автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование оптико-электронной системы контроля положения объекта методом триангуляции

На'правах рукописи

МИХЕЕВ Сергей Васильевич

""оиоьивв

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА МЕТОДОМ ТРИАНГУЛЯЦИИ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт -Петербург 2007

003056086

Работа выполнена в Санкт-Петербургском! Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор...................И.А. Коняхин

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор...................Л.Н. Андреев

кандидат технических наук..............................Ю.И. Солдатов

Ведущее предприятие - ОАО «ЛОМО»

Защита диссертации состоится 007 г. в //ч ■Их. мин.

на заседании специализированного совета Д 212.227.01 при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000 г. Санкт-Петербург, пер. Грив-цова, 14., ауд. 313-а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "¿У " ¿¿У/¿Л'! .2007 г.

>

Ученый секретарь

специализированного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из направлений развития техники, является внедрение автоматизированных средств измерения взаимного положения частей или объектов, в реальном времени с применением вычислительных средств. Это позволяет обеспечить повышение производительности оборудования, снизить затраты труда на подготовительные операции, сэкономить ресурсы, повысить объективность контроля и сократить ручной труд.

Можно выделить следующие измерительные задачи.

1. Обеспечение монтажных операций в строительстве, на производстве при необходимости точной ориентации сопрягаемых объектов, определения взаимного расположения их в процессе монтажа. Например -контроль точности позиционирования при установке ферм, стеновых панелей, монтаже оборудования и т.д.

2. Обеспечение котировочных операций. При производстве новых образцов различного вида транспорта, создание установок для научных исследований требует точного контроля положения составляющих при их сборке, юстировке и последующей эксплуатации. Например, такие измерения обязательны при заключительных операциях сборки и юстировки авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, блоков ускорителей заряженных частиц и т.д.

3. Мониторинг поведения промышленных, инженерных и жилых сооружений, энергетических установок, для повышения надёжности и безопасности, их эксплуатации. Определяет необходимость оперативного контроля деформаций и прогибов нагруженных элементов конструкций сооружений.

4. Определение пространственного положения свободно перемещающихся объектов, относительно друг друга. Такие задачи решаются при разработке новых образцов транспортных средств, необходимая разработчикам информация в значительной степени заключена в динамике

движения и изменения ориентации модели. А так же необходимо проводить измерение координат буксируемых объектов, стыкуемых космических аппаратов (КА), для обеспечения маневрирования К А согласно заданным условиям сближения.

Развитие оптоэлектронной элементной базы и основанных на ней средств измерения делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронные измерительные системы, отвечающие требованиям реализации многокоординатных, высокоскоростных и бесконтактных измерений с автоматизацией снятия отсчета и повышенной достоверностью получаемой информации.

На практике часто требуется контролировать перемещения контролируемого объекта на расстояние от метра и до нескольких десятков метров. При этом диапазон измеряемых поперечных смещений может лежать пределах метров, а погрешность измерения должна составлять порядка миллиметров. Контроль обычно осуществляется в достаточно жестких условиях эксплуатации, характеризуемых изменением температуры окружающей среды в широких пределах, воздействием осадков, влажности, электромагнитных помех промышленного происхождения, наличием оптических помех (солнечное излучение, искусственное освещение, вспышки электросварки и т.п.).

В указанных условиях эксплуатации измерительных систем на первое место выдвигаются, кроме обеспечения необходимой погрешности измерений, требования широкого диапазона измерений и малой энергоемкости систем. Выполнение этих требований можно обеспечить лишь соответствующим выбором физических принципов построения измерительных систем, методов и алгоритмов обработки сигналов, а также технических решений при разработке и производстве измерительных систем.

Для решения задачи автоматизированного контроля положения с объектом связываются визирные цели, фиксирующие три и более его контрольных точки. Изображения визирных целей регистрируются оптико-

электронным измерительным преобразователем, включающем в общем случае несколько измерительных каналов, с отдельными анализаторами на основе матричных фотоприемников, и с последующей компьютерной (микропроцессорной) обработкой видеокадра. При этом предварительная обработка измерительной информации может осуществляется в непосредственной близости от анализатора, что увеличивает помехозащищенность системы в целом и исключает избыточность информации.

Предметом диссертационного исследования являются особенности алгоритмов функционирования оптико-электронных систем, реализующей триангуляционный метод измерения, соотношения между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, составляющие погрешности измерения, их взаимосвязь и влияние на суммарную погрешность измерения.

Целью диссертационного исследования является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, теоретический анализ и экспериментальные исследования оптико-электронной системы измерения пространственного положения кооперируемых объектов, реализующей алгоритм триангуляционных измерений.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

- проанализировать принципы построения, структуру, основные параметры используемых систем определения пространственного положения по критерию соответствия указанным требованиям;

- по результатам анализа реализованных систем разработать принципы построения и методики расчета оптимальных параметров оптико-электронных систем на основе метода триангуляции (ОЭС МТ) для измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов на основе метода триангуляции;

- разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования ОЭС МТ на системотехническом уровне;

-6- на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов ОЭС МТ и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность);

- на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования влияния основных составляющих погрешности измерения ОЭС МТ на суммарную погрешность;

- используя полученные соотношения, спроектировать и реализовать макет ОЭС МТ и выполнить его экспериментальные исследования.

Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать соотношения геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов измерения пространственных координат используются детерминированных, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов измерительной системы. Модели реализованы на основе компьютерной технологии МаШСАО и исследуются методом статистических испытаний. Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ОЭС МТ, моделирующем основные узлы и алгоритмы функционирования системы.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты аналитического обзора схем и разработанные на их основе принципы классификации ОЭС МТ.

1.1. По методу измерения пространственных координат кооперируемых объектов ОЭС МТ разделяются на системы, построенные по методу

«линейных засечек», «угловых засечек» и «обратных угловых засечек». В ОЭС МТ построенной по методу «линейных1 засечек» производится измерение дистанции до контрольных точек объекта, и только потом производится вычисление координат объекта. Системы «угловой засечки» и обратной угловой засечки» измеряют углы визирования на контрольные точки объекта и после этого происходит вычисление пространственного положения объекта.

1.2. В системах «обратной угловой засечки» величины пространственных координат контрольных точек объекта определяются в результате единой итерационной процедуры измерения и последующей обработки некоторых общих величин - координат изображений контрольных точек в одной общей плоскости анализа. В системах «угловой засечки» определение пространственных координат каждой из контрольных точек объекта по отдельности и потом за один цикл вычисляются координаты контролируемого объекта.

2. Соотношения для чувствительности ОЭС МТ к различным пространственным координатам, по теоретическим выкладкам.

2.1. Чувствительность измерения угловых координат и как линейных координат в плоскости перемещения в ОЭС МТ обоих видов обратно пропорциональна дальности до контролируемого объекта, а чувствительность измерения дальности - обратно пропорциональна квадрату дальности.

2.2 Чувствительность измерения в ОЭС МТ обоих видов по дальности и угловым координатам прямо пропорциональна произведению базового расстояния между контрольными точками объекта (для ОЭС МТ типа «угловой засечки» - между центрами апертур объективов двух приемных каналов) на фокусное расстояние объектива.

2.3. При измерении линейных смещений контролируемого объекта ОЭС «угловой засечки» потенциально более чувствительна к измеряемой величине по сравнению с ОЭС МТ «обратной угловой засечки».

2.4. Соотношение чувствительности измерения дальности до объекта

и чувствительности измерения линейных координат объекта в плоскости перпендикулярной линии визирования связано найденным функционалом.

3. Результаты теоретического анализа составляющих погрешности измерения.

3.1. Наиболее значимой систематической составляющей является погрешность вследствие отклонения фокусного расстояния от номинального значения, что определяет необходимость ее компенсация. Принципиальная возможность компенсации следует из систематического характера погрешности.

