автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Волоконно-оптические цифровые преобразователи угла с упреждающей коррекцией инструментальных погрешностей

На правах рукописи

\

Юдин Артём Анатольевич

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УГЛА С УПРЕЖДАЮЩЕЙ КОРРЕКЦИЕЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ

05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

-1 Ш 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005570317

Самара -2015

005570317

Работа выполнена на кафедре электротехники федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Михайлович

Официальные оппоненты:

Лиманова Наталия Игоревна, доктор технических наук, доцент, федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики», профессор кафедры программного обеспечения и управления в технических системах;

Кузнецов Павел Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод и промышленная автоматика» федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».

Ведущая организация: открытое акционерное общество «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения», г. Ульяновск.

Защита состоится 2 октября 2015 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.05, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (http://www.ssau.ru/resources/dis_protection/yudin_a_a/).

Автореферат разослан 18 июня 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, доцент

С. В. Востокин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Оптоэлектронные цифровые преобразователи угловых перемещений (ОЦПУ) широко используются в современных системах управления и контроля, что обусловлено такими их достоинствами, как высокая точность, быстродействие и технологичность. Однако при решении целого ряда прикладных задач, особенно в области аэрокосмической техники, наряду с указанными, выдвигаются требования высокой помехозащищенности и надежности при работе в условиях воздействия внешних факторов (электромагнитных помех, температуры, вибраций и др.) и минимальных массо-габаритных показателей. Здесь следует отметить, что микроминиатюризация радиоэлектронных компонентов уже не приводит к существенному выигрышу в массогабаритных показателях бортовой РЭА, так как основной вклад в этот показатель вносят масса и габариты традиционного электрического интерфейса (проводниковых каналов передачи). Поэтому потенциально в наибольшей степени всем указанным требованиям удовлетворяют ОЦПУ со встроенными волоконно-оптическими каналами связи (ВОЦПУ), погонная масса которых на порядок меньше их проводных аналогов. Однако практика разработки и конструирования таких преобразователей показывает, что для обеспечения заданной механической прочности и минимальных энергетических потерь в оптических линиях связи чувствительные элементы ВОЦПУ необходимо изготавливать из тонких металлических материалов толщиной 50-100 мкм. Такая конструкция обеспечивает приемлемый уровень энергетических потерь при передаче излучения из передающего волокна в приемное через рабочий зазор преобразователя. Однако изготовление таких кодовых дисков, например, методами фотолитографии, сопровождается значительными технологическими погрешностями (~10 мкм), что при диаметре кодового диска 50 мм приводит к погрешности воспроизведения уровней квантования порядка 14'. Это обстоятельство ограничивает информационную емкость на уровне 8-10 бит, что не соответствует современным требованиям к точности авиационных датчиков угла. Другой, не менее важной, проблемой при создании ВОЦПУ является неравномерность непосредственного ввода излучения от полупроводниковых излучателей в волоконно-оптические линии связи, которая может достигать 15-20%.Указанный фактор также заметно увеличивает суммарную погрешность преобразования.

Вопросы разработки методов автокоррекции цифровых измерительных преобразователей нашли отражение в трудах таких ученых, как В.И Бусурин, В.М Гречишников, Н.И. Гинятуллин, В.Г. Домрачев, Е.А. Зак, Г.И Леонович, Н.ИЛиманова, Н.Е. Конюхов, В.М. Шляндин, и др. Сведения о зарубежных разработках ВОЦПУ содержатся, в основном, в патентных источниках и обзорах зарубежной радиоэлектроники и отражают лишь общие принципы их построения, не затрагивая методы их научного обоснования. При этом следует выделить труды Д. Бейли, Э. Райта, Э.Удда, Дж. Фрайдена, Т. Окоси, П. Чео.

Однако имеющиеся наработки в области автокоррекции инструментальных погрешностей ВОЦПУ основаны на введении аппаратурной и временной избыточности, что значительно усложняет конструкцию, снижает быстродействие и надежность изделий. В связи с этим представляет научный и практический интерес разработка новой методики коррекции показаний ВОЦПУ, основанных на использовании упреждающих корректирующих воздействий на электронную схему

обработки сигналов, заблаговременно формируемых с учетом текущего значения выходного кода и обеспечивающих требуемые показатели точности быстродействия и достоверности получаемой информации. Реализация указанной методики позволяет не только повысить точность ВОЦПУ в одноотсчётном исполнении, но и значительно расширить возможности создания высокоточных двух — и более отсчетных преобразователей за счет снижения требований к допустимой ошибке рассогласования отсчетов.

