автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике

: Санкт-Петербургский государственный институт

точной механики и оптики (технический университет)

На правах рукописи

ГГи ОД

Макеев Пётр Владимирович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДАТЧИКА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НА МНОГОЭЛЕМЕНТНОМ ФОТОПРИЕМНИКЕ

05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре автоматики и телемеханики Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета)

Научный руководитель — кандидат технических наук,

доцент Бойков В. И.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Дёмин А. В.,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ресовский В.А.

Ведущая организация — ОАО "ЛОМО" , Санкт-Петербург

Защита состоится 30 мая 2000 г. в 17 ч 50 мин на заседании диссертационного совета Д.053.26.02 Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета) по адресу:

Санкт-Петербург, ул. Сабяинская, 14, СПбГИТМО(ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГИТМО(ТУ)

Автореферат разослан "28 " Опр£ ЛЯ_2000 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.053-,2б.02,

! I

д. т. н., профессор у \ А. В. Ушаков

\

п

Актуальность работы. Тема диссертационной работк " Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике" возникла из потребности решения теоретических и практических задач __ разработай и исследования автоматических систем управления перемещениями объектов управления . Настоящая работа проводилась в лаборатории адаптивной оптики и радиооптики кафедры автокатики' и телемеханики СПбГНТМО (ТУ ) в соответствии с основными направлениями ее деятельности и задумывалась как теоретическая и техническая модернизация образцов датчиков перемещений на многоэлеменых фотоприемниках (ФП).

При построении современных автоматических систем и устройств необходима точно, с высокой степенью помехозащищепносш, определять положение объекта управления(ОУ). Для успешного решения проблемы высокоточного определения линейного перемещения ОУ в диапазоне 1 -г- 5 см рационально использовать оптический измерительный преобразователь (ШТ) , построенный на многоэлементном ФП. Многоэлементность ФП обеспечивает избыточность измерительной информации, за счет которой можно определять положение ОУ точнее, чем линейный размер одного элемента ФП. Кроме того, оптический способ измерения позволяет повысить помехозащищенность оценивания положения ОУ.

Разработка высокоточных датчиков, их изготовление и экспериментальное исследование является в настоящее время очень дорогостоящим. В связи с этим , приобретает особую актуальность разработка датчиков с широким применением компьютерного эксперимента.

В связи с выше сказанным, представляется актуальной работа по совершенствованию алгоритмических способов обработки измерительной информации в ИП линейных перемещений на многоэлементных ФП с целью повышения точности и помехозащищенности оценивания положения ОУ.

Целью работы является разработка алгоритмических способов повышения точности ИЙ за счет использования дополнительной измерительной информации, получаемой с многоэлементного ФП, а также процедур оценивания качества проектируемых ИП.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ структуры ИП с многоэлементным ФП и выделены основные особенности преобразования информации в процессе измерения;

- определены факторы, влияющие на погрешность ИП;

- разработана математическая модель процесса измерения перемещения ИП с многоэлементным ФП, учитывающая основные особенности процесса;

- разработан следящий алгоритм оценивания перемещения светового пятна относительно чувствительного элемента ФП;

- произведен анализ динамики; получены условия сходимости и времени сходимости следящего алгоритма, а также установившиеся значения рассогласования;

- разработан алгоритм градуировки ИП с многоэлементным ФП , базирующийся на оценивании параметров статистической характеристики, представляемой степенным полиномом;

- разработаны программы и произведена проверка разработанных процедур оценивания параметров и градуировки ИП. путем моделирования процесса высокоточных измерений линейных перемещений, при различных условиях функционирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая моделировать работу ИП;

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и исследованы свойства функционалов;

3. На базе предложенных функционалов разработан следящий алгоритм оценивания, позволяющий повысить точность ИП;

4 . Разработан подход к градуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

Практическая значимость

1. Разработан алгоритм и программа моделирования процесса измерения выходных перемещений ИП с многоэлеменпшм ФП (ЛПЗС);

2. Разработана программная реализация следящего алгоритма оценивания параметров;

3. Разработан алгоритм и программа моделирования процесса градуировки ИП с оперативным контролем достигнутого уровня погрешности.

На защиту выносятся:

- математическая модель ИП линейных перемещений на многоэлементном ФП (ЛПЗС);

функционалы для определения рассогласования величин оценивания параметров и результаты исследования их свойств;

- следящий алгоритм оценивания положения центра тяжести светового пятна по отсчетам многоэлемсптного ФП;

- градуировочный алгоритм ИП;

подход к выбору параметров проектируемого ИП па базе моделирования градуировочного эксперимента и алгоритм его проведения.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались тт обсуждались тш: "

- XXX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО.— СПб, 1999;

- Юбилейной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 100-летшо университета. СПб, СПбГИТМО, 2000.

Публикации . По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы (51 наименование) и приложений. Диссертационная работа изложена на .......страницах машинописного текста.