3.2. Наиболее значимой флуктационной составляющей погрешности измерения является составляющая вследствие погрешности измерения координат изображения в плоскости анализа из за шумов и дискретности фоточувствительной матрицы.

3.3. Для ОЭС МТ «угловой засечки» погрешность измерения углов поворота относительно осей в коллимационной плоскости превышает погрешность измерения этих угловых координат по сравнению с ОЭС МТ «обратной угловой засечкой» в соответствии с найденной функциональной зависимостью.

4. Результаты экспериментального исследования первичных погрешностей измерения на компьютерной модели.

4.1. Относительная погрешность измерения ОЭС МТ двух типов незначительно, на 1% увеличивается при смещениях объекта относительно согласованного положения. Зависимость погрешности измерения координат от величины углов поворота объекта отсутствует в пределах точности эксперимента.

4.2. Погрешности измерения ОЭС МТ линейно зависит от погрешности измерения координат изображений визирных целей в плоскости анализа и погрешности определения базовых расстояний и нелинейно - от погрешности определения фокусного расстояния.

5. Защищаются результаты экспериментального исследования маке-

та ОЭС МТ на основе метода обратной угловой засечки, подтверждающие правильность полученных теоретических соотношений.

Также защищаются разработанные автором:

-принципы построения алгоритмической модели ОЭС МТ «обратной угловой засечки»;

- многопроходный алгоритм обработки изображения с предварительным анализом регистрируемой сцены (особенностей расположения трех точечных изображений) и уточненным вычислением координат контролируемого объекта;

-методика экспериментального исследования составляющих погрешности измерения ОЭС МТ с использованием разработанных моделей и макетов.

Практическая ценность работы.

1. Получены выражения для расчёта чувствительности измерения линейных и угловых координат ОЭС МТ «угловой засечки» и «обратной угловой засечки» типов;

2. Выполнен анализ составляющих погрешности измерения ОЭС МТ двух типов: «угловой засечки» и «обратной угловой засечки» для практического варианта;

3. Разработаны принципы построения и реализована компьютерная модель ОЭС МТ «обратной угловой засечки».

4. В результате экспериментов на моделях ОЭС МТ получены данные, позволяющие выработать пути повышения точности измерения.

5. Результаты экспериментов с макетом ОЭС МТ «обратной угловой засечки» подтвердили возможность практической реализации высокоточной шестикоординатной системы измерения пространственного положения кооперируемых объектов.

Внедрение результатов работы отражено двумя актами внедрения методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем:

-10в отраслевой лаборатории кафедры Оптико-электронных приборов и систем ГУ ИТМО, а также в учебном процессе ГУ ИТМО.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- XXXII научная и учебно-методическая конференция СПб ГИТМО (ТУ), посвященная 300-летию Санкт-Петербурга, 2003 года;

- Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2003», Санкт-Петербург, 2003 г;

ХХХШ учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава СПб ГУИТМО, 2004 года;

- XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, 2005 года;

- Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики. II межвузовская конференция молодых учёных, 2005 года;

- Четвертая международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2005» Санкт - Петербург, 2005 г.;

-VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006.

В 2006 году исследования по тематике диссертации получили поддержку в рамках гранта Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов вузов и академических институтов.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях и тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Работа содержит 128 страниц, включая 8 Таблиц, 43 рисунка; библиографический список включает 46 наименований.

-lili КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность работы. Указываются контрольно-измерительные задачи, средства решения которых составляют область научных исследований, определяются требуемые совокупности свойств. Формулируются цель и задачи диссертационного исследования.

В Главе 1 на основе анализа известных схем ОЭС ТМ установлены типы систем, выполняющих измерения всех шести пространственных координат (см. рис.1): трех линейных - координат X0,Y0,Z0, связанных с «центром» контролируемого объекта, и трех угловых - углов ©!©2©з поворота объекта относительно собственных осей.

Рис.1. Структура измерительной системы Определяется выбор типа систем пригодных для решения конкретной задачи определения положения кооперируемых объектов.

В Главе 2 рассматриваются основные габаритные соотношения для двух видов выбранных в качестве объекта исследования ОЭС МТ: «угловой засечкой» и «обратной угловой засечкой».

В ОЭС МТ «угловой засечкой» углы визирования трех (или более) визирных целей объекта измеряются двумя видеосистемами, каждая из которых включает объектив анализатор на основе матричного приемника оптического излучения. - см. рис. 2. Обработка видеокадров выполняется микропроцессором (обрабатывающим компьютером).

Угловые поля видеосистем перекрываются, обеспечивая визирование контролируемого объекта в области его маневрирования; центры объективов видеосистем расположены на известном базовом расстоянии В.

В ОЭС МТ «обратной угловой засечкой» одна видеосистема (например, в составе объектива 1 и матрицы 1) определяет углы визирования трех визирных целей объекта. Базовые расстояния Ь\ и Ьл между измерительными марками предварительно измерены при монтаже ОЭС.

Объектив

Рис. 2. Обобщенная структурная схема ОЭС МТ

Выполнен теоретический анализ чувствительности ОЭС двух видов к измерению линейных и угловых координат.

В частности, при условии измерительной задачи, когда система работает на дальнем участки дистанции, Ь » В, Ь» ЪьЬц и одной измеряемой координате о чувствительность измерения ОЭС «угловой засечки» смещений ху и дистанции Ь до объекта определяются выражениями: / В/

^х = Эу = 1 (1) (2)

Выражения (1),(2) справедливы и для ОЭС МТ «обратной угловой засечки» при замене В на Ьл.

Чувствительность к углам поворота для ОЭС МТ «обратной угловой

засечки» определяется выражением:

b-f

(3)

Выражение (3) определяет чувствительность измерения поворота 03 при b = ЬА и измерения поворотов ©,, ©2 при b = b\.

В ОЭС МТ «угловой засечки» величина Ъ базы между визирными целями не известна заранее, а определяется в процессе измерения линейных координат, что определяет потенциально большую погрешность измерения углов поворота по сравнению с ОЭС МТ «обратной угловой засечки».

В Главе 3 выполнен анализ составляющих погрешности измерения линейных и угловых координат. Рассматривается практическая реализация ОЭС МТ обеспечения стыковки и режима стабилизации взаимного положения («зависания») космических аппаратов (КА) по схеме «обратной засечки» см. рис. 3; вторая видеосистема отсутствует.

Условия измерительной задачи: диапазон изменения дистанции L = 1...20 м; X0max,Y0max не более ±3500 мм на дистанции L =20 м. Требуемая погрешность измерения перемещений: аХ = oY ~ 5...500 мм в зависимости от дистанции.

Требуемая погрешность измерения координаты Z0 не более oZ = 400 мм на дистанции L =20 м, и aZ =20 мм, при L = 1м (AL<-t(0,2+0,02L)).

Диапазон измерения угла поворота КА относительно координатных осей XY ±10°, вокруг оси Z до 180°. Среднее квадратическое значение погрешности, измерения углов поворота контролируемого объекта по углам ©1,02: не более 1,5 угл. мин.; в радианах — 0.00044; по углу 03: - 3 угл. мин.

Теоретический анализ выявил следующие основные составляющие погрешности измерения (первичные погрешности):

1. Погрешность измерения координат изображений визирных це-

лей на чувствительной площадке матрицы ПЗС ах.

1. Отклонение величины базы В между осями видеосистем в ОЭС «угловой засечки» от номинального значения сгв или отклонение величины баз Ь от номинального значения между тремя (и более) визирными целями в ОЭС «обратной угловой засечки» сть.

3. Отклонение величины фокусного расстояния объектива видеосистем от номинального значения о£%.

