Устройство для определения координат положения объекта

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений координат, скорости и ускорения перемещения объекта. Устройство содержит автоколлимационную оптическую систему 2, которая формирует изображение крестообразного источника 3 излучения на матрице 4 фотоприемников, положение которого определяется углами поворота зеркала 1, связываемого с объектом. Коммутатор 5 осуществляет по столбцам считывание сигнала с матрицы 4. С помощью коррелятора 6 и амплитудного компаратора 7 осуществляется определение номера столбца, в котором изменяется величина сигнала, по номеру которого с помощью счетчика 8 осуществляется регистрация измеряемой величины в относительных координатах. Сигнал с выхода коммутатора 5 также поступает на вход сдвигового регистра 10, с первого и второго выходов которого поступает на первый и второй входы элемента И 13, соответственно непосредственно и через элемент И-НЕ 11. С выхода генератора 12 импульсов сигнал поступает на третий вход элемента И 13, с выхода которого сигнал через второй счетчик 14 поступает на первые входы первого 15 и второго 16 делителей. На второй вход первого 15 делителя поступает сигнал с выхода первого 8 счетчика, с выхода первого 15 делителя сигнал поступает на второй вход второго 16 делителя. Сигналы, поступающие с выхода первого 15 и второго 16 делителя, пропорциональны значениям скорости и ускорения перемещения объекта. Аналогично регистрируется положение объекта по другой координате, где считывание осуществляется по строкам. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений малых линейных, угловых перемещений, скоростей и ускорений.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения координат положения объекта, содержащее зеркало, связываемое с объектом, автоколлимационную оптическую систему, крестообразный источник излучения, связываемый с объектом, установленную по ходу светового луча прямоугольную матрицу фотоприемников и схему регистрации, подключенную к прямоугольной матрице, при этом схема регистрации выполнена в виде последовательно соединенных коммутатора, коррелятора, амплитудного компаратора и первого счетчика, блока управления, первый вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а второй - с управляющим входом первого счетчика, выход которого является выходами угловых координат положений объекта в двух плоскостях, источник излучения и матрица фотоприемников развернуты так, что ось симметрии матрицы фотоприемников и сторона источника излучения образуют острый угол, причем тангенс угла, образованного осью симметрии матрицы и стороной источника излучения, выбран кратным отношению расстояния между строками или столбцами матрицы к длине строки или столбца (Авторское свидетельство СССР №1483254, кл. G01B 21/00, 30.05.1989 г.).

Недостатком данного устройства является невозможность определения угловых скоростей и ускорений перемещений объекта.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения угловых координат, значения скорости и ускорения перемещения объекта.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения координат положения объекта, содержащее зеркало, связываемое с объектом, автоколлимационную оптическую систему, крестообразный источник излучения, связываемый с объектом, установленную по ходу светового луча прямоугольную матрицу фотоприемников и схему регистрации, подключенную к прямоугольной матрице, где схема регистрации выполнена в виде последовательно соединенных коммутатора, коррелятора, амплитудного компаратора и первого счетчика, блока управления, первый вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а второй с управляющим входом первого счетчика, выход которого является выходами угловых координат положений объекта в двух плоскостях, при этом источник излучения и матрица фотоприемников развернуты так, что ось симметрии матрицы фотоприемников и сторона источника излучения образуют острый угол, причем тангенс угла, образованного осью симметрии матрицы и стороной источника излучения, выбран кратным отношению расстояния между строками или столбцами матрицы к длине строки или столбца, дополнительно введены сдвиговый регистр, элемент И-НЕ, генератор импульсов, элемент И, второй счетчик, первый и второй делители, причем выход компаратора соединен с входом сдвигового регистра, первый и второй выходы которого соединены соответственно непосредственно с первым и через элемент И-НЕ со вторым входами элемента И, выход генератора импульсов соединен с третьим входом элемента И, выход которого через счетчик соединен одновременно с первыми входами первого и второго делителя, выход первого счетчика соединен со вторым входом первого делителя, выход которого соединен со вторым входом второго делителя, выходы первого счетчика, первого и второго делителей являются соответственно первым, вторым и третьим выходами устройства для определения координат положения объекта.