На основании изложенного тема диссертационной работы, посвященная теоретическому и экспериментальному обоснованию и внедрению ВОЦПУ с упреждающей коррекцией выходного кода представляется актуальной, имеющей важное значение для науки и практики.

Область исследований - волоконно-оптические цифровые преобразователи угловых перемещений с абсолютным отсчетом.

Объект исследований - методы и технические средства упреждающей коррекции инструментальной погрешности ВОЦПУ.

Цель работы - разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование методики упреждающей коррекции инструментальных погрешностей ВОЦПУ, обеспечивающих существенное повышение точности и достоверности выходного кода.

Для достижения поставленной цели в работе было необходимо решить следующие задачи:

- провести классификацию и сравнительный анализ принципов построения и методов коррекции метрологических характеристик ВОЦПУ;

- разработать принципы реализации упреждающей коррекции инструментальных погрешностей;

- провести обзор и сравнительный анализ методов математического моделирования ВОЦПУ;

- разработать методику получения функции модуляции излучения в ВОЦПУ с использованием формализма локального веерного преобразования Радона (ЛВПР);

- разработать унифицированные алгоритмы и компьютерные программы для моделирования функции преобразования ВОЦПУ и оценки их метрологических характеристик;

- разработать методику оценки достоверности преобразования по обобщенной математической модели ВОЦПУ и определить необходимое соотношение между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователей, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования;

- разработать корректирующий электронный модуль на основе микроконтроллера и провести экспериментальные исследования эффективности предложенных методов упреждающей автокоррекции на реальных образцах ВОЦПУ.

Научной новизной обладают следующие результаты диссертации:

- методика повышения точности волоконно-оптических цифровых преобразователей угла, основанная на упреждающей программно - аппаратной корректировке амплитуд и/или порогов компарирования сигналов фотоусилителей с учетом текущего значения выходного натурального двоичного кода N, номеров изменяющихся разрядов в кодовых комбинациях Л'/7, ± 1 кода Грея и направления возможного вращения вала из текущего положения в сторону увеличения или уменьшения показаний;

- методика получения функции модуляции излучения в ОЦПУ с использованием формализма ЛВПР;

- разработанные алгоритмы и компьютерные программы синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ОЦПУ с произвольной системой кодирования информации;

- методика определения необходимого соотношения между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователя, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования.

Методы исследований

При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, Булевой алгебры, элементы теории геометрической оптики, элементы теории обработки изображений, теории погрешностей.

Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждена результатами численного моделирования и экспериментальных исследований макетных образцов ВОЦПУ, созданных с использованием разработанных методов и технических средств упреждающей коррекции.

Реализация результатов работы

Разработанные в диссертационной работе методика получения математической модели пространственного взаимодействия плоских геометрических объектов на основе формализма ЛВПР и соответствующие программные модули внедрены:

- ОАО «УКБП» в разработку кодовых преобразователей с маской кода Грэя для указателей высоты ВМЦ-10, скорости УСВИЦ-250 и УСВИЦ-350, а также кодовых преобразователей для датчиков аэродинамических углов перспективных летательных аппаратов;

- в учебный процесс СГАУ по дисциплинам «Схемотехника волоконно-оптических устройств», «Метрология и радиоизмерения», а также при выполнении дипломного проектирования по специальности «Радиотехника».

Указанные материалы включены в электронное учебное пособие «Метрологическое обеспечение разработки и испытания преобразователей информации» для аспирантов, проходящих подготовку по специальности 05.13.05 -«Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».

Практическая значимость результатов диссертации

Разработанные методики и технические средства коррекции позволяют на порядок снизить инструментальную погрешность ВОЦПУ, а при создании двух и более отсчетных преобразователей - снизить требования к допустимой погрешности рассогласования отсчетов.

Разработанные программные средства могут быть использованы на начальных этапах проектирования новых изделий для получения прогнозных оценок технических возможностей волоконно-оптических энкодеров с произвольной топологией кодовых шкал и чувствительных элементов, а также в реальном производстве для контроля точности оптических шкал.