пристыковываемый КА

Рис.3. Структура практического варианта ОЭС МТ Расчеты выявили необходимость компенсации погрешности вследствие отклонения величины фокусного расстояния объектива. После калибровки указанная относительная по1решность полагается равной ст^/о = 0,1%, Величины прочих первичных погрешностей: ох = 0.31*10"3 мм,ав = сгь = 0.2 мм, ап = 8.2* 10"6 рад.

Определены частичные погрешности измерения, определяемые указанными первичными погрешностями. Расчетные величины для ОЭС двух рассматриваемых типов приведены в Таблице 1.

Большее значение погрешности для ОЭС М'Г «угловой засечки» принципиально и объясняется тем, что погрешность определения базовых

расстояний между визирными целями определяется непосредственно в процессе измерения. На основании расчётов для рассматриваемого варианта практической реализации был сделан выбор в пользу ОЭС МТ «обратной угловой засечки» как отвечающий требованиям технического задания.

Частичные погрешности измерения координат для = 20 м Таблица 1

ОЭС МТ «угловой засечки» ОЭС МТ «обратной угловой засечки»

Погрешность измерения дистанции до объекта 29,55 мм 22.879 мм

Погрешность измерения поперечных линейных смещений объекта 3,2 мм 2,7 мм

Погрешность измерения угловых координат объекта ОЭС МТ, 0], 02 2.5-10"2 рад. 1,5-КГ3 рад

Погрешность измерения угловых координат объекта ОЭС МТ, ©з 1,4-10"3 рад. 4,5-10"4 рад

В Главе 4 рассмотрены принципы построения и реализована компьютерная модель рассматриваемых ОЭС на уровне структурной схемы, позволяющая имитировать влияние первичных погрешностей элементов измерительной цепи. Необходимость использования модели определяется сложностью точного аналитического описания влияния первичных погрешностей в общем случае измерения при наличии как линейных смещений по всем трем координатам так и всех трех угловых поворотов. Разработана методика, на основе которой с использованием модели выполнены исследования влияния первичных погрешностей и параметров измерительной задачи. Структура алгоритма моделирования включает следующие этапы: расчёт координат изображения визирных целей на матрице, по известным значениям параметров ОЭСМТ; генерация случайной величины, имитирующей изменение параметра измерительной цепи вследствие влияния первичной погрешности; определение параметров ориентации контролируемого объекта (после воздействия влияющего фактора); определение относительной погрешности измерения координат как функции

величины влияющего фактора.

Результаты моделирования показали, что погрешность1 измерения как линейных так и угловых координат практически не зависит от линейных смещений контролируемого объекта. Например, относительная погрешность измерения линейной координаты ах при поворотах 02 контролируемого объекта в горизонтальной плоскости в диапазоне +10° изменяется не более чем на 1%. Значимым влияющим фактором являются погрешность измерения координат визирных целей

Основные результаты моделирования представлены на графиках.

б)

А Г. м„ 60 -50 " 40 30 20 10 О

А I .мм

А I ¿им

0,05 0,1 0,15 0,2

0,05 0,1 0,15 0,2

Рис.4. Зависимость величины предельных погрешностей определения координат Х,У, (рис. 4а) и предельной погрешности определения координаты 7. (рис. 46) контрольных точек объекта от погрешности установки визирных целей

б) 7,5

БвЗ,рад

вв I,рад 802, рад

0.05 0.15 0.3 ах' к долях пиксела малрицы

0.05 0.15 0.3

ох' в долях пиксела ПЗС

Рис.5. Погрешность измерения углов поворота (см. рис5а),и смещений (см.рис.56) от погрешности измерения координат изображения визирных целей на матричном фотоприемнике для ОЭС МТ «обратной угловой засечки».

-17В Главе 5 приведены результаты экспериментальной проверки достоверности полученных теоретических результатов. По разработанным методикам спроектирован и реализован макет ОЭС МТ. Параметры элементов приведены на рис. 2; структура экспериментальной установки изображена на рис. 3. При обработке видеокадров КМОП матрицы используется разработанный многопроходный алгоритм обработки изображения с предварительным анализом регистрируемой сцены (особенностей расположения трех точечных изображений) и уточненным вычислением координат контролируемого объекта. Основные результаты экспериментов для дистанции макет ОЭС — визирная цель Ь = 1,8 м приведены в Таблице 2

Результаты экспериментальных исследований макета ОЭС МТ Таблица 2

Исследуемая статическая характеристика С > С7

Смещения вдоль осей ОХ,ОУ сх,оу = 0,3 мм при флуктуациях аг<3 мм, о0< 0,3° сгх,оу=0,4мм

Смещение вдоль оси ОЪ, аг - 3 мм при флуктуациях сх,оу < 3 ММ, С50< 1° ста = 6,6 мм

Измерение угла поворота вокруг оси ОХ о01 =0.45° при флуктуациях аг ,ах,ау <1,5 мм, 00<О,1° а01=О.О25°

Измерение угла поворота вокруг оси ОУ О02 = 0,3° при флуктуациях от ,ах, су < 0,1 мм, о©< 0,15° а©2 = 0,03°

Измерение угла поворота вокруг оси ОЪ сг03 = 0,05° при флуктуациях аг,ах,ау <0,1 мм,ст©<0,15° а03 = 0,005°

Примечание: 0 - погрешность, полученная на макете ОЭС МТ, о" - погрешность приведённая к реальной ОЭС МТ обеспечения стыковки К А (I = 20 м). При снятии статических характеристик погрешности задания измеряемых величин : линейных - до 0.01 мм (по смешениям х и у) и 1 мм по дистанции Ь, угловых - не более 1 угл. мин.;

Результаты экспериментальных исследований на компьютерных моделях и макете ОЭС ТМ подтвердили адекватность реализованных мате-

матических и физических моделей, а также правильность найденных соотношений между параметрами исследованных систем. Исследования на макете ОЭС МТ подтвердили возможность реализации исследуемой высокоточной системы определения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов.

Заключение

1. Рассмотрены основные принципы построения оптико-электронных систем измерения линейных и угловых параметров пространственной ориентации объектов при их кооперировании, монтаже и мониторинговых наблюдениях деформаций; выявлены требования к ним.

2. В результате аналитического обзора разработана классификация ОЭС МТ указанного назначения, выявлены два основных типа систем -ОЭС «угловой засечки» и ОЭС «обратной угловой засечки». Показано, что наиболее перспективными для решения рассматриваемых измерительных задач являются системы с ОЭС «обратной угловой засечки».

3. Сравнение метрологических параметров этих видов ОЭС МТ показал, что системы «угловой засечки» имею более сложную структуру, в то время как системы «обратной угловой засечки» имеют более простую схему, но используют сложный итерационный алгоритм измерения.

4. Выполнено исследование зависимости чувствительности измерения линейных и угловых координат объекта от параметров элементов структурной схемы ОЭС МТ. Сравнение ОЭС этих двух типов по критерию чувствительности измерения групп параметров ориентации позволило установить соответствие между различными измерительными задачами и оптимальной для их решения схемой ОЭС.

5. Исследование составляющих погрешности измерения ОЭС МТ двух типов выявило наиболее значимые первичные погрешности звеньев измерительной цепи, определяющие точность измерения, что позволило выработать рекомендации по повышению точности измерения.

6. Для проверки достоверности полученных теоретических результа-

тов разработаны имитационные модели ОЭС МТ на уровне структурной схемы. С использованием моделей выполнены исследования влияния па-? раметров измерительной задачи (дальность, перемещения, повороты объекта) на точность ОЭС МТ. Также получены зависимости, определяющие суммарную погрешность измерения ОЭС МТ от величин отклонений параметров звеньев измерительной цепы.

7. Реализован макет ОЭС МТ и проведены его экспериментальные исследования, подтвердившие правильность разработанных методик и принципов построения измерительных систем.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях.

