автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированных лазерных систем наведения для геодезических измерений

од

1 з ш т

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ-« КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи

КАРСУНСКАЯ Мария Михайловна

УДК 528.52

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ НАВЦДЕНИЯ ДЛЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

05.11.07. Оптические приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических.наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена в Московском Государственном Университете геодезии и картограф™.

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Парвулосов jp.B.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Курского политехнического института Титов B.C. кандидат технических наук, доцент кафедры КиТОП МосГУГК Илюхин В.А.

Ведущая организация - Ш ЩШГАиХ.

Защита диссертации состоится " ^ " Ш&ЛЙ 1995 г. в 10 час. (Ю мин. на заседании специализированного Совета К063.01.04. в Московском государственном университете геодезии и картографии (КМИГАиК) по адресу: -103064, Москва, К-64, Гороховский пер., 4.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МосГУГиК.

Автореферат разослан " ¿6» МОл? 1995 Г..

Ученый секретарь специализированного

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Расширение сферы применения геодезических измерительных средств и изменение требований к точностным критериям выполняемых ими работ приводит к необходимости совершенствования как отдельных узлов конструкции этих приборов, так и создания новых систем, отличающихся принципами построения и методами выполнения измерений, которые обеспечивают повышение точности, более эргономичны и позволяют реализовать дополнительные функциональные возможности. Предпосылкой для автоматизации процесса наведения в современных геодезических приборах универсального назначения - теодолитах и тахеометрах является автоматизация процесса измерения углового положения визирной оси с помощью электронных датчиков угла и дальности до цели с помощью светодальномера, а также процесса накопления и обработки информации с использованием встроенной в прибор микроэвм. В связи с этим создание автоматизированных лазерных систем наведения наряду с решением задачи полной или частичной автоматизации всего процесса угловых измерений позволит повысить скорость измерений и их точность за счет исключения субъективных ошибок в процессе определения направления, а также позволит в автоматическом режиме отслеживать положение цели в угловом поле прибора.

Приборы, в состав которых входят автоматизированные системы наведения, могут быть использованы для решения широкого круга геодезических задач, в том числе для контроля за деформация ми сооружений и для маркшейдерских работ, при монтаже оборудо-

вания, в судостроении, крупном машиностроении и при строительстве уникальных сооружений, а также в других случаях, когда необходимо бесконтактное измерение подолсения, размеров и перемещений объектов.

В настоящее время существует ограниченное число технических решений в этой области. Точностные характеристики большинства существующих систем наведения не удовлетворяют требованиям, предъявляемым при решении задач высокой точности. Изложенное свидетельствует об актуальности теш диссертационной работы, посвященной разработке и исследованию автоматизированных лазерных систем наведения для геодезических измерений.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения точности автоматизированного наведения на цель геодезических приборов, разработка теоретических положений, системотехнических и схемотехнических принципов построения лазерных систем наведения (ЛСН).

В работе поставлены и решаются следующие исследовательские задачи:

1. Разработка теоретических положений принципа построения лазерных систем наведения на основе развития метода автоколлимации в сходящихся пучках.

2. Теоретический анализ возможности реализации метода инструментальными средствами на основе оценки погрешностей предлагаемых технических решений. Выработка требований к основным элементам конструкции. Структурная разработка семейства типовых схем ЛСН.

3. Проведение экспериментальных исследований лазерной сис-

темы наведения.

Методы исследований. В основу решения вопросов, рассматриваемых в диссертации, пожжены методы математического анализа, матричной алгебры, методы статистического анализа. Используется классификация и анализ существующих технических решений в соответствии с обоснованной системой критериев. Расчеты оптических систем выполнены с использованием теоретических основ гауссовой оптики.

В работе сочетаются теоретические и экспериментальные методы оценки точностных характеристик JICH. Экспериментальные исследования макета 1СН проводились на мини-полигоне в условиях . закрытого помещения.»- В рамках исследований использоватись методы математического моделирования на ЭВМ типа IBM PC Ат

Научная новизна.