Во введении изложены: актуальность проводимых исследований, цель работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются основные особенности ,

существующих координатно-чувствительных ФП таких как : разрезной фотодиод, фотопотенциометр, функциональный фоторезйстор и фотодиод, приборы с зарядовой инжекцией (ПЗЙ ), многоэлементные приемники на термоупругом эффекте (ТУП ).

Представлена обобщенная функциональная схема ИП линейных перемещений, описаны ее основные элементы.

Для аппроксимации формы огибающей распределения интенсивности потока светового пятна, попадающего на линейный многоэлементный ФГ1 от источника света, используется функция Гаусса вида:

где А0 -Максимальная амплитуда огибающей распределения интенсивности;

/Зй -полуширина огибающей распределения на уровне

А "0,606;

х0 -центр тяжести светового пятна, попадающего на ФП; х-координата смещения. В качестве величины перемещения принято положение центра тяжести светового пятна относительно чувствительных элементов многоэлементного ФП.

Рассмотрен принцип работы линейного ПЗС, описаны процессы , протекающие в нем , и влияние шумов на выходной сигнал. ЛПЗС имеет очень четкую геометрическую структуру, позволяющую производить точные измерения и являющуюся основой для определения величины перемещения.

В таблице 1 приведены основные характеристики современных ЛПЗС.

Таблица 1_

Фирма Количество Размер H F R Т

изготовитель, элементов элемента

тип (пикселов) (мкм X мкм)

Kodak KLI-2103 3 х 2098 14x14 1.76 10 0,14 4,8

Kodak KLI-4103 3x4104 12 х 12 1.17 10 0,12 2,4

Kodak KLI-6003 3 х 6000 12 х 12 1.61 10 0,12 1,6

Kodak KLI-8003 3 х 8000 9x9 0.88 10 0,09 172

Panasonic 3 х 2592 14x11 1.00 1 0,14 3,9

MN3673

Toshiba 3 х 2700 11x11 3.20 1 0,11 3,7

NCD2250C

Toshiba 3 х 3648 8x8 1.10 1 0,08 2,7

NCD2300C

Toshiba 3 х 5000 14x14 1.50 1 0,14 2,0

NCD2500C

Sony ILX502A 3 х 1728 7x21 3.70 9 0,07 5,8

Thomson 3x8640 7x7 0.44 5 0,07 1,2

THX7812B

ЛПЗС-1Л 2x500 24x200 20 0.1 0,24 20

Квант-2 2x794 12x500 40 5 0,12 13

Где Н -чувствительность (В/люкс/с) для светового потока с длиной волны 550нм.

И-частота считывания элементной информации, МГц.

11-1% размера элемента ФП , мкм.

Т-относительная потенциальная точносм. 10"6.

В последнем столбце таблицы 1 приведена относительная потенциальная точность 3-117; при уезгокшг определения положения центра тяжести изображения источника света с точностью 1% от линейного размера чувствительного элемента ФП. Как .видно из таблицы 1 , ЛШС яогсппиалБпо позволяет построить датчик наивысшей достижимой точности.

Таким образом, ЛШС является наиболее подходящим из существующих коорди11 ;гп!о-чувствителъных ФП для построения высокоточного помехозащищенного датчика линейных перемещений.

Вторая глава посвящена разработке математической модели ИП с ЛПЗС и анализу, па ее основе, точностных свойств наиболее широко используемых алгоритмов оценивания положения центра тяжести светового пятна.

Регулярность' структуры чувствителышх элементов ЛПЗС, имеющих линейный размер / , приводит к эффекту квантования входного оптического сигнала по лроаранствешюй координате. Если па чувствительные элементы ЛПЗС попадает световой поток с распределением интенсивности , например вида ( 1 ), то на

каждый п-ый элемент ФП попадает часть светового потока" , определяемого как:

30(>1) = з1г-"1§(х)ск, (2)

аа

где д(х)- огибающая распределения интенсивности светового потока в изображении источника света на ФП, вида ( 1 ); бЬ- ширина чувствительною элемента ФП,

аа = хп-^-, ЬЬ = хп + -пределы интегрирования ,

соответствующие длине чувствительной зоны элемента ФП; хп — —; хп + -длина элемента ФП, шах- структуры ЛПЗС.

Преобразование светового потока п-го элемента в величину импульса напряжения определяется выражением: 5, = Я,, (и). (и) <3)

где у о " базовая вольтовая чувствительность элемента ФЦ 1Н - время накопления энергии элементами ФП; Кт - коэффициент, характеризующий разброс чувствительности элементов.

В качестве Кт принята случайная леличина с нормальным распределением, Кт s М(\,(тгг), где tx^-дисперсия распределения разброса коэффициента чувствительности ( для современных ЛПЗС менее 0,025)

Предложено учесть в математической модели неэффективность переноса при считывании зарядов элементов ЛПЗС, как: 51(») = 51(п).(1-А'э)+151(Й-1).Л:э, (4)

где К э - коэффициент неэффективности переноса, (Ю^-ПО-6).