Существенными отличительными признаками заявляемого устройства являются сдвиговый регистр, элемент И-НЕ, генератор импульсов, элемент И, второй счетчик, первый и второй делители и новые связи между элементами схемы устройства.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 - показан принцип действия автоколлимационной оптической системы; на фиг.3 - матрица фотоприемников и автоколлимационное изображение крестообразного источника излучения; на фиг.4 - матрица фотоприемников, на которой штриховкой показаны фотоприемники, на выходе которых присутствует сигнал; на фиг.5 - временные диаграммы сигналов в разных точках блок-схемы устройства.

Устройство содержит зеркало 1, связываемое с объектом, автоколлимационную оптическую систему 2, крестообразный источник 3 излучения и прямоугольную матрицу 4 фотоприемников, размещенные в фокальной плоскости автоколлимационной оптической системы 2, коммутатор 5, коррелятор 6, амплитудный компаратор 7, счетчик 8 и блок 9 управления, сдвиговый регистр 10, элемент И-НЕ 11, генератор 12 импульсов, элемент И 13, второй счетчик 14, первый 15 и второй 16 делитель, причем выход компаратора 5 соединен с входом сдвигового регистра 10, первый и второй выход которого соединен с первым и вторым входами элемента И 13 соответственно непосредственно и через элемент И-НЕ 11, выход генератора 12 импульсов соединен с третьим входом элемента И 13, выход которого через счетчик 14 соединен одновременно с первыми входами первого 15 и второго 16 делителей, выход первого 8 счетчика соединен со вторым входом первого 15 делителя, выход которого соединен со вторым входом второго 16 делителя, выходы первого 8 счетчика, первого 15 и второго 16 делителей являются соответственно первым, вторым и третьим выходами устройства для определения координат положения объекта.

Рассмотрим работу устройства на примере определения координат углового положения объекта. В этом случае оптическая связь матрицы и источника излучения осуществляется при помощи автоколлимационной оптической системы, принцип действия которой поясняется фиг.2.

На фиг.2 изображено зеркало 1, связываемое с объектом, угловое положение • которого подлежит измерению. Возможность поворота по углам α и β условно показана размещением зеркала 1 в осях подвеса. Зеркало 1 находится в поле зрения автоколлимационной оптической системы 2 (показана условно), в фокальной плоскости которой размещены крестообразный источник 3 излучения и матрица 4 фотоприемников.

Световой поток источника 3 проходит через автоколлимационную оптическую систему 2 и попадает на зеркало 1. Отраженный от зеркала 1 световой поток вновь проходит через автоколлимационную оптическую систему 2 и попадает на матрицу 4 фотоприемников, на которой формируется автоколлимационное изображение крестообразного источника 3 излучения (условно показано крестом). При поворотах зеркала 1 на углы α и β изображение источника 3 будет перемещаться по матрице 4 соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях.

На фиг.3 показан укрупненный вид матрицы 4 фотоприемников и автоколлимационное изображение крестообразного источника излучения.

Рассмотрим одну из линий креста, например вертикальную. Взаимодействие этой линии с прямоугольной матрицей при их взаимном развороте на угол ϕ эквивалентно взаимодействию линии без разворота с v матрицей, выполненной в виде трансверсальной сетки, т.е. при перемещении линии сигналы в фотоприемниках будут появляться последовательно в каждом ряду и по номеру ряда, в котором изменяется номер столбца, при этом можно судить об угле поворота. Разрешающая способность будет определяться отношением размера «а» фотоприемника к количеству N рядов.

При различных значениях угла ϕ получается различная разрешающая способность. Изменение разрешающей способности происходит дискретно при таких значениях угла ϕ, при которых линия креста параллельна диагонали одного или нескольких столбцов матрицы.

Целесообразно выбирать тангенс угла разворота кратным отношению расстояния между строками или столбцами матрицы к длине строки или столбца, т.е.

где K=1, 2, 3 ... W(M);

a - расстояние между строками (столбцами);

b - длина строки (столбца);

N{M) - количество строк (столбцов).

При К=1 достигается максимальная разрешающая способность, равная (в случае угловых измерений)

где f - фокусное расстояние объектива.

Аналогично можно определить угловое положение объекта по другой координате.

Коммутатор 5 осуществляет считывание сигналов с фотоприемников матрицы в два приема последовательно по строкам и по столбцам. Коррелятор 6 осуществляет сравнение последовательности сигналов строк или столбцов с эталонным сигналом S(t). Амплитудный компаратор 7 осуществляет сравнение сигнала с коррелятора 6 с пороговым уровнем U пор. Счетчик 8 импульсов подсчитывает импульсы блока 9 управления от момента начала считывания сигналов с фотоприемников по строкам или столбцам до момента его остановки сигналом с амплитудного компаратора 7 и тем самым регистрирует (в относительных единицах) величину углового перемещения.

Работа схемы регистрации поясняется временными диаграммами, изображенными на фиг.5.

Для определения координаты α коммутатор 5 осуществляет считывание сигналов с фотоприемников матрицы 4 по столбцам, начиная с первого в направлении стрелки на фиг.4 (сверху вниз).

В корреляторе 6 происходит поразрядное перемножение сигнала S_a с сигналом S(t) и суммирование результатов перемножения, при этом формируется сигнал S_ka.

В момент времени t_a сигнал S_ka достигает максимума, при этом время от начала считывания до момента t_a пропорционально координате α. Поскольку импульсы считывания с блока 9 управления идут через равные промежутки времени, то координата α пропорциональна количеству импульсов считывания, выработанных к моменту t_a.

Момент t_a определяется при помощи амплитудного компаратора 7, который вырабатывает сигнал в момент достижения сигналом S_ka максимума. Поскольку счетчик импульсов запускается в момент начала считывания, а останавливается сигналом с компаратора 7, то показания N_a счетчика 8 импульсов пропорциональны координате α.

Сигнал с выхода коммутатора 5 также поступает на вход сдвигового регистра 10, с первого и второго выхода которого поступает на первый и второй вход элемента И 13, соответственно непосредственно и через элемент И-HE 11, на третий вход поступает сигнал с выхода генератора 12 импульсов, с выхода элемента И 13 сигнал поступает через второй счетчик 14 на первые входы первого 15 и второго 16 делителей, на второй вход первого 15 делителя поступает сигнал с выхода первого 8 счетчика, с выхода первого 15 делителя сигнал поступает на второй вход второго 16 делителя. Сигналы, поступающие с выхода первого 15 и второго 16 делителя, пропорциональны значению скорости и ускорения перемещения объекта.

Аналогично определяется координата β, при этом считывание происходит по строкам матрицы, начиная с первой в направлении стрелки, показанной на фиг.4 (слева направо).

Источник информации.

1. Авторское свидетельство СССР №1483254, кл. G01B 21/00, 30.05.1989 г. (прототип).

Устройство для определения координат положения объекта, содержащее зеркало, связываемое с объектом, автоколлимационную оптическую систему, крестообразный источник излучения, связываемый с объектом, установленную по ходу светового луча прямоугольную матрицу фотоприемников и схему регистрации, подключенную к прямоугольной матрице, схема регистрации выполнена в виде последовательно соединенных коммутатора, коррелятора, амплитудного компаратора и первого счетчика, блока управления, первый вход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а второй с управляющим входом первого счетчика, выход которого является выходами угловых координат положений объекта в двух плоскостях, при этом источник излучения и матрица фотоприемников развернуты так, что ось симметрии матрицы фотоприемников и сторона источника излучения образуют острый угол, причем тангенс угла, образованного осью симметрии матрицы и стороной источника излучения, выбран кратным отношению расстояния между строками или столбцами матрицы к длине строки или столбца, отличающееся тем, что введены сдвиговый регистр, элемент И-НЕ, генератор импульсов, элемент И, второй счетчик, первый и второй делители, причем выход компаратора соединен с входом сдвигового регистра, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами элемента И соответственно непосредственно и через элемент И-НЕ, выход генератора импульсов соединен с третьим входом элемента И, выход которого через счетчик соединен одновременно с первыми входами первого и второго делителя, выход первого счетчика соединен со вторым входом первого делителя, выход которого соединен со вторым входом второго делителя, выходы первого счетчика, первого и второго делителей являются соответственно первыми, вторыми, третьими выходами устройства для определения координат положения объекта.