1. Определены возможности реализации метода автоколлимации в сходящихся пучках для измерения углового положения объектов на расстояниях до несколько сотен метров. По сравнению с используемой ранее автоколлимационной системой, работающей в сходящихся пучках, построение лазерной системы наведения с учетом особенностей формирования лазерных пучков позволяет улучшить энергетические соотношения в системе и, как следствие этого, увеличить дальность действия и точность системы.

2. Разработаны методы и средства измерений на основе усовершенствованного способа автоколлимации в сходящихся пучках.

3. Даны оценки возможностей повышения точности автоколлимационных измерений с использованием современной элементной базы.

4. Выполнена разработка системотехнических и схемотехни-

ческих принципов построения ЛСН, основанных на принципе автоколлимации в сходящихся пучках лучей.

5. Получены аналитические выражения для оценки влияния частных инструментальных погрешностей в автоколлимационной системе наведения на результирующую погрешность измерений и создана математическая модель аппаратных и программных преобразований электронного сигнала в системе для исследования точностных возможностей ЛСН.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

Дальнейшее развитие получил метод автоколлимации в сходящихся пучках.

Разработанная структура лазерных систем наведения позволяет создать новый класс систем наведения, в основу работы которых полонен метод автоколлимации в сходящихся пучках лучей.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать автоматизированные двухкоординатные системы наведения для геодезических измерений. Разработанные системы реализуют измерительный и компенсационный резким работы. В измерительном режиме погрешность наведения, полученная расчетным путем, не превышает 0,5", в компенсационном - 0,25", при этом в . первом случае относительная погрешность измерений составляет 1/120, а во. втором - 1/220 при дальности действия ЛСН до 200 м.

На основе предложенной методики инженерных расчетов моино оценить на стадии 'проектирования точностные характеристики и выбрать основные конструктивные параметры и базовые элементы систем наведения. Методика внедрена при проведении научно-исследовательских работ НПО "Геофизика" и в учебный процесс на ка-

федре оптико-электронных приборов МосГУГиК.

Результаты исследований могут быть также использованы в организациях и предприятиях, занимающихся не только решением геодезических задач, но и вопросами бесконтактного измерения размеров и перемещений изделий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации", Россия, Курск, 1993 г.; 48 и 49 научно-технической конференциях аспирантов и молодых ученых МосГУГиК.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы изложена на 146 страницах текста. Работа содержит 4 таблицы и 34 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость решаемой задачи - автоматизации процесса наведения на цель. Сформулированы задачи исследований и цель работы, кратко описано содержание глав диссертационной работы.

В первой главе дан обзор и анализ существующих технических решений в области автоматизации процесса наведения на цель в геодезическом приборостроении.

Анализ показал, что при наведении на цель необходимо вы-

полнить определенную последовательность операций: 1 - поиск (распознавание) объекта и предварительное наведение на него оптической системы геодезического прибора; 2 - перефокусирование оптической системы; 3 - точное наведение на цель или измерение положения цели в неподвижном угловом поле прибора; 4 - отслеживание, в случае необходимости, углового положение цели в угловом поле прибора. Рассмотрены методы автоматизации этих операций. Автоматизация предварительного наведения достигается за счет того, что геодезический прибор снабжается микроэлектродвигателями, которые вращают алидаду в горизонтальной плоскости и наклоняют зрительную трубу вверх-вниз относительно горизонта. Поиск объекта в этом случае метет выполнятся по предварительно заданным оператором координатам, по радиосигналу с ограгателя, благодаря сочетанию узкопольной и иирокоподьной оптических систем, путем сканирования. Автоматизация процесса перефокусирования достигается за счет измерения дальности до цели и автоматического перемещения подвижного компонента оптической системы после расчета эквивалентного фокусного расстояния объектива. Для обеспечения высокой точности наведения выполняется операция под номером 3, которая предполагает дополнительные измерения угловых рассогласований мезду визирной осью и направлением на цель в неподвшшом угловом поле прибора. Методы определения угла рассогласования могут быть самыми разнообразными, например, времяимпульсный, широтноимпульсный, фазовый, амшштудночастот-ный, с помощью координатночувствительных фотоприемников. ■ Если система наведения позволяет выполнять в автоматическом режиме все из перечисленных выше операций, то такая система названа автоматической, в иных случаях система наведения является полу-