1. Михеев C.B. Анализ методов ввода видео кадра, сформированного Г13С измерительной системы в ЭВМ, // Сборник трудов конференции "Оптика 2003" 20-23 октября 2003 г. Санкт-Петербург. СПб: ГОИ с 151-152.

2. Коняхин И. Л., Михеев С. В., Ворона А. М. Сравнительный анализ методов компьютерной обработки видеокадров ПЗС-камер. // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Вып. 9 Подготовка паучных кадров: методики, технологии, результаты. /Под ред. Ю.А. Гатчина, СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 57-59.

3. Михеев C.B., Коняхин И.А. Моделирование оптической системы измерения координат объекта методом обратной линейной засечки //VI Международная конференция "Прикладная оптика" 18-21 октября 2004 г, СПб, Россия. Сборник трудов. Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб, 2004, с. 335-338.

4. Михеев C.B. Моделирование оптической системы измерения координат объекта методом обратной угловой засечки //Сборник трудов II межвузовской конференции молодых учёных 28-31 марта 2005 г./ Под редакцией B.J1. Ткалич. Том 3. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005., с. 180-183.

5. Михеев C.B. Исследование системы контроля положения объектов в пространстве на физической модели //0птика-2005. Труды четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2005". Санкт-Петербург, 17-21 октября 2005. / Под ред. проф. В. Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 156-157 с.

6. И.А. Коняхин, C.B. Михеев. Моделирование ОЭС измерения пространственных координат на основе метода "обратной угловой засечки" // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Т. 17, "Результаты научно-исследовательских работ". СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 404 с.

7. Михеев C.B., Коняхип И.А. Исследование системы контроля положения кооперируемых объектов на физической модели // УП Международная конференция «Прикладная опгика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006., с. 129133.

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре "Университетские телекоммуникации". Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел (812) 233-46-69. Тираж 100 экз.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАСШИРЕНИЯ ДИАПАЗОНА ИЗМЕРЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ.

1.1. Обобщенная структура измерительной системы.

1.2. Принципы классификации измерительных схем.

1.2.1 Выводы из обзора типовых схем ОЭС ИКПП.

1.2.1. Формулировка предмета проводимых исследований.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПЕРЕМЕЩАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.1. Выбор и обоснование элементов структурной схемы исследуемых систем

2.1.1. Структура исследуемой системы.

2.1.2. Обобщенная схема ОЭС построенной по методу угловой засечки.

2.1.3. Обобщенная схема ОЭС построенной по методу «обратной угловой засечки».

2.1.4. Метод анализа вариантов ОЭС.

2.2. Анализ чувствительности ОЭС. Принцип раздельного рассмотрения.

2.3. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта в Плоскости перемещения.

2.4. Чувствительность к линейным смещениям контролируемого объекта по оптической оси ИОЭП (измерение расстояния).

2.5. Чувствительность к поворотам контролируемого объекта.

2.5.1. Расположение визирных целей при построении ОЭС измерения . пространственного положения объекта.

2.5.2. Особенность измерения угловых координат в ОЭС второго типа

2.6. Выводы по материалам главы.

3. АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ . ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ кооперируемых ОБЪЕКТОВ.

3.1. Измерение параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов.

3.1.1. Измерительная задача.

3.2. Расположение ИОЭП и ВЦ ОЭС.

3.2.1. Элементная база ОЭС.

3.3. Основные габаритные соотношения.

3.4. Проверочный энергетический расчет.

3.5. Анализ основных составляющих погрешности измерения.

3.5.1. Первичные погрешности.

3.5.2. Оценка величины первичной погрешности измерения координат изображений на чувствительной площадке матриц.

3.5.3. Оценка величины первичной погрешности - отклонения величины базы от номинального значения.

3.6. Расчет частичных погрешностей измерения /24/.

3.6.1. Оценка погрешности измерения расстояния до контролируемого объекта (координаты по оси визирования OZ).

3.6.2. Оценка погрешности измерения линейных смещений в плоскости перемещения.

3.6.3. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС «обратной угловой засечки».

3.6.4. Оценка погрешности измерения угловых координат ОЭС «угловой засечки».

3.6.5. Резюме по расчету составляющих погрешности измерения.

4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КООПЕРИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ.

4.1. Алгоритм измерения ОЭС «обратной угловой засечки».

4.2. Принципы построения модели ОЭС «обратной угловой засечки»

4.3. Анализ результатов экспериментального исследования модели ОЭС.С помощью реализованной модели выполнялись экспериментальные исследования влияния различных составляющих погрешности измерения на точность измерения.

4.3.1. Зависимость погрешности измерения линейных и угловых координат от смещений и поворотов контролируемого объекта.

4.3.2. Зависимость погрешности измерения координат объекта от погрешности измерения координат изображений визирных целей.

4.4. Резюме по материалам главы.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ КООПЕРИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ НА МАКЕТЕ.

5.1. Разработка алгоритмов измерения параметров изображения марки

5.2. Выбор общей методики экспериментальных исследований.

5.3 Последовательность исследования ОЭС.

5.4 Состав макета ОЭС.

5.5 Результаты экспериментального исследования макета ОЭС МТ

Развитие измерительной техники связанное с определением пространственного положения и перемещений контролируемого объекта до сих пор является актуальным и важным. Примером тому могут служить системы ориентации и стыковки космических аппаратов (КА), в общем случае системы определения взаимного положения кооперируемых объектов, определение перемещения различных крупногабаритных объектов в промышленности и строительстве.

Для совершенствования контрольно-измерительной техники необходимы исследования принципов построения схем и анализ методик расчета параметров оптико-электронных измерительных систем контроля пространственного положения объектов. Наряду с теоретическими исследованиями для повышения достоверности разработанных методик требуется практическая реализации и исследование измерительных систем как на компьютерных моделях так и экспериментальных образцах.

Актуальность исследования

Метрологическое обеспечение многих измерительных задач производственной, научной деятельности и транспортных операций предусматривает операции контроля перемещаемых объектов в процессе монтажа и мониторинга их состояния.

В частности, могут быть выделены следующие измерительные задачи.

1. Метрологическое обеспечение монтажных операций. В строительстве, электроэнергетике, машиностроения и приборостроение есть необходимость точной ориентации сопрягаемых объектов, определения параметров взаимного расположения частей и блоков в процессе монтажа. Например, необходим контроль точности позиционирования при установке ферм, стеновых панелей, монтаже технологического оборудования, определение ориентации осей подкрановых балок и путей, измерения непрямолинейности направляющих кранов, лифтов и т.д. /1,2/. При этом эффективность последующей операции точной юстировки положения оборудования в значительной мере определяется точностью выполнения монтажной операции.

2. Метрологическое обеспечение юстировочных операций. При производстве и создание установок для научных исследований требует точного контроля положения составляющих при их сборке, юстировке и последующей эксплуатации. Например, такие измерения обязательны при заключительных операциях сборки и юстировки авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, блоков ускорителей заряженных частиц и т.д./5/.

3. Определение пространственного положения кооперируемых объектов. Определение пространственного положения свободно перемещающихся объектов, относительно друг друга. Такие задачи решаются при разработке новых образцов транспортных средств, необходимая разработчикам информация в значительной степени заключена в динамике движения модели. Определение координат пространственного положения кооперируемых объектов таких как: буксируемые объекты, стыкуемые космические аппараты (КА), для обеспечения выполнения необходимых технических задач./б/.

4. Мониторинговые измерения. Повышение надежности и безопасности функционирования промышленных, инженерных и жилых сооружений, энергетических установок определяет необходимость оперативного контроля деформаций и прогибов нагруженных элементов конструкций инженерных сооружений: фундаментов реакторов, пролетов мостов, плотин, стенок доков, резервуаров и т.д. /3,4/. При этом деформация приводит к пространственному перемещению элемента конструкции.

Развитие оптоэлектронной элементной базы и основанных на ней средств измерения делает перспективным использование для метрологического обеспечения указанных задач оптико-электронных измерительных систем, позволяющих реализовать высокоскоростные и бесконтактные измерения, автоматизировать процесс снятия отсчета, повысить достоверность получаемой информации.

В связи с рассмотренными обстоятельствами, исследования оптико-электронных систем определения пространственной ориентации кооперируемых объектов являются актуальными и своевременными.

Определение области научных исследований

Описание задачи измерения

Анализ показывает, что указанные задачи в общем случае сводятся к одной процедуре: измерению пространственного положения контролируемого объекта относительно некоторой системы координат, имеющей привязку.

При этом эта система координат, связана с некоторым базовым объектом, которому можно сопоставить систему координат XYZ, а с контролируемым объектом — систему координат X1Y1Z1 (перемещаемая), оси которой в исходном состояние параллельны соответствующем осям неподвижной системы координат. При этом обычно неподвижная система координат ориентирована так, что одна из осей (например, ось OZ) параллельна или непосредственно совпадает с линией, соединяющей контролируемый объект и измерительную систему.

В процессе перемещения контролируемого объекта (при монтаже или юстировке) нарушается параллельность соответствующих осей рассматриваемых систем координат, а при сдвиге возникает отклонение от первоначального направления на центр контролируемого объекта, и линия визирования составляет ненулевой угол с осью OZ неподвижной системы координат (рис. 2).

Пространственная ориентация объекта определена, если известны как угловые, так и линейные параметры ориентации 111. Наиболее часто используются следующие параметры ориентации: три угловые координаты объекта, т.е. величины трех последовательных поворотов системы координат X1Y1Z1 относительно собственных осей, в результате которых оси этой системы из согласованного переместятся в текущее после поворота объекта положение; три линейные координаты объекта, т.е. координаты X0,Y0,Z0 точки Oi начала координат системы X1Y1Z1 в осях неподвижной системы координат XYZ, или возможно использовать расстояние от центра неподвижной системы до центра системы, связанной с контролируемым объектом.

Пусть в так называемом «согласованном положении контролируемого объекта» оси системы координат X1Y1Z1 параллельны соответствующим осям неподвижной системы координат. Линия, соединяющая начальные точки 0,0j систем координат (линия визирования контролируемого объекта) совпадает с осью OZ неподвижной системы (рис. 1),

Вместо линейных координат часто используются параметры, определяющие ориентацию линии визирования контролируемого объекта. Под линией визирования в рассматриваемом случае понимается линия, соединяющая начальные точки 00]. Тогда к группе параметров ориентации контролируемого объекта относятся:

- текущее расстояние L между объектами (длина отрезка между начальными точками 0,0] систем координат);

- углы ав,рв,ув, между ортом линии визирования и осями координат системы XYZ.

Очевидно, что эта группа параметров ориентации по элементарным геометрическим выражениям пересчитывается в координаты XO,YO,ZO начала системы координат X1Y1Z1 и фактически определяет линейные координаты контролируемого объекта. и)

Контролируемый объект

Рис.1.

Таким образом, пространственное положение полагается определенным, если измерены три линейные и три угловые координаты контролируемого объекта в базовой систем координат.

Например особенностью метрологической задачи при рассматриваемых монтажных, буксировочных, котировочных и др. операциях является малое изменение дистанции до контролируемого объекта. Для операций по определению пространственного положения кооперируемых объектов, не обходимо мерить возможные перемещения в широких пределах, что в конечно итоге накладывает определённые требования на измерительную систему.

В настоящее время для решения рассмотренных задач используется множество приборов и систем, различающихся по физической природе, принципу действия, схемным решениям и метрологическим свойствам (например, механические - струны и мерные жезлы, электромеханические-уровни и креномеры, гидростатические - ртутные гидронивелиры /5,6,8/).

Опыт метрологического обеспечения операций сборки, юстировки и мониторинговых измерений показывает эффективность использования оптических и оптико-электронных средств. Это объясняется с одной стороны, возможностью реализации бесконтактных измерений в отличие от контактных датчиков: механических, индуктивных, электролитических, и прочих, а с другой стороны, значительно меньшей погрешностью измерения (на порядок и более), чем при использовании других бесконтактных средств, например, радиотехнических систем 111.

В состав измерительной системы могут входить узлы и элементы, основанные на самых различных принципах действия. Общепринятой классификации приборов для высокоточных измерений координат не существует. Такую классификацию можно осуществить по широкому кругу признаков, выбор которых выполняется в зависимости от принципов построения или характера их использования.

Используемые в настоящее время оптико-электронные системы измерения параметров пространственных координат объектов могут быть объединены в ряд групп по различным признакам: назначение и область применения, метода измерения, вида рабочей меры, степени автоматизации измерения, параметры оптического сигнала, диапазона измерения, способа измерения и т.д. (рис.2.) /14/.

Такие системы можно классифицировать по параметрам оптического сигнала, в качестве основы может использоваться системы основанные на интерференционных, поляризационных и др. Так же признаком классификации может служить число одновременно измеряемых параметров; можно их разделить на системы, которые измеряют за раз все шесть координат характеризующие объект, или только пространственные координаты.

Классификация по типу измерений, прежде всего подразумевает; пассивные системы - это системы, которые основаны на приеме оптического излучения от объекта. Активные - это системы, при использовании которых применяются, источники излучения определенного состава и др., что

Рис.2. Классификация ОЭС измерения пространственного положения способствует повышению контраста измеряемого объекта на окружающем его фоне и таким образом повышает точность измерений.

Автоколлимационные измерительные системы всегда строятся на основе активного метода измерений, поскольку в них, прежде всего, необходимо формирование опорного светового пучка, направляемого на отражатель, установленный на объекте, положение которого измеряется.

Измерительная система метрологического обеспечения монтажа, сборки, юстировки и т.п. обычно предназначены для работы в цеховых условиях. Это определяет практическую невозможность использования интерференционных и дифракционных систем, чувствительных к возможным вибрациям элементов и температурным градиентам в оптическом тракте /14/. Поляризационные системы даже в одноканальном варианте имеют сложную структуру и значительную стоимость. Это позволяет ограничить область научного исследования только оптико-механическими и оптико-электронными измерительными приборами, основанными на явлениях геометрической оптики.

Определение объекта, предмета и задач научного исследования

Требования, предъявляемые к измерительным средствам.

На практике используется ограниченное количество общих критериев оценки качества методов и средств измерений пространственных координат и вытекающих из них требований. В частности, могут быть сформулированы следующие группы требований:

• Первая группа. Требования по точности, диапазону измеряемых угловых и линейных координат и дистанции измерения (рабочей дистанции до контролируемого объекта).

Особенностью измерений положебния кооперируемых объектов является относительно большое изменение дистанции. Для обеспечения правильности работы измерительной системы, она ориентируется так, чтобы поле зрения оптической системы полностью перекрывало область перемещений контролируемого объекта.

По рабочей дистанции и диапазону изменения измеряемой величины могут быть выделены характерные классы приборов со следующими параметрами:

- дистанция работы до 50 м, диапазоны измеряемых линейных смещений - до 1000 мм, углов поворота - до нескольких угл. град, (при решении задач 1. и 2.);

- дистанция работы до 30 м, диапазоны линейных смещений до 100 мм, углов поворота - до 1 угл. град, (при решении задачи 3);

- дистанция работы до Юм, диапазоны линейных смещений до 10 мм, углов поворота - до 20 угл. град, (при решении задачи 4).

Допустимая относительная погрешность измерения как трех угловых, так и трех линейных координат лежит в пределах 0,01 . 0,001 от диапазона изменения измеряемой величины.

• Вторая группа. Требования к многокоординатности измерений, сюда входят требования к количеству измеряемых угловых и линейных координат контролируемого объекта.

При решении типовых задач 1.4 перечня необходимо измерение всех шести (трех угловых и трех линейных) координат объекта. Поэтому это требование трансформируется к требованию реализации шести-координатных измерений возможно меньшим количеством измерительных приборов, входящих в состав измерительной системы.

• Третья группа. Требования по функциональным возможностям, отвечающие следующим критериям: по универсальности, в частности, возможности оперативной перенастройки в соответствии с изменением условий измерительной задачи и по возможности автоматизации непосредственно процесса измерения и начальной ориентировки измерительной системы /38/.

• Четвёртая группа. Требования к конструкции системы, эксплуатационные, производственно-технологические, стоимостные. Простота схемы и конструкции элементов системы, возможности унификации функциональных элементов, узлов и конструкции в целом, сравнительно невысокая стоимость.

В той или иной степени перечисленные требования предъявляются при решении практически всех монтажных задач 1.4, однако основными являются требования первой группы. В зависимости от конкретной измерительной задачи, к основным могут относиться и требования других групп.

Анализ соответствия требованиям

Рассмотрим соответствие применяемых в настоящее время приборов рассмотренным требованиям.

1. По первой группе требований. Современные оптико-механические и оптико-электронные приборы в большинстве обеспечивают измерения с требуемой точностью для решения всех задач 1.4 перечня. Однако серийные приборы реализуют измерения линейных и угловых координат в значительно меньшем диапазоне, чем это требуется для решения задач 1,2, а также угловых координат в меньшем диапазоне чем требуется для решения задачи 3.

Требуемого диапазона измерения добиваются увеличением количества отдельных приборов, расположенных в базовой плоскости с некоторым шагом.

2. По второй группе требований. Как серийные оптико-механические и оптико-электронные приборы, так и опытные разработки, как правило, предназначены для измерения или только линейных или только угловых координат. Это приводит к тому, что в итоге шести-координатная измерительная система контроля положения перемещаемого объекта в большинстве схем включает два вида подсистем:

- измеритель линейных перемещений /13/;

- измеритель угловых отклонений /9,10/.

В свою очередь, измеритель линейных перемещений обычно включает два канала - канал для измерения смещений (изменения координат X0,Y0 объекта) в плоскости перпендикулярной оси 0Z и дальнометрический канал для измерения координаты Z0 или дальности до объекта. Аналогично, измеритель угловых отклонений включает канал измерения коллимационных углов ©1,02 и отдельный канал для измерения скручивания 03. При этом могут совместно используются: как неавтоматические (оптико-механические), так и автоматизированные или автоматические (оптико-электронные) каналы.

Таким образом, в большинстве практических схем требование много-координатности измерений формально выполняется, но посредством реализации сложной системы, включающей несколько раздельных измерительных каналов.

3. По требованиям третьей и четвертой групп. Система для решения какой-либо из задач 1.4 включает несколько ряда приборов, различающихся по принципу действия и составу элементов, что не позволяет унифицировать составляющие компоненты, а также делает систему узкоспециальной. Это обстоятельство определяет несоответствие используемых приборов третьей группе требований. Соответственно, усложнение структуры системы, использование большого количества специальных элементов приводит к удорожанию системы, что определяет несоответствие используемых систем и четвертой группе требований.

Таким образом, отсутствуют серийные приборы, позволяющие выполнить с одной стороны, шести-координатные измерения, а с другой стороны, реализовать требуемый в задачах 1.4 диапазон измерения. Поэтому в практических случаях измерительная система строится по принципу сочетания различных приборов или отдельных измерительных каналов. В результате измерительная система существенно усложняется, что приводит к повышению суммарной стоимости проведения контрольно-измерительных работ, увеличению погрешности измерений из-за субъективных ошибок и накапливаемых погрешностей взаимного базирования отдельных приборов системы, резко снижается производительность измерений вследствие усложнения методики измерений и обработки результатов при использовании разнотипных приборов.

Известны широкодиапазонные универсальные измерительные комплексы, основанные на сканировании пространства прибором с малым диапазоном измерения, однако они имеют высокую стоимость и используются только для уникальных работ.

Формулировка объекта, предмета, цели и задачи исследования, методы исследований

В результате предварительного рассмотрения выявлено, что отсутствует единая измерительная схема, созданная на основе серийно выпускаемых приборов и отвечающая необходимым группам требований.

Вместе с тем появление в последние годы новых высокотехнологичных оптоэлектронных элементов:

- инфракрасных излучающих диодов с повышенной (до десятков милливатт) мощностью и равномерной светимостью;

- широкоугольных объективов с малыми аберрациями;

- матричных фотоприемников с малым уровнем шумов и большим количеством - более нескольких миллионов - элементов на чувствительной площадке;

- высокопроизводительных сигнальных процессоров и средств сопряжения с ними, позволяет расширить метрологические свойства известных схем и реализовать несложную по структуре, относительно недорогую систему измерения пространственных координат перемещаемых объектов при решении рассмотренных практических задач.

Указанные обстоятельства позволяют предварительно выбрать в качестве объекта исследования оптико-электронные системы определения параметров пространственной ориентации, основанные на явлениях геометрической оптики и реализующие шести-координатные измерения в рамках одного измерительного канала.

Наиболее простую структуру имеют оптико-электронные системы измерения параметров пространственной ориентации на основе триангуляционного метода измерения. В соответствии с принципом их действия, в плоскости анализа регистрируются изображения малоразмерных визирных целей, что определяет перспективность использования современных матричных фотоприемников в этих системах.

Следствием этого является предмет исследования: особенности алгоритмов функционирования оптико-электронных систем, реализующей триангуляционный метод измерения, соотношения между параметрами элементов структурной схемы и метрологическими характеристиками системы, составляющие погрешности измерения, их взаимосвязь и влияние на суммарную погрешность измерения.

Таким образом, целью диссертации является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, теоретический анализ и экспериментальные исследования оптико-электронной системы измерения пространственного положения кооперируемых объектов, реализующей алгоритм триангуляционных измерений.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать принципы построения, структуру, основные параметры используемых систем определения пространственного положения по критерию соответствия указанным требованиям;

- по результатам анализа реализованных систем разработать принципы построения и методики расчета оптимальных параметров оптико-электронных систем на основе метода триангуляции (ОЭС МТ) для измерения параметров пространственной ориентации кооперируемых объектов на основе метода триангуляции;

- разработать принципы построения и реализовать компьютерные модели для исследования ОЭС МТ на системотехническом уровне;

- на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования соотношений между параметрами элементов ОЭС МТ и ее метрологическими параметрами (диапазон измерения, рабочая дистанция, точность);

- на основе компьютерной модели выполнить экспериментальные исследования влияния основных составляющих погрешности измерения ОЭС МТ на суммарную погрешность;

- используя полученные соотношения, спроектировать и реализовать макет ОЭС МТ и выполнить его экспериментальные исследования.

Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать соотношения геометрической оптики, векторно-матричный метод расчёта и разработанные на их основе методики исследования соотношений между параметрами измерительной системы.

В экспериментальной области при исследовании соотношений между параметрами измерительной системы, анализе алгоритмов измерения пространственных координат используются детерминированных, имитационные компьютерные и физические модели функциональных элементов измерительной системы. Модели реализованы на основе компьютерной технологии MathCAD и исследуются методом статистических испытаний. Также реализуется практическая проверка полученных соотношений посредством экспериментального исследования физической модели - макета ОЭС МТ, моделирующем основные узлы и алгоритмы функционирования системы.

Структура диссертационной работы

Диссертация включает Введение, пять Глав и Заключение.