Суммарные шумовые воздействия, для упрощения модели, предложено добавлять к выходному сигналу ФП. Суммарные шумы состоят из нескольких типов шумов, имеют различную природу явления. Принимается , что шумы имеют нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием и дисперсией - сг^ задаваемое из требуемого соотношения максимального полезного сигнала и шума. Таким образом, выходной сигнал м но го элементного ФП (ЛПЗС) имеет вид:

UBWC(n) = S2(n) + Z(n), (5)

где, - шумовая составляющая сигнала n-го элемента ФП,

причем q(ri) е N(0, агш).

Эффект квантования уровня на N-разрядном аналого-цифровом преобразователе (ЛЦП) учтен как ,

Q{rí) = int

Гивш{п)-{ 2'v-l) V иэт

Щ

где иэт - напряжение конечной точки шкалы АЦП, цИ-операция выделения целой части числа.

Таким образом, формулы (2^-6) описывают преобразование входного светового потока в выходной сигнал ЛПЗС, учитывая основные особенности работы ФП. Выходным сигналом для математической модели является вектор отсчетов ФП , с учетом квантования уровня сигнала на АЦП. Математическая модель позволяет при заданных параметрах ИП ( параметрах геометрии светового пятна, заданном количестве элементов ФП л нх чувствительности, а также известных параметров шумов) сформировать вектор отсчетов (выходной сигнал) ФП.

Приведен обзор существующих методов обработки вектора отсчетов выходного сигнала. Среди известных методов (взвешивания, полусуммы, максимума функции правдоподобия, геометрического центра, по максимуму сигнала, линейной интерполяции , конечных разностей , пространственного интегрирования) выделены методы взвешивания и полусуммы, как наиболее употребляемые на практике. Способом моделирования на ЭВМ на основе разработанной математической модели произведен анализ погрентности оценивания утапаппых методов обработки. Показано, что рассматриваемые методы оцеиивашгя не позволяют выполнить измерения с высокой точностью. Так, -при уровне шумов 1% погрешность оценивания составляет порядка 0,1 линейного размера элемента и значительно возрастает при увеличении уровня шумов до 5% и выше.

Классический подход к оцениванию по методу наименьших квадратов , в данном случае , не дал хорошего результата, из-за взаимного влияния оцениваемых параметров. При работе метода наименьших квадратов получаются плохо обусловленные матрицы , что приводит к некорректному результату оценивания.

Таким образом, разработанная математическая модель ИП позволяет оценивать точностные свойства проектируемого датчика с различным алгоритмом оценивания. Необходимо разработать высокоточный (погрешность оценивания центра тяжести изображетшя менее 1% линейного размера элемента ЛПЗС) , иомехозаншщешшй алгоритм оценки положения центра тяжести снсювого пятна но измерительной информации многоэлсмсптпого линейного ФП.

В третей главе приведено описание и исследование разработанного алгоритма оценивания положения центра тяжести светового пятна.

Алгоритм построен по принципу работы следящей системы.. Он осуществляет слежение за параметрами: > центра тяжести ха изображения источника света на ФП; максимальной амплитудой Л0

огибающей распределения интенсивности светового пят на ; а также делает начальную оценку параметра полуширины Д,. Для оценки указанных параметров введены перемешпяе х соответственно.

Для работы алгоритма разработаны функционалы рассогласования. Вычисление функционалов производится по следующем правилам. Исходным для алгоритма является вектор

отсчетов ФП. Алгоритм формирует отсчеты , аналогичные отсчетам многоэлементного ФП, по текущим оценкам параметров, то есть но xl>Anßl. Производится вычитание отсчетов полученных от ФП и отсчетов сформированных алгоритмом оценивания. Для получения значений функционалов производится суммирование разностей отсчетов по п- точкам слева от х, и по п- точкам справа от х, ,

и п

обозначенные как ]Г sm , соответственно. Функционал по

ы (=i координате смещения определяется как:

Fz(Ax,AA,Aß) = ±£l7r±sy/i, (7)

а по амплитуде как:

FA(Ax,AA,Aß)=:£sni+±sM (8)

¿=1 i=i

где Ax,AA,Aß- отклонение истинных значений параметров от их оценок, причем Ах = х0-х,,АА-А()-Аг и Aß = ß0 - ß, .

По значению функционалов производится коррекция х, к х0 и А, к А0 с учетом коэффициентов КРХ и КРА. В графической интерпретации алгоритм пытается совместить огибающую отсчетов ФП с огибающей отсчетов сформированных алгоритмом.