автоматической. Для высокоточных измерений, во многих случаях, например, для выноса проектов в натуру и разбивочных работ, необходимо фиксировать точку цели маркой (отражателем), поэтому полностью автоматизировать процесс наведения не всегда возможно. В связи с этим автоматизированные геодезические приборы предназначены для решения специальных задач, например, используются для контроля за движением объектов по заданной пространственной траектории или для контроля формы, мест пересечения, кривизны поверхностей безотражательным методом. Для решение широкого круга задач инженерной геодезии, в том числе для контроля за деформациями сооружений и для маркшейдерских работ, а также при монтаже оборудования, в судостроении и крупном машиностроении остается актуальным создание полуавтоматических систем наведения, которые выполняют в автоматическом режиме операции 2-4.

Рассмотренные вопросы нашли отражение в классификации автоматизированных систем наведения. Одним из признаков классификации являются методы работы систем наведения. Исследования показали, что для систем наведения характерно использование проекционной, коллиматорной или автоколлимационной схемы измерений. Высокую точность наведения позволяет обеспечить автоколлимационный принцип построения системы наведения с использованием лазерного излучения и трипельпризменного отражателя в точке цели. Угловые рассогласования между визирной осью и направлением на цель, в этом случае, определяются на основе решения параллактического треугольника

а = агсгк ( Ь/ I ) , (1)

где Ь - расстояние до отражателя, измеряемое дальномером;

11 - линейное поперечное смещение отражателя с визирной оси, измеряемое лазерной системой наведения. Для измерения 11 необходимо использовать автоколлимационный метод измерений в сходящихся пучках.

Сформулированы теоретические положения, позволяющие систематизировать особенности построения и работы автоколлимационных лазерных систем наведения:

- действие автоколлимационной лазерной системы наведения должно быть основано на измерении фотоэлектрическим способом смещений энергетического центра отраженного лазерного пучка в горизонтальной и в вертикальной плоскостях относительно визирной оси X и У и пересчете этих смещений в соответствующие угловые рассогласования с учетом расстояния до отражателя Ь по формуле

( Зо-х

а = агсЫ--(2)

М-Ь >

где М - коэффициент увеличения чувствительности системы за счёт использования трипельприэмы в качестве отражающею компонента ' (М = 2); Во - масштабный коэффициент оптической системы, значение которого в автоколлимационной схеме измерений в сходящихся гомоцентрических, пучках лучей соответствует поперечному увеличению объектива в сопряженных плоскостях;

- вследствие обратимости автоколлимационной схемы измерений в сходящихся пучках размер пятна -в плоскости анализа изображения соответствует размеру перетяжки в передающем канале и его диаметр не зависит от расстояния до отражателя, благодаря

- и -

этому обеспечивается равноточность измерений линейных поперечных смещений отражателя. Для выполнения условия симметричности лазерных пучков относительно эквивалентной плоскости отражения излучения трипельпризмой необходимо в автоматическом режиме перефокусировать излучение в плоскость отражателя.