На защиту выносятся:

- методика и программно-алгоритмические средства упреждающей коррекции выходного кода ВОЦПУ;

- методика получения функции модуляции излучения в ВОЦПУ с использованием формализма ЛВПР;

- алгоритмы и компьютерные программы синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ВОЦПУ с произвольной системой кодирования информации;

- методика оценки достоверности преобразования по обобщенной математической модели ВОЦПУ и определения необходимого соотношения между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователя, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования;

- результаты теоретического и экспериментального анализа эффективности упреждающей коррекции метрологических характеристик ВОЦПУ.

Апробация материалов диссертации проводилась на следующих научно-технических конференциях:

16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференция студентов и аспирантов: Микроэлектроника и информатика - 2009, Москва, 2009 г.;

- Всероссийской научно — технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций, Самара, 2010 г.;

- международной конференции с элементами научной школы «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)», Самара, 2010 г.;

- международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», Пенза, 2011 г.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 работы опубликованы в издании, входящим в международную базу цитирования «Scopus».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и перечня используемых источников. Работа изложена на 149 стр. машинописного текста, включающего 71 рисунок, 4 таблицы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, определены цели и задачи исследований, сформулирована научная новизна полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ принципов построения и методов автокоррекции волоконно-оптических преобразователей угла.

Рассмотрены и проанализированы основные принципы конструктивной интеграции волоконно-оптических линий связи (BOJ1C) с чувствительными элементами инкрементальных и абсолютных ВОЦПУ. Рассмотрены вопросы построения ВОЦПУ с использованием пространственного, временного и спектрального уплотнения каналов преобразования информации.

Приведена классификация методов коррекции инструментальной погрешностей ВОЦПУ. Показано, что для коррекции погрешностей оптико-механического блока чаще всего используется метод вспомогательных измерений, основанный на использовании дополнительных каналов измерения радиальных и торцевых биений, что приводит к дополнительным аппаратурным затратам, усложнению технологии изготовления преобразователей.

Для коррекции погрешности нелинейности в интерполяционных каналах наиболее эффективны метод функциональной фильтрации сигналов, а также

структурно-алгоритмический метод. Показано, что наибольшие трудности связаны с коррекцией инструментальных погрешностей, вызванных технологическими погрешностями изготовления границ кодовых градаций и неравномерностью деления оптической мощности, вводимой от полупроводниковых излучателей в измерительные каналы ВОЛС.

В связи с этим в работе предложены принципы и программно-алгоритмические средства упреждающей коррекции выходного кода ВОЦПУ, позволяющие без введения дополнительных структурно-функциональных элементов эффективно подавлять влияние инструментальных погрешностей, вызванных указанными выше факторами.

Во второй главе рассмотрены принципы и алгоритмы работы ВОЦПУ с упреждающей коррекцией погрешностей. Общий подход к построению аппаратно -программных средств упреждающей коррекции основан на формировании упреждающих корректирующих воздействий либо на источник излучения, либо на пороги срабатывания компараторов, заблаговременно формируемых с учетом предыдущего значения выходного кода. В результате обеспечивается практически полная компенсация погрешности при смещении чувствительного элемента из исходного (предыдущего) положения на один квант в сторону увеличения или уменьшения показаний.

Установлено, что неравномерность ввода излучения в ВОЛС приводит к изменению амплитуды сигналов фотоусилителей на величину Д£/ относительно среднего (номинального) значения (У . В результате проведённых расчетов показано

что, влияние относительного изменения амплитуды сигналов Д£/ / 1/ср на

погрешность воспроизведения уровней квантования зависит от информационной ёмкости ВОЦПУ п и относительной ширины считывающего элемента к = а* /ан = 0...1, где а*-угловая ширина считывающего элемента, ан =360/2" -расчетный интервал смены кода (рисунок 1 а, б).

»•'" Ла ■>..• Уп

Рисунок 1 - Графики: а) сигнала на выходе фотоприёмника; б) абсолютной погрешности; при различной информационной емкости; в) приведённой погрешности при различной относительной ширине считывающего элемента

Из рисунка 1 видно, что значения погрешностей могут достигать 30-35% от периода сигнала, что оказывает прямое влияние на снижение достоверности выходного кода. Отметим также, что полученные кривые имеют асимметричный характер, что свидетельствует о более существенном влиянии отрицательных значений Л/У / IIср, соответствующих снижению амплитуд сигналов относительно

номинального значения.