Приведенные функционалы обладают важными свойствами. При незначительном отклонении от рабочей точки, то есть когда х0 = х,, Aq ~ А,, ß0 - ß, , значение Fx почта линейно зависти от отклонения х, от л0( при незначительном смещении), Ft зависит линейно от отклонения At от Fx напрямую не зависит от отклонения ß0 от ßt. Значение FA в области малых отклонений х, от jc0 не зависит от этого отклонения, FÄ имеет- линейную зависимость от отклонения А, от и от отклонения ßQ от Д. Применегае данных функционалов позволяет получшъ минимальное взаимное влияние и минимальные значения установившихся ошибок (теоретически нулевые) в алгоритме оценивания. Следящий алгоритм оценивания параметров работает по следующим рекуррентным уравнениям:

xXm + l) = x,ini)+KPX-Fx{Ax,AA,Aß) ■ At{m + \) = At(m) + KPA-FA{Ax,AA,Aß), (9)

ß{m + X) = ß(m)

где КРХ и КРА - параметры алгоритма оценивания, обеспечивающие его динамические свойства; m-номср итерации;

Дл, ДЯ, Л// - отклонение истинных значений параметров от их

оценок, причем Дх - ;v„ - .т., Л. I А,} - Аг и Д/? = Д - Д .

Нелинейность функционалов затрудняет непосредственный анализ динамических свойств алгоритма. В данной работе исследование динамических свойств произведено на базе линеаризованной версии алгоритма. В качестве рабочей точки выбрано положение равновесия Ay = 0, ЛЛ = 0 и Л/7-0. При этом коэффициенты линеаризации будут иметь вид:

2-Д, ^.f i-l í-(/-/f^

"1| (

2-А

(10)

кл =Zexp [=i

(11)

До

где / - длина элемента ЛПЗС; А0, Д -параметры распределения интенсивности светового пятна; 2т- количество точек сравнения, для вычисления функционалов

рассогласован и я.

Анализ линеаризованной версии алгоршма позволяет определить ею основные свойства. Так сходимость алгоритма обеспечивается при выборе коэффициентов Крх и К,,А из областей:

Кл -Аи

о <кгл<-

Доопределение коэффициентов

и К„л производится из условия обеспечения заданного уровня

/А I '

/\

^РА " 1Ч>Л

установившегося значения среднеквадратической ошибки слежения, вызванной влиянием шумов фотоириемпика, вычисляемой методом дисперсионного анализа.

В таблице 2 приведено сравнение погрешностей оценивания перемещений ИП с различными алгоритмами оценки.

Таблица 2 . Точность алгоритмов оценивания в долях линейного

1 Сигнал/шум , % 1 7

Метод полусуммы 0,1 0,15 0,6 1

j Метод взвешивания 0,07 0,15 0,7 1,35

! Следящий алгоритм 0,004 0,01 0,025 0,033

Как следует из таблицы 2 ИП с разработанным следящим алгоритмом оценивания оказывается существенно более точным и помсхозащшценным. При сходимости алгоритма за 8-т-10 итераций погрешность оценивания составляет менее 0,1% линейного размера элемента ФП при уровне шумов 1%. При возрастании уровня шумов до 5% погрешность составляет не более 3% линейного размера элемента ФП.

В четвертой главе решается задача построения процедуры градуировки ИП и определение итоговой погрешности.

Многократное моделирование процесса измерения показало, что нелинейность статистической характеристики ИП со следящим алгоритмом оценивания составляет порядка 1%. Для улучшения точностных характеристик ИП в его состав целесообразно включить табличный процессор, линеаризующий статическую характеристику. При построении табличного процессора необходим градуировочный эксперимент, требующий большого количества измерений эталонных перемещений и , соответственно, больших затрат времени.

В работе предложен алгоритм , направленный на снижение затрат на проведение градуировки.

Алгоритм градуировки содержит три основных шага.

а) Производится первоначальная проверка правильности выбора параметров.

Для этого делается несколько замеров на краях рабочего диапазона и вычисляется оценка погрешности, которая сравнивается с допустимой погрешностью ИП. При непопадании оценки погрешности в диапазон допустимой погрешности ИП считается неработоспособным й храдуировка прекращается. В этом случае необходимо изменить параметры ИП ( произвести перенастройку) и повторить градуировку заново. При соответствии оценки погрешности допустимым значениям переходят ко второму шагу алгоритма.

б) На втором шаге производится определение параметров статической характеристики в рамках ее математической модели. В работе рассмотрена аппроксимация статической характеристики степенным полиномом вида:

хт = а + Ь-х + с-хг , (12)

где а, Ъ, с -параметры модели статической характеристики.

Определение параметров математической модели статической характеристики производится по нескольким замерам. На данном

шаге, при необходимости, можно проверить возможность расширения диапазона .измерений. Для этого производятся ллмерьг во вне диапазона измерения с небольшим, отступлением, па величину Д, от краев диапазона измерения. Вычисляется оценка погрешности измерений при помощи методов математической статистики по кригерто хи-киадраг проверяется гипотеза-попадания истинного значения погрешности оценки в допустимый диапазон, в) Далее производи гея дополнительная серия измерении для вычисления опенок погрешности. В качестве результирутощетт погрешности работы ИП используется максимальное значение погрешности, определяемое как,

А и — 8иР|Яд( + ^А ' йиР °Д >

где т - номер градуировочш.п1С£ршьизмерешт;

Ат- погрешность ИП, тгосле пг-той серии градуировочннх измерений,

аь- математическое ожидание погрешности ИП; а\- дисперсия погрешности ИП;

коэффициент значимости, зависящий -от доверительной вероятности.