- использование лазера в качестве источника, излучение которого обладает свойством направленности, позволяет увеличить диапазон измерений от нескольких метров до сотен метров.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование применения метода автоколлимации лазерных пучков для решения задачи автоматизации процесса наведения. На основе геометро-опгическо-го анализа схемы измерений с учетом особенностей формирования лазерных пучков получены выражения для пересчета линейных отклонений X и У, измеряемых фотоэлектрическим способом, в угловые «ИВ:

X ■ р

« = - -Г-

г Гг { ( Гг Г г Ъг ^ 1

Ы -+ - - — - 2К

1- Ь --('о ^ Т'о > \ ) )

(3)

_У • Р_

е =

I- М - Г2 1 1 и- Г2 > { Г2 1 ' ••

Ьшах *"2

где К = 1 + - + - - константа, значение которой

Г'г ЦпШ - Гг

не зависит от текущей дальности до цели; р - число секунд в радиане; Ь - расстояние до отражателя, измеренное светодальномером; Ьтщ - минимальное расстояние визирования; #3г - конфо-

кальный параметр лазерного пучка, сформированного первым компонентом передающей ОС; Гг - фокусное расстояние объектива автоколлиматора; Ьщах - расстояние от задней главной плоскости объектива до плоскости анализа при фокусировании излучения на минимальную дальность. При этом величина перемещения подвижного элемента оптической системы в процессе перефокусирования излучения рассчитывается по формуле

2(Г2)2

где К1 = -- - константа.

Цп1п~ £'2

Предложена обобщенная структурная схема лазерной системы наведения (ЛСН), которая содержит следующие блоки:

- приемо-передающий блок (ШБ);

- электронный блок (ЗБ);

- трипельпризму с устройством ориентации;

- светодальномер.

Назначение ШБ состоит: в формировании узконаправленного лазерного пучка с локализацией минимального его поперечного смещения в плоскости точки цели; в приеме отраженного светового пучка и формировании изображения в плоскости анализа; в измере-. нии смещений изображения, функционально связанных с поперечными перемещениями отражателя; в формировании электрического сигнала, .соответствующего указанным смещениям изображения.

Основными функциональными узлами ППВ являются:

- источник излучения - одномодовый гелий-неоновый лазер.

имеющий малую расходимость диаграммы направленности излучения;

- оптическая система с перефокусированием излучения в соответствии с дистанцией наблюдения;

- привод устройства для перефокусирования излучения (ПП), включающий электродвигатель и кинематические звенья;

- датчик положения устройства для-перефокусирования (ДП);

- анализатор изображения и фотоприемное устройство ($ПУ), с помощью которых осуществляется формирование электронного сигнала, содержащего информацию о пространственном положении отражателя.

Электронный блок ЛСН должен выполнять следующие функции:

- усиление, преобразование сигнала с <ШУ и выделение из него информации о поперечных смещениях отражателя;

- формирование управляющего сигнала для Ш и контроля за процессом перефокусирования с учетом сигнала, поступающего с датчика ДП;

- преобразование полученной информации к виду, удобному для ввода в микроэвм, осуществляющую вычисления в соответствии с рабочей формулой ЛСН и программой представления результатов измерений.

В состав электронного блока должны входить усилительно-преобразующий блок для обработки измерительного сигнала, электронный блок системы перефокусирования и устройство сопряжения с микроэвм, осуществляющее подготовку и обмен данными между ЛСН ц электронным блоком в соответствии с алгоритмом обработки информации.

На основе анализа возможностей анализаторов изображения, применяемых в фотоэлектрических автоколлиматорах,. обосновано

использование ГОС-камеры, сопряженно'й с ЭВМ, Предлагается использовать программную логику обработки выходной информации с ГОС. которая позволяет снизить аппаратные затраты и реализовать для повышения точности определения координат изображения любой из известных методов амплитудного интерполирования сигналов.

Использование одномодового лазерного излучения обусловлено тем, что за визирную ось в ЛСН принимается энергетическая ось лазерного пучка.

В связи с тем, что распределение освещенности в изображении, формируемом одномодовым лазерным излучением, описывается гауссоидой вращения, для повышения точности измерения координат выбран метод аппроксимации сигналов с выхода ГОС-камеры функцией Гаусса.