Основные результаты экспериментальных исследований ОЭС МТ приведены ниже рис.5 9.5.13, в таблице 2 приведены значения погрешностей для полученных на макете ОЭС МТ и коэффициент пересчёта к реальной системе ОЭС МТ, вместе со значениями пересчитанными к реальной систе-- ме. Коэффициент пересчёта был получен на математической модели при подстановки параметров макета и исследуемой ОЭС МТ. ев, град 0,6

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

1 / уГ

У 2s . / И^Л 1 1 у v х^Zsf

О 4 ' . 4 . /

S > 5

1 - ♦ 80 см

2- ■ 100 см

3- Л 120 см 4 . х 140 см 5-0 160 см

02, град

Рис.5.9а. Погрешность измерения углов поворота вокруг оси 0Y от дистанции, а©, град

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 r J1 'M

7 \ / r

1 ? Л 4 f \ I: v 1-- ./'V -.11

A / / \ /1 \ HM

1/ ■ J W / / \ . L J \ ••?/ i * vi

1- —♦—80 см ■ 100 см 3 - —-120см

4- ---х- --140 см

5- --•©--- рЯд5 9

2, град

Рис. 5.96. Погрешность измерения углов поворота вокруг оси 0Y от дистанции после коррекции значений параметров звеньев измерительной цепи ОЭС МТ

G0, град 4

01, град

0,5

1,5

Рис.5.10а. Погрешность измерения углов поворота вокруг оси ОХ от дистанции.

CT0, град 0,03

0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 О J 2

800ММ

1600 мм

01, град

0,5

1 1,5

Рис.5.106. Погрешность измерения углов поворота вокруг оси 0Х от дистанции после коррекции значений параметров звеньев измерительной уепи ОЭС МТ

3, град

0,5 1 1,5

2,5

Рис.5.1 la. Погрешность измерения угла поворота вокруг оси 0Z (угол скручивания).

0,02

3, град

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Рис.5.116. Погрешность измерения угла поворота вокруг оси 0Z (угол скручивания), после коррекции значений параметров звеньев измерительной уепи ОЭС МТ aZ, мм

Рис.5.12а. Зависимость величины погрешностей определения координаты Z от смещения ВЦ вдоль оси 0Z

Рис.5.12б . Зависимость величины погрешностей определения координаты Z от смещения ВЦ вдоль оси 0Z после коррекции значений параметров звеньев измерительной цепи ОЭС МТ oX,Y мм

Рис.5.13a. Зависимость величины погрешностей определения координат X,Y, контрольных точек объекта при смещения в поперечной плоскости. aX,Y мм

Рис.5.136. Зависимость величины погрешностей определения координат Х,У, контрольных точек объекта при смещения в поперечной плоскости после коррекции значений параметров звеньев измерительной цепи ОЭС МТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены основные принципы построения оптико-электронных систем измерения линейных и угловых параметров пространственной ориентации объектов при их кооперировании, монтаже и мониторинговых наблюдениях деформаций; выявлены требования к ним.

2. В результате аналитического обзора разработана классификация ОЭС МТ указанного назначения, выявлены два основных типа систем - ОЭС «угловой засечки» и ОЭС «обратной угловой засечки». Показано, что наиболее перспективными для решения рассматриваемых измерительных задач являются системы с ОЭС «обратной угловой засечки».

3. Сравнение метрологических параметров этих видов ОЭС МТ показал, что системы «угловой засечки» имею более сложную структуру, в то время как системы «обратной угловой засечки» имеют более простую схему, но используют сложный итерационный алгоритм измерения.

4. Выполнено исследование зависимости чувствительности измерения линейных и угловых координат объекта от параметров элементов структурной схемы ОЭС МТ. Сравнение ОЭС этих двух типов по критерию чувствительности измерения групп параметров ориентации позволило установить

- соответствие между различными измерительными задачами и оптимальной для их решения схемой ОЭС.

5. Исследование составляющих погрешности измерения ОЭС МТ двух типов выявило наиболее значимые первичные погрешности звеньев измерительной цепи, определяющие точность измерения, что позволило выработать рекомендации по повышению точности измерения.

6. Для проверки достоверности полученных теоретических результатов разработаны имитационные модели ОЭС МТ на уровне структурной схемы. С использованием моделей выполнены исследования влияния параметров измерительной задачи (дальность, перемещения, повороты объекта) на точность ОЭС МТ. Также получены зависимости, определяющие суммарную погрешность измерения ОЭС МТ от величин отклонений параметров звеньев измерительной цепы.

7. Реализован макет ОЭС МТ и проведены его экспериментальные исследования, подтвердившие правильность разработанных методик и принципов построения измерительных систем.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях.

1. Михеев С.В. Анализ методов ввода видео кадра, сформированного ПЗС измерительной системы в ЭВМ. // Сборник трудов конференции "Оптика 2003" 20-23 октября 2003 г. Санкт-Петербург. СПб: ГОИ с 151-152.

2. Коняхин И. А., Михеев С. В., Ворона А. М. Сравнительный анализ методов компьютерной обработки видеокадров ПЗС-камер. // Научно-технический вестник СПб ГИТМО (ТУ). Вып. 9 Подготовка научных кадров: методики, технологии, результаты. /Под ред. Ю.А. Гатчина, СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003, с. 57-59.

3. Михеев С.В., Коняхин И.А. Моделирование оптической системы измерения координат объекта методом обратной линейной засечки //VI Международная конференция "Прикладная оптика" 18-21 октября 2004 г, СПб, Россия. Сборник трудов. Том.1 "Оптическое приборостроение". - СПб, 2004, с. 335-338.

4. Михеев С.В. Моделирование оптической системы измерения координат объекта методом обратной угловой засечки //Сборник трудов II межвузовской конференции молодых учёных 28-31 марта 2005 г./ Под редакцией В.Л. Ткалич. Том 3. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005., с. 180-183.

5. Михеев С.В. Исследование системы контроля положения объектов в пространстве на физической модели //0птика-2005. Труды четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов "0птика-2005".

Санкт-Петербург, 17-21 октября 2005. / Под ред. проф. В. Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 156-157 с.

6. И.А. Коняхин, С.В. Михеев. Моделирование ОЭС измерения пространственных координат на основе метода "обратной угловой засечки" // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Т. 17, "Результаты научно-исследовательских работ". СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 404 с.

7. Михеев С.В., Коняхин И.А. Исследование системы контроля положения кооперируемых объектов на физической модели // VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006., с.129-133.

Материалы диссертационного исследования могут использоваться в научно-исследовательских, конструкторских и проектных организациях при разработке оптико-электронных систем определения пространственного положения кооперируемых объектов методом обратной угловой засечки.

1. Баран П.И. Геодезические работы при монтаже и эксплуатации обо-рудования.-М.:Недра, 1990. 233 с.:ил.

2. Неумывакин Ю.К. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве.- М., Недра, 1984.

3. Карапетян Б.К. Колебание сооружений, возведенных в Армении. -Ереван: Айастан, 1987г. -250 с.

4. Takeo Konade, Naruhiko Asada. Noncontakt visual tree-dimensional ranging devices. SPIE, 1981, Vol. 283, p. 48-53.

5. Кирочкин Ю.И., Журавлев И.А., Мухин Б.Л., Уланов В.А. Общие принципы геодезического обеспечения сооружения ускорительно-накопительного комплекса (УНК).-М., типография Института Физики высоких энергий, 1991.

6. Щеглов П.В. Проблемы оптической астрономии. М.: Наука, 1980.271 с.

7. Зацаринный А.В. Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений. М. Недра, 1976.

8. Ю.Сытник B.C. Лазерные геодезические приборы в строительстве. М, Стройиздат, Будапешт, Мюсекл, 1988.11 .Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 480 с.

9. Пат. 7345703 (Франция) Appareal de mesure sans contact de deplace-ments dans un espace tridimensionnel / Bernard Marcel Geoffroy. N2255611;

10. Опубл. 18.07.75. МКИ GOI b 11 / 16 Прибор для безконтактного измерения перемещений в трехмерном пространстве.

11. Пат. 3375750 (США) Three axies optikal aligment device / Ellis C.R., Barker A.L. Заявл. 15.09.69 N138525; Опубл. 2.04.68 МКИ. GOI с 6 / 01; НКИ 88-14.- Трехосный оптический прибор для выравнивания.

12. Пат. 3816000 (США) Three axies aligment means / Fiedler G.C. Заявл. 24.01.72 N219997; Опубл. 11.06.74 МКИ. GOI b 11 / 26; НКИ кл 356-152. -Трехосное выравнивающее устройство.

13. Вагнер Е.Т., Митрофанов В.Н., Барков В.Н. Лазерные и оптические методы контроля в самолето строении. М.: Машиностроение, 1977 176 с.

14. Голубовский Ю. М., Пивоварова Л. Н. Фотоэлектрические автоколлиматоры.// Оптический журнал. 1992. No9.

15. П.Афанасьев В. А., Жилкин А. М., Усов В. С. Автоколлимационные приборы. -М.: Недра, 1982

16. Михеев С.В., Коняхин И.А. Исследование системы контроля положения кооперируемых объектов на физической модели // VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006» 16-20 октября 2006, СПб.: СПбГУ ИТМО, 2006., с.129-133.

17. В.Г. Киселёв Алгоритм вычисления параметров сближения космических аппаратов.// «Оптический журнал». -.1998. Т.65.№8 стр 41-45.

18. Джеррард А., Бёрч Дж.М. Введение в матричную оптику. Под ред. Барноски М. Перевод с английского канд. физ.-мат. Наук Божкова А.И., Власова Д.В. М.: Мир, 1978. 341 с.

19. Источники и приёмники излучения.: Методические указания/ A.JI. Андреев, B.J1. Мусяков, С.Н. Ярышев, А.Р. Стрелков. СПб.:ИТМО, 1998. -49 с.

20. Петровский Г. Т., Воронков Г. Л. Оптическая технология в космосе. — JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984.— 158 с, ил.

21. Андреев A.JL, Коняхин И.А., Коротаев В.В., Мусяков B.JL, Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Проблемы создания оптико-электронных систем дляопределения взаимного положения разнесенных в пространстве объектов. Оптический журнал, N 8,1995, с.8-12.

22. Davis J. Consideration of atmosferic turbulence in laser design //Appl.Optics. 1966.V.5, N1. P.139-147.

23. Хейгеман JI., Янг Д. Прикладные итерационные методы: Пер. с англ. М.: Мир, 1986.448с.

24. Батян П.В., Коняхин И.А.,. Тимофеев А.Н. Формирователь базового направления. Информационный листок N 384-94 ЦНТИ, 1994.

25. Коняхин И.А. Панков Э.Д. Трехкоординатные оптические и ОЭ угломеры. М.: Недра 1991.

26. Salomon P.M., Gross W.S. Microprocessor controled CCD Star Tracker - AIAA Paper, 1976 N116, pi.

27. Проектирование оптико-электронных приборов: учебное пособие для студентов втузов / Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1990-432 с.

28. Афанасьев В. А. Оптические измерения: Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1981. — 229 с, ил.

29. Батян П.В., Коняхин И.А.,. Тимофеев А.Н. Формирователь базового направления. Информационный листок N 384-94 ЦНТИ, 1994.

30. А.Н. Джабиев, И.А. Коняхин, Э.Д. Панков. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций. — СПб: СПбГИТ-МО(ТУ), 2000. 197 с.

31. Парвулюсов Ю. Б. и др, Проектирование оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для студентов втузов/Ю.Б. Парвулюеов, В. П. Сол-датов Ю.Г. Якушенков; Под общ. ред.Ю. Г. Якушенкова.—М.: машиностроение, 1990. —432 с: ил.

32. Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение)/А.Н Писаревский, А.Ф. Чернявский, Г.К. Афанасьев и др.; Под общ. ред. А.Н.Писаревского, А.Ф. Чернявского. JL: Машиностроение, 1088. -424 с.

33. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемниками. М.: Машиностроение, 1992. - 128 с.

34. Батян П.В., Коняхин И.А.,. Лукьянов Г.Н. Установка оперативного мониторинга жилых и промышленных сооружений. Информационный листок N312-95, ЦНТИ, 1995.

35. Андреев А.Л. Коняхин И.А. Методические указания к выполнению УИРС. Ленинградский институт точной механики и оптики, 1986.

36. Деденко Л. Г., Керженцев В. В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. М.: изд-во МГУ, 1977.

37. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений Метрологическая справочная книга.-Л:Лениздат, 1987- 295 е., ил.

38. Быстрые алгоритмы цифровой обработки изображений/Т.С.Хуанг,

39. Дж."0. Эклунд, Г.Дж. Нуссбаумер и др.; Под ред. Т.С. Хуанга:Пер. с англ. -~ М.: Радио и связь, 1984. -224с., ил

40. Kester W., Wurcer S., Kitchin С. High Impedance Sensors // Analog Devices, 2000

41. Численные методы в инженерных исследованиях/В. Е. Краске-вич, . К. X. Зеленский, В. И. Гречко.— К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986.— 263с.

42. Дьяконов В.П. Система MathCAD: Справочник. М.: Радио и связь, 1993 - 128 с. Саутин С.Н. Лунин А.Е. Мир компьютеров и химическая технология. - Л.: Химия, 1991. - 144 с.

43. Парфенов В.Г. Регрессионный и корреляционный анализ. Обработка результатов наблюдений при измерениях. /Учебное пособие / Ленинградский институт точной механики и оптики, 1983.

44. Парфенов В.Г. Статистические методы исследования в оптическом приборостроении. / Учебное пособие / Ленинградский институт точной механики и оптики, 1980.

45. Magnan P. Detection of Visible Photons in CCD and CMOS: A Comparative View // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2003.- Vol.504.-P.199-212

46. Mapson-Menard H.C., Castelli C.M. and others. Performance evaluation of an Active Pixel Sensor Test Structure for space science applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2003. - Vol. A 513. -P. 313-316.

47. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Меськин, Э.Д. Панков. Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 480 с.

48. Helmers Н., Schellenberg М. CMOS vs. CCD sensors in speckle inter-ferometry // Optics & Laser Technology. 2003. - Vol.35. - P.587-595

49. Infrared and Electro-Optical System Handbook /Ed. by J.S. Accetta and D.L. Shumaker. Bellingham: SPIE Proc., 1993. - 3024 p.

50. Вагнер E. Т., Митрофанов А. А., Барков В. H. Лазерные и оптические методы контроля в самолетостроении. М., «Машиностроение», 1977,176 с.

51. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.: Радио и связь, 1991. - 264 е.: ил.

52. Ерофейчев В.Г. Инфракрасные фокальные матрицы // Оптический журнал. 1996. - Т. 63, № 6. - С. 4-17.об использовании материалов; диссертации аишранга? Михёева СБ. вуниверситета информационных технологий, механики и ошики1. Комиссия в составе:

53. Председатель: проф. КоротаевВ.В. члены комиссии: доц. Мусяков В Л.:доц. Андреев В. Л.• . г-' .''•■■' ■ . ' . .-.

54. Составила настоящий акт в том, что в курсе "Компьютерные технологии проектирования оптико-электронных систем пр.Ш1адногр телевидения» (кафедра Опшко-элекфонных приборрви diicrie$ материалы диссертационной работы аспират Ми^ю СЗ. '

55. Председатель комиссии д. т. н., проф.1. Коротаев BJB.