В диссертационной работе во всех статистических расчетах принята доверительная вероятность 1-2-а равная 0.95 . в этом случае кл~2.

Из-за ограниченности объема выборки оценки математического ожидания и диснерспи являются случайными величинами. При определении оценки погрешности используются математическое ожидание и дисперсия. Для этого производится нахождение доверительного интервата для математического ожидания погрешности на основе оценки математического ожидания при. помощи критерия Сшодентя, и используется максимальное значение доверительного интерната, т.е.

йиР|ад | = А + • ^, (14)

где

А -оценка матема! ического ожидания погрешности ИП;

-оценка дисперсиипогрешности ИП, л-количеств о замеров, по которым произведены оценки; /Ьа-квантиль распределения Стъюдспта.

Для определения дисперсии погрешности ИП, аналогично математическому ожиданию, определяется доверительный интервал

на основе оценки дисперсии с использованием критерия хи-квадрат и используется максимальное значение доверительного интервала.

„,,_ 2 _ о2 (п~ 1) ,1СЛ

БЦр £Тд = л д--—, (15)

Ха

где 5д -оценка дисперсии погрешности ИП; п-количество замеров, по которым произведена оценка; Ха -квантиль распределения хи-квадрат.

Использовав для определения погрешности ИП, после пт-хой серии градуировочных замеров максимальные значения модуля математического ожидания и дисперсии, как указано в формуле (13), можно сказать с доверительной -вероятностью, что погрешность ИП не превосходит значения Дт

Полученное по (13) значение погрешности ИП после первой градуировочной выборки сверяется со значением допустимой погрешности. Если погрешность " ИП не мепее допустимого значения, градуировка считается завершенной.. Если погрешность превысила допустимое значение , то производится вторая серия градуировочных замеров и получается значение погрешности ИП на основании уже расширенной выборки. С ростом количества градуировочных замеров сужается доверительный интервал для математического ожидания погрешности и ее дисперсии, а следовательно и уменьшается значение Ат. По значениям двух погрешностей Ат и АтА можно оценить необходимое количество серий градуировочных замеров ( т.е. время градуировки). На основании значений трех и более погрешностей Дт , и Дт_2 можно более точно определить требуемое - количество серий градуировочных замеров, и остаточную погрешность, а также сделать выводы о достижимости погрешности ИП заданного значения в результате градуировки.

Если на основе полученных данных сделан пыппд о невозможности достичь допустимого уровня погрешности в ходе градуировки или если необходимо проведение большого количества

то надо произвести изменение выбранных параметров ИП (перенастройку) и произвести градуировку заново по данному алгоритму.

При успешном завершении градуировки , модель статической характеристики используется для заполнения табличного процессора данными, корректирующими нелинейность статической характеристики.

На базе разработанной математической модели ИП, алгоритма оценивания параметров и алгоритма градуировки разработала программа моделирования процесса градуировки ИП на ЭВМ. Эта программа позволяет выбирать параметры датчика на стадии его проектирования, определять уровень достижимой погрешности и временные затраты, необходимые на его градуировку.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая при заданных параметров ИП (параметрах геометрии светового пятна, заданном количестве элементов ФП и их чувствительности, а также известных параметров шумов) сформировать вектор отсчетов (выходной сигнал) ФП.

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и ,практически , не оказывающих взаимного влияния.

3. Разработан следящий алгоритм оценивания позволяющий производит ь оценивание положения центра тяжести светового пятна на многоэлементном ФН с точностью более 1% линейного размера элемента, при уровне шумов до 1%.

4. Разработан подход к гргщуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

5. Разработан алгоритм и программа, на пакете "МаПаЬ", моделирования процесса измерения выходных перемещений ИП с многоэлементным ФП (ЛПЗС), реализующая работу следящего алгоритма.

6. Разработан алгоритм и программа, па пакете "МаЙаЬ", моделирования процесса градутгровки ИП с оперативным контролем достигнутого уровня погрешности.

Публикации по теме диссертации

1. Бойков В.И., Коровьяков Л.Н., Макеев П.В. Определение параметров алгоритма Деминга в задаче градуировки фотоэлектрического датчика перемещения Н XXX научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИГМО. Тезисы докладов. СПб, 1999.

2. Бойков В.И., Коровьяков А.Н., Макеев П.В. Планирование градуировочных экспериментов на основе функции

чувствительности //Известия ВУЗов. Приборостроение- Т.42.-1999.-№8.

3. Бойков В.И., Коровьяков А.Н., Макеев ШЗ. Оценка качества градуировки измерительных устройств. //Юбилейная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, посвященная 100-летапю университета. Тезисы докладов. Ч. I. СПб, СПбГИТМО, 2000.

4. Макеев П.В. Моделирование преобразователей информации на пакете МаНаЬ. //Сборник научных трудов молодых учёных и специалистов. Вып. 1. Ч. 1. СПб., СПбГИТМО, 2000.