В качестве подвижного элемента устройства для перефокусирования излучения предлагается использовать призму БР-1800. Это позволяет изменять расстояние между задней главной плоскостью объектива и плоскостью анализа изображения без изменения внешних габаритов системы. При этом осевое перемещение призмы вдвое меньше осевого перемещения плоскости анализа изображения.

Рассмотрены основные из источников погрешностей и выявлено их влияние на точность ЛСН.

Для лазерных приборов характерна погрешность из-за влияния нестабильности оси диаграммы направленности лазерного пучка. Если 81-угловое смещение лазерного пучка, а точка поворота оси диаграммы направленности излучения лежит в фокальной плоскости короткофокусного компонента передающей квазителескопической системы ICH, то с учетом нормального распределения случайных изменений положения оси относительная погрешность угловых изме-

рений в автоколлимационной системе определяется по формуле

бодя 6а"-Г1(Гг2+ а(Г2+0пах+2Ц (Ь-^г)) сс ~ З-Х-(Гг)2

где фокусное расстояние короткофокусного компонента оптической системы автоколлиматора.

Погрешность бф, вызванная колебанием визирной оси при перефокусировании излучения из-за линейного поперечного смещения подвижного компонента на величину Д1, определяется по формуле

Д« Л1 • р(Г22+2(Г2 +Ьтг«+21)а-Г'2 ))

бф = - = - . (6)

3 6Ь -£'г (Гг +Ьшахт)

Исследования показали, что технологические погрешности изготовления углов трипельпризмы приводят, с одной стороны, к ■ отклонению энергетической оси лазерного пучка от направления визирной оси, а с другой - к ухудшению качества изображения за счет смещения его энергетического центра. Формула для расчета погрешности за счет отклонения энергетической оси лазерного пучка имеет вид:

з.гт'пбрвх ,

бтп =--1— х1

к V

ГгСЬгоах+ЙЬ) >,

Ь- (Ьтах+ВМ

где бтах ~ максимальное отклонение двугранных углов трипельпризмы от прямого; п - показатель преломления материала трипельпризмы.

Выражения (5), (6) и (7) получены на основе геометро-оптического анализа автоколлимационной схемы измерений ,и отражают зависимость погрешности измерений от конструктивных•параметров

системы и дальности до цели.

Гак как в качестве отражателя в ЛСН используется трипель-призма, а не зеркальный триэдр, .то необходимо учитывать влияние погрешности из-за неперпендикулярности оси лазерного пучка входной грани трипельпризмы. Средняя квадратическая погрешность за счет влияния данного фактора может быть определена с учетом равномерного закона распределения погрешности наведения по формуле

Д11-Р 0-(п-1)р

бн = —ГГ = —^-• (8)

К'ЗЬ № Ь-п

где ж - угол наклона трипельпризмы; 0 - высота трипельпризмы.

Даны рекомендации по уменьшению частных погрешностей, вносимых трипельпризмой и источником излучения.

В качестве источника излучения необходимо использовать гелий-неоновый лазер, обладающий наибольшей стабильностью параметров. С учетом возможностей контроля углов призм, в ЛСН необходимо использовать трипельпризмы, у которых бтах=0,3". Обеспечение этого условия возможно при селекции призм по результатам контроля двугранных углов в процессе изготовления отражателя. Влияние бтп на точность измерений может быть уменьшено и в результате реализации компенсационного режима работы системы наведения. Для уменьшения бн перед началом измерений необходимо ориентировать геодезический прибор и трипельпризму друг относительно друга.

Исследован компенсационный режим работы ЛСН. В этом режиме ЛСН осуществляет совмещение энергетической оси лазерного пучка с центром трипельпризмы. В качестве элементов, отклоняющих ви-

зирный луч, используются две плоско-параллельные пластины (ППП), качающиеся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Математическая зависимость между измеряемыми углами наклона ППП <р и <|| и искомыми величинами углов айв имеет вид:

где <3 - толщина ППП.

Предлагаются функциональные схемы ЛСН, отличающиеся наличием возможности изменения увеличения системы за счет перефокусирования излучения.

В третьей главе предложена методика инженерного расчета потенциальной точности ЛСН, методика моделирования аппаратных и программных преобразований сигнала в ЛСН и обоснован выбор основных конструктивных параметров ЛСН.

Методика инженерного расчета точности ЛСН составлена в соответствии с требованиями ГОСТ 8.009-84. Получены выражения, позволяющие оценить результирующую погрешность угловых измерений в измерительном и компенсационном режимах работы ЛСН с учетом методических и инструментальных погрешностей. Наряду с рассмотренными выше источниками погрешностей учитываются: погрешность измерения расстояния до отражателя светодальномером бь; погрешность за счет неточного определения фокусного расстояния объектива автоколлиматора бг: погрешность за счет несовпадения расчетного положения плоскости, анализа изображения плоскости чувствительной площадки ПЗС-камерьг бьтпх; погрет-

(9)

ность, вносимая ПЗС-камерой и электронным блоком обработки информации ЛСН бх; погрешность, вносимая датчиком угла при измерении угла наклона компенсатора ,бд; методическая погрешность за счет допустимых упрощений в рабочих формулах Дзм и погрешность из-за нелинейности функции преобразования компенсатора ДЭк-Среди всех перечисленных погрешностей выделены систематические Дзм и Дзк- Остальные учитываются как случайные.

Целью математического моделирования преобразований, сигнала в фотоприемном устройстве и блоке обработки информации ЛСН явилось определение погрешности измерения положения энергетического центра изображения на чувствительной площадке ПЗС. Предложенная математическая модель -послужила основой для разработки программных средств для исследования ЛСН, которые позволяют определять с учетом энергетических соотношений в ЛСН и инструментальных погрешностей' условия, при которых обеспечивается требуемая точность измерений, а именно, оптимальные временной режим работы ИЗС-камеры и быстродействие микроэвм, необходимое число разрешаемых ПЗС-камерой градаций яркости в изображении (разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП)), а также позволяют исследовать влияние нарушения симметрии в изображении на точность измерений.

Было выполнено исследование ЛСН, анализатором изображения в которой является ПЗС типа 1200 ЦМ1, а изображение на чувствительной площадке формируется Не-Ие лазером марки ГН-05 с длиной волны излучения X = 0,633 мкм, который имеет непрерывный режим работы и мощность излучения 0.5 мВт. В результате исследований получены: графики методической погрешности определения энергетического центра тяжести изображения с помощью алгоритмов ал-

проксимации центроидой и аппроксимации функцией Гаусса при заданных условиях измерений; номограмма,' позволяющая согласовать источник излучения и приемник с учетом временного режима работы последнего; графики зависимости погрешности определения координат изображения от величины смещения энергетических центров отраженных трипельприэмой пучков в плоскости анализа изображения.

К основным конструктивным параметрам ЛСН относятся: диаметр входного зрачка, фокусное расстояние объектива и положение плоскости анализа изображения.

Для выбора фокусного расстояния объектива рекомендуется использовать формулу

Г 2 = / 1?э2-иах (Ю)

где !?э2 - эквивалентный конфокальный параметр лазерного пучка, сформированного первым компонентом передающей оптической систе-ш; Цпах - максимальное расстояние визирования.

Диаметр объектива рекомендуется выбирать из условия минимальных потерь на виньетирование лазерного пучка входным зрач-1эдм. От кыбора положения плоскости анализа изображения зависит чувствительность системы к линейным поперечным смещениям изображения. Показано, что для увеличения чувствительности ЛСН к линейным поперечным смещениям отражателя и уменьшения влияния погрешности за счет неточного определения фокусного расстояния объектива необходимо увеличить расстояние между задней главной плоскостью объектива и плоскостью анализа изображения Ь^ах. что возможно сделать, при сохранении высокой точности определения положения энергетического центра изображения, благодаря использованию ИЗС в качестве анализатора изображения.

- во -

Четвёртая глава посвящена вопросам конструктивной реализации и экспериментальных исследований макета ЛСН.

Разработана конструкция экспериментального образца (80) ЛСН и теоретически исследованы его характеристики. Погрешность измерения ЭО в диапазоне 1 составляет 0,5", максимальный диапазон измерений ±11' ЭО обеспечивает при минимальном расстоянии до цели 7 м, диапазон расстояний визирования 7...200 м.

Для проверки основных теоретических положений был разработан макет ЛСН с визуальной регистрацией линейных поперечных смещений отражателя. Испытания макета позволили проверить возможность построения лазерных систем наведения, в основу работы которых положен принцип автоколлимации в сходящихся пучках. Результатами эксперимента подтверждается, что предложенные методики позволяют рассчитать параметры ЛСН.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы, полученные при проведении исследований и разработок лазерных систем наведендя для геодезических измерений, заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ технических решений в области автоматизации процесса наведения на цель в геодезическом приборостроении показал, что перспективным для ЛСН является метод автоколлимации в сходящихся пучках.

2. Дано теоретическое обоснование применения метода автоколлимации в сходящихся пучках для решения задачи автоматизации процесса наведения с учетом особенностей формирования лазерных пучков. Показаны преимущества использования лазерного излучения

в автоколлимационной схеме измерений, позволяющие повысить точность и дальность действия систем наведения.

3. Разработана структурная схема лазерных автоколлимационных систем наведения и предложены два варианта построения ЛСН, реализующие измерительный и компенсационный режимы работы.

4. Сформулированы требования к основным конструктивным узлам и элементам ЛСН, таким как: одномодовый гелий-неоновый лазер для задания визирной оси; схема устройства для перефокусирования лазерного излучения; ПЗС-камера, сопряженная с микроЭВМ, для измерения координат энергетического центра отраженного трипельпризмой лазерного пучка; компенсатор с качающимися плоско-параллельными пластинами для реализации компенсационного режима работы ЛСН. Исследованы точностные характеристики трипельпризмы, используемой в ЛСН в качестве отражателя. Выявлены основные источники инструментальных погрешностей. Предложены меры позволяющие повысить точность измерений.

5. Предложены методика инженерного расчета точности ЛСН и методика математического моделирования аппаратных и программных преобразований сигнала в электронном тракте ЛСН, которые позволяют оценить точностные характеристики ЛСН в двух режимах работы и оценить возможности использования инструментальных и программных средств в ЛСН. Обоснован выбор основных конструктивных параметров ЛСН.

6. Разработаны конструкции экспериментального образца и макета ЛСН. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований макета ЛСН подтвердили правильность изложенных теоретических положений и методик расчета основных параметров и характеристик ЛСН.

Таким образом теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность построения высокоточных систем наведения для геодезических измерений, (погрешность наведения не превышает 0,5 угл.с) на основе принципа автоколлимации в сходящихся пучках с использованием современных способов формирования лазерного излучения и результатов измерения расстояния до отражателя дальномером.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Карсунская М.М.. Парвулюсов Ю.В. Анализ современного состояния систем автоматизированного наведения геодезических угломерных приборов.- М., 1993. -12с. - Деп. в ОНИПР ЦНИИГАиК,

.31.05.1993, 548.

2. Карсунская М.М., Парвулюсов Ю.В. Автоколлимационная •система наведения на цель электронного теодолита. // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображения и символьной информации: Материалы международной конференции, Курск. 5-8 окт., 1993. - с.156.

3. Парвулюсов Ю.Б., Карсунская М.М. Автоматизированная система визирования для электронных теодолитов.- Изв. вузов Геодезия и аэрофотосъемка, 1994, N 1,с.119-127.

4. Карсунская М.М.. Климков Ю.М., Парвулюсов. Ю.Б. Анализ погрешностей лазерной визирной системы. - Изв. вузов Геодезия и аэрофотосъемка, 1995, N 3, с.116-124.