива,. оптические оси которых параллельны, а плоскость установки BT0pol о объектива смеще1827024

Е/- сРПЛ

Arz,5

Составитель В.Семавин

Редактор С.Кулакова Техред M. Моргентал Корректор С.Пекарь

Заказ 2332 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 на вдоль своей оси по отнощению к первому обьективу на расстояние h < Н, где Н вЂ”. расстояние между первым объективом и контролируемым объектом,