Тиражирование и брошюровка выполнена в Центре издательских систем ИТМО. Тел: (812) 233-46-69. Лицензия ПЛД № 69-182 от 26.11.96 Тираж экз. Бумага ГОЗНАК

Введение

Глава 1. Измерительные преобразователи линейных перемещений с многоэлементными фотоприемниками.

Основные особенности

1.1. Обобщенная функциональная схема измерителя перемещений

1.1.1. Форма светового сигнала

1.1.2. Дискретность координатных отсчетов

1.1.3. Избыток информации ФП

1.1.4. Необходимость блока обработки

1.2. Изображение источника света в плоскости ФП

1.3. Многоэлементные фотоприемники

1.3.1. Разрезной фотодиод

1.3.2. Фотопотенциометры

1.3.3. Функциональные ФР и ФД

1.3.4. Приборы с зарядовой инжекдией (ПЗИ)

1.3.5. Многоэлементные приемники на термоупругом эффекте (ТУП)

1.3.6. Приборы с зарядовой связью

Глава 2. Формульные алгоритмы

2.1. Математическая модель ИП с многоэлементным ФП

2.2. Шумы, характерные для ЛПЗС

2.3. Методы оценивания. Метод взвешивания

2.4. Метод полусуммы

2.5. Интерполяционные алгоритмы

Глава 3. Разработка алгоритма обработки измерительной информации

3.1. Следящий алгоритм оценивания

3.2. Вычисление рассогласования

3.3. Синтез параметров алгоритма оценивания

3.3.1. Линеаризация алгоритма оценки

3.3.2. Линеаризация алгоритма с двумя параметрами и х

3.4. Исследование свойств следящего алгоритма

3.4.1. Свойства следящего алгоритма с оценкой по координате

3.4.2. Свойства следящего алгоритма с оцениванием по координате и по амплитуде

3.5. Моделирование работы алгоритма оценивания

Глава 4. Процедуры моделирования и оценивания параметров 91 4.1. Основные характеристики ИП

4.2.1. Статическая характеристика.

4.2.2. Оптимизация параметров ИП. 95 Основные результаты и выводы 109 Приложения 112 Литература

Тема диссертационной работы "Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике" возникла из потребности решения теоретических и практических задач разработки и исследования автоматических систем управления перемещениями объектов управления. Настоящая работа проводилась в лаборатории адаптивной оптики и радиооптики кафедры автоматики и телемеханики СПбГИТМО (ТУ) в соответствии с основными направлениями ее деятельности и задумывалась как теоретическая и техническая модернизация образцов датчиков перемещений на многоэлеменых фотоприемниках (ФП).

При построении современных автоматических систем и устройств необходимо точно, с высокой степенью помехозащищенности, определять положение объекта управления (ОУ). Для этих целей используют измерительные преобразователи перемещений (датчики перемещений). Использование в автоматических системах низкоточных датчиков делает невозможным обеспечения требуемых от системы показателей работы. Для успешного решения проблемы высокоточного определения линейного перемещения ОУ в диапазоне 1 5 см рационально использовать оптический измерительный преобразователь (ИП), построенный на многоэлементном ФП.

Многоэлементность ФП обеспечивает избыточность измерительной информации, за счет которой можно определять положение ОУ точнее, чем линейный размер одного элемента ФП. Кроме того, оптический способ измерения позволяет повысить помехозащищенность оценивания положения ОУ. Бурное развитие средств вычислительной техники представляет широкие возможности для алгоритмической обработки больших объемов измерительной информации с высоким быстродействием.

Разработка высокоточных датчиков, их изготовление и экспериментальное исследование является в настоящее время очень дорогостоящим. В связи с этим, приобретает особую актуальность разработка датчиков с широким применением компьютерного эксперимента.

В связи с выше сказанным, представляется актуальной работа по совершенствованию алгоритмических способов обработки измерительной информации в ИП линейных перемещений на многоэлементных ФП с целью повышения точности и помехозащищенности оценивания положения ОУ.

Целью работы является разработка алгоритмических способов повышения точности ИП за счет использования дополнительной измерительной информации, получаемой с многоэлементного ФП, а также процедур оценивания качества проектируемых ИП.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ структуры ИП с многоэлементным ФП и выделены основные особенности преобразования информации в процессе измерения;

- определены факторы, влияющие на погрешность ИП;

- разработана математическая модель процесса измерения перемещения ИП с многоэлементным ФП, учитывающая основные особенности процесса;

- разработан следящий алгоритм оценивания перемещения светового пятна относительно области чувствительных элементов ФП;

- произведен анализ динамики; получены условия сходимости и времени сходимости следящего алгоритма, а также установившиеся значения рассогласования;

- разработан алгоритм градуировки ИП с многоэлементным ФП , базирующийся на оценивании параметров статистической характеристики, представляемой степенным полиномом;

- разработаны программы и произведена проверка разработанных процедур оценивания параметров и градуировки ИП путем моделирования процесса высокоточных измерений линейных перемещений при различных условиях функционирования.

На защиту выносятся:

- математическая модель ИП линейных перемещений на многоэлементном ФП (ЛПЗС);

- функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и результаты исследования их свойств;

- следящий алгоритм оценивания положения энергетического центра (центра "тяжести") светового пятна по выходному сигналут ФП;

- градуировочный алгоритм ИП;

- подход к выбору параметров проектируемого ИП на базе моделирования градуировочного эксперимента и алгоритм его проведения.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются различные многоэлементные ФП и их основные особенности. Также рассмотрена форма оптического сигнала, формируемая на ФП. Для построения высокоточного датчика выбран наиболее подходящий ФП -линейный прибор с зарядовой связью (ЛПЗС) типа ТЬютэоп ТНХ7812В, с большим количеством элементов (8640) и малыми размерами элементов (7x7 мкм).

Вторая глава посвящена разработке математической модели ИП с ЛПЗС и анализу, на ее основе, точностных свойств наиболее широко используемых алгоритмов оценивания положения центра тяжести светового пятна. Показано, что получения высокоточной и помехозащищенной оценки положения светового пятна на многоэлементном ФП встает задача разработать новый алгоритм оценивания.

В третей главе приведено описание и исследование свойств разработанного алгоритма оценивания положения центра тяжести светового пятна, а также приведено сравнение работы с часто применяемыми методами оценивания.

В четвертой главе решается задача построения процедуры градуировки ИП и определение итоговой погрешности. В работе предложен алгоритм, направленный на снижение затрат на проведение градуировки.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая моделировать работу ИП;

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и исследованы свойства функционалов;

3. На базе предложенных функционалов разработан следящий алгоритм оценивания, позволяющий повысить точность ИП;

4. Разработан подход к градуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая при заданных параметров ИП ( параметрах геометрии светового пятна, заданном количестве элементов ФП и их чувствительности, а также известных параметров шумов) сформировать вектор отсчетов (выходной сигнал) ФП.

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и,практически, не оказывающих взаимного влияния.

3. Разработан следящий алгоритм оценивания,позволяющий производить оценивание положения центра тяжести светового пятна на многоэлементном ФП с точностью более 1% линейного размера элемента, при уровне шумов до 1%.

4. Разработан подход к градуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

5. Разработан алгоритм и программа, на пакете "Ма^аЪ", моделирования процесса измерения выходных перемещений ИП с многоэлементным ФП (ЛПЗС), реализующая работу следящего алгоритма.

6. Разработан алгоритм и программа, на пакете "МаОаЬ", моделирования процесса градуировки ИП с оперативным контролем достигнутого уровня погрешности.

Рис. 4.2 Типовая статическая характеристика датчика перемещений. т т+1 т+2 т> измерительных

Рис. 4.4 Динамика оценки погрешности прибора серцй

Начало

Выбор параметров А, (3,1М, уровень шумов

Выбор параметров алгоритма обработки I

Модель измерений I да

Коррекция выбранных паоаметоов нет

Коррекция выбранных параметров

Проверка диапазона ¿/>=/ нет

Вычисление математической модели статической характеристики а,Ь,с нет

Проверка гипотезы по критерию %2

Заданная погрешность достижима? нет

Заданная погрешность достигнута?

1 да г

Выход

Рис. 4.3 Алгоритм градуировки

1. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-Л.Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986. с.

2. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов/ Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Полыпиков. -Спб.: Политехника , 1991.

3. Андреев А.Л.,Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л., Полыпиков Г.В. Выбор и расчет схем включения позиционно-чувствительных и многоэлементных фотоприемников. Учебное пособие. Л. : Ленинградский институт точной механики и оптики, 1987.

4. Данилов Д.В., Пашков B.C. Оптимальная оценка координат изображений точечных излучателей // Оптико-электронные приборы и системы// 1997.Вып.96.

5. Пашков B.C., Степовой A.B., Данилов Д.В. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с матричными фотоприемниками методами компьютерного моделирования. // Оптико-электронные приборы и системы// 1997.Вып. 97.

6. Тритепков М.А. Сравнительный анализ одноэлементных , матричных и мозаичных фотоприемников при приеме оптических сигналов точечных источников. // Сб. статей «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы»

7. Под ред. Власенко A.A. и Федотова Я.А. М., 1978.

8. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик. Фортран и Паскаль. Томск : МП « РАСКО «. 1991.

9. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982.

10. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ / Справочник. -М.: Физматлит, 1989.

11. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatlAB. М.: Физматлит. 1993.1.. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью . М.: Радио и связь, 1991.

12. Пашков B.C., Тидеман H.A. Исследование алгоритмов оценкикоординат изображения точечных излучателей в оптико-электронных приборах с многоэлементными фотоприемниками.// Известия ВУЗов СССР. Приборостроение. N 4. 1988.

13. Андреев А.Л., Кузнецов В.И., Пашков B.C. Использование метода конечных разностей при обработке сигнала в телевизионном измерителе координат на ПЗС. // Техника средств связи. Серия Техника телевидения. -1984. Вып. 6.

14. Коляда В.В. Устройство с цифровым отсчетом на основе ПЗС И ГШ для измерения положения лазерного пучка. // Тезисы докл. IV Всесоюзного совещания « Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе». Барнаул, 1987.

15. Баев А.П. Разработка и исследование измерительных устройств с ПЗС-формирователями видеосигнала для системы контроля деформаций радиотелескопа. Дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.-Л.,1988

16. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации.М.,1986.

17. Астапов Ю.М., Васильев Д.В.,Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988.

18. Боков В.Л., Новиков Ю.В., Пашков B.C., Тидеман H.A. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с многоэлементными фотоприемниками. Л. Известия ВУЗов. Приборостроение. Т 32,1989 11.

19. Ивакин И.Р. и др. Интерполяционные алгоритмы определения центра изображения объекта с помощью ПЗС. // Техника средств связи. Серия Техника телевидения. 1986. - Вып.4.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М.: Наука, 1980.

21. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.

22. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. М.: Статистика, 1979.

23. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем.-Л:. Судостроение, 1989.

24. Лебедев H.B. Измерение координат точечного объекта телевизионной камерой на ПЗС // Техника средств связи.Сер. Техника телевидения.■-М.-1978.вып.6

25. Приборы с зарядовой связью./Под ред. Хоувза М., Моргана Д,-М: .Энергоатом издат, 1981.

26. Кравцов Н.В., Стрельников Ю.В. Позиционно чувствительные датчики оптических систем.-М ,:Наука,1969.

27. Теория и расчет элементов приборов:Учебник для приборостроительных техников/ Ишанин Г.Г.,Панков Э.Д.,РадайкинВ.С., Потемин А.Э.-СПб. ¡Политехника, 1993

28. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах.Кн 1. Пер. с франц.-М.: Мир,1992.

29. Бойков В.И., Коровьяков А.Н.,Макеев П.В.Планирование градуировочных экспериментов на основе функции чувствительности //Известия ВУЗов. Приборостроение- Т.42.-1999.- №8.

30. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере./Под ред. В.Э.Фигурного М.: ИНФРА -М, 1998.

31. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования.-М.: Наука, 1972

32. ИзерманР. Цифровые системы управления: Пер. с англ.~М.:Мир,1984.

33. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. -М.: Наука ,1976.

34. Рудзит Я.А., Плуталов В.Н.Основы метрологии точность и надежность в приборостроении.-М. Машиностроении, 1991.

35. Путятин Е.П., Аверин С.И.Обработка изображений в робототехнике.-М. Машиностроении, 1990.

36. Вавилов С.А.,Дегтярев В.Г. Теоретико-вероятностные принципы обработки измерительной информации. Учебное пособие.-СПб.:ИТМО.-1994.

37. Бойков В.И., Коровьяков А.Н.,Макеев П.В .Оценка качества градуировки измерительных устройств. //Юбил ейная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава 29-31 марта 2000 года.Программа докладов-СПб ИТМО(ТУ),2000.

38. Макеев П.В. Моделирование преобразователей информации на пакете Matlab. Труды молодых ученых и специалистов.Сборник научных статей. Выпуск 1. Часть 1.-СПб:СПбГИТМО(ТУ),2000.

39. Бойков В.И., Коровьяков А.Н. Оценка погрешностей многоканальных преобразователей информации// Изестия ВУЗов.Приборостроение.-т.41-1998.-Ж7.

40. Паспорт прибора Ф1ШП31Л-1, индивидуальный № 11-12-38, дата изготовления 07.1991.

41. Макеев П.В. Определение параметров алгоритма Деминга в задаче градуировки фото-электрического датчика перемещения.//XXX научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО.-СПб, 1999.

42. Расчет точности машин и приборов. Под общ. ред. Булатова В.П. и Фринлера.-СПб. Политехника ,1993.

43. Измерительные сканирующие приборы/ под ред.Розова Б.С.-М. '.Машиностроение, 1980.

44. Смирнов А.Я., Меньшиков Г.Г. Сканирующие приборы.-Л. .Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986.

45. Оптико-электронные приборы для научных исследований. Учебное пособие/ Новицкий Л.А., Гомелюк A.C., Зубарев В.Е., Прохоров А.М.-М. Машиностроение, 1986

46. Баев А.П. Принципы построения жДатчиков на ПЗС для систем пространственного слежения//Тез.докл.1У Всесоюзного совещания "Координатно-чувтвительные приемники и оптико-электронные устройствана их основе".-Барнаул, 1987.

47. Свечников С.В.,Смовак Г.А., Каганович Э.Б. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы.-М.:Сов. радио,1978.

48. Deming W.E. Statistical Adjustment of Data. New York . Wiley, 1944

49. Проспект фирмы "Thomson. Linear Color CCD" (рекламный).

50. Проспект фирмы "Sony" (рекламный).

51. Barker H. A. The computer in control.// Measurement and Control, volume 29, February 1996 The Institute of Measurement and Control, London