Для коррекции погрешности рассмотренного вида разработана конструкция ВОЦПУ с упреждающей коррекцией, приведенная на рисунке 2. Преобразователь содержит оптико-механический блок с кодовым диском (КД) с маской инверсного кода Грэя, источник излучения (ИИ), оптически связанный с входными торцами жгута передающих световодов (ПСВ). Выходные торцы ПСВ через разрядные дорожки КД оптически связаны с входными торцами приемных световодов (ПрСВ), которые передают промодулированные оптические сигналы на блок фотоусилитетей (БФУ).

Рисунок 2 - Конструкция ВОЦПУ с упреждающей коррекцией погрешности Л(, от неравномерности ввода оптической мощности

Для реализации упреждающей коррекции в составе преобразователя используется аналоговый коммутатор (АК), управляемый в соответствии с программой, записанной в памяти микроконтроллера (МК). Алгоритм работы МК включает два режима: 1 — режим упреждающей настройки и 2 — режим преобразования. Выбор режима осуществляется переключателем режимов (ПР) -положение «1» или «2» соответственно.

В режиме настройки вал преобразователя устанавливается в положение «0», при котором все торцы ПрСВ оказываются полностью засвеченными. При этом на всех выходах БФУ формируются амплитудные значения сигналов. Далее, в с соответствии с программой МК, выходные сигналы БФУ поочередно подключаются ко входу АЦП. Полученные коды амплитуд сравниваются с кодом номинальной амплитуды, хранящимся в памяти МК. В случае неравенства этих кодов МК через ЦАП воздействует на блок регулировки тока накачки излучателя (БРТН) до тех пор, пока, код амплитуды БФУ соответствующего разряда не станет равным номинальному значению. Управляющий код на входе ЦАП, соответствующий достижению равенства записывается в ОЗУ, при этом в качестве кода адреса используется номер разряда.

В режиме преобразования управляющие коды, хранящиеся в ОЗУ МК, поочередно подаются на вход ЦАП, выходной сигнал которого задает мощность излучателя, соответствующую формированию сигнала номинальной амплитуды в данном разряде. При этом определение значения разрядных цифр происходит в МК путем сравнения текущего кода БФУ с кодом порога срабатывания, который равен коду половины номинальной амплитуды сигналов БФУ. Таким образом, упреждающая настройка токов накачки излучателя по каждому из разрядов позволяет скорректировать погрешность неравномерности ввода излучения в ВОЛС до уровня,

определяе1\юго погрешностями квантования АЦП и ЦАП, а также чувствительностью БРТН.

Для случая, когда доминирует погрешность изготовления и сборки оптико-механического узла разработана конструкция ВОЦПУ (рисунок 3),

Щ/71

- Порп1

1ЦП2 МК

Порт4

Рисунок 3 - Конструкция ВОЦПУ с коррекцией погрешности на основе упреждающей подстройки порогов срабатывания компараторов

в которой коррекция погрешности осуществляется за счет упреждающей регулировки порогов срабатывания компараторов.

Преобразователь имеет конструкцию, аналогичную предыдущей. Отличие состоит в наличии блока компарирования и коммутации сигналов БККС. Работа этого блока управляется через порт 2 МК. Исходной информацией для данного алгоритма автокоррекции является массив погрешностей смены выходного кода ДЛф], получаемых на поверочной установке и занесённых в виде цифровых кодов в память МК . При этом в качестве кода адреса при записи значений погрешностей в МК используется двоичный код номера уровня квантования N (Л7 = 0,2" -1) п- разрядного ВОЦПУ, получаемый преобразованием из выходного кода Грэя. Сущность упреждающей коррекции в данном случае заключается в заблаговременной подстройке порогов срабатывания одного из двух компараторов, формирующих комбинации «б-/» или «(?+/» в коде Грэя, при движении чувствительного элемента (кодового диска) из произвольного положения в сторону уменьшения или увеличения выходного кода N. За счет этого в процессе вращения чувствительного элемента происходит сдвиг координат смены выходного кода таким образом, что разность между идеальной координатой сменой выходного кода и реальной сводится к нулю (минимуму). Поскольку две соседние комбинации в коде Грэя отличаются только в одном разряде, то для реализации упреждающей коррекции всякий раз необходимо знать номера только двух разрядов кода Грэя, один из которых т* изменяется при движении чувствительного элемента из текущего положения сторону увеличения, а другой т~ — сторону уменьшения показаний. Разработаны алгоритмы работы МК для рассмотренных вариантов коррекции, а также получены выражения: — для вычисления значений номеров т* и т~:

-1°яЛ

Х2-Ч..+

* 2 +...+

%-ИШ

е&1

с 2' + ...+

■■2' + ...+

(я-' V 1

г.® X »«У

У

У. в>Sj 1-'

где gl значения разрядных цифр в коде Грэя - сумма по модулю 2); — для вычисления управляющих кодов ЦАП:

х 2'

_ АЫ X 360' tg р..

^У» п цап (2)

ицлп

- для расчета необходимой разрядности ЦАП:

= "2 - + [ )' (3)

где ки — коэффициент использования выходного напряжения ЦАП, кКГ -коэффициент углового кванта регулирования.

- расчета максимальной скорости вращения вала 1ВРт (оборот/с), исходя из

заданной тактовой частоты МК /мк (Гц) :

Г =___(4)

2" (2!ФЛК + 21 Пр + (п + 2)1 цлп + п1АЦП ) '

где /ФАК - количество тактов, затрачиваемое на формирование адреса соответствующего компаратора (определение изменившегося разряда в коде Грэя в «+» или «-»), /цдп - количество тактов формирования выходного напряжения на ЦАП

МК, 1А1Щ - количество тактов аналого-цифрового преобразования, /%п - количество тактов чтения инверсного кода Грэя со входного порта МК, /Пр- количество тактов преобразования инверсного кода Грэя в позиционный двоичный код, кг - некоторый коэффициент запаса кг е (0,1] по времени работы алгоритма коррекции.

В третьей главе разработан новый подход к получению функции модуляции излучения в оптико-механическом блоке ВОЦПУ, основанный на применении формализма локального веерного преобразования Радона (ЛВПР).

Представим кодовые дорожки (кодовый диск) в виде оптического изображения, состоящего из чередующихся участков с резко отличающимися яркостными характеристиками. Прозрачным элементам соответствует нормированное значение яркости в каждой точке, равное — 1, а непрозрачным — 0.

Рисунок 4 - Взаимодействие j-й кодовой дорожки: а) с секториальным СЭ, б) с круглым СЭ

Неподвижно зафиксируем изображение КД в некоторой плоскости ХОУ и будем перемещать относительно него считывающие элементы (СЭ). При этом начало координат совместим с центром вращения СЭ.

Площадь пересечения секториальных СЭ) и КЗЧ можно представить в виде формализма ЛВПР (рисунок 4,а):

(5)

(а) = ^ы(0)(10 = 1е(1ео<;(), Нт0)(1^(10

где Ою ГЩ-Э - область взаимного перекрытия С^ и КЭ,у, а подынтегральное выражение представляет собой единичную функцию яркости вида:

1 1 (о)

е(1со5а,15та) = ■ О, при ( 1с<>5а,151'па) е Окэ Л Исэ; •'

/ = 0,2-' -1; ] = 0,п - 1; заданную в диапазоне изменения параметра ге[г3,г4], где п0Ппсэ - область пересечения КЭЦ[\СЭ], /-номер периода кодовой дорожки, /'- номер кодовой дорожки.

В случае круглого СЭ диаметром <1, центр которого удалён на расстояние г0 от центра КД (рисунок 4,6) г, = г0 - а / 2 , а г, = гс + л / 2 .

Переходя от непрерывного формализма ЛВПР к дискретному, получим:

$„К(ак) = Я, X [//„с^Г^ ), ио*т(кЛ<1>0 )]

4 4«/ /-/ ,

(!1„софА<р0),И0хт(кА^)) е й

(7)

где /0 = / <7 - шаг дискретизации изображения по радиусу, а Д<р0 = 2к I р, шаг дискретизации изображения по углу, ак = кА<р0 - дискретный угол поворота СЭ (текущее положