устройство для определения координат положения объекта

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 и 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 и 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 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 получается различная разрешающая способность. Изменение разрешающей способности происходит дискретно при таких значениях угла , 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 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 . Поскольку импульсы считывания с блока 9 управления идут через равные промежутки времени, то координата 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 .

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 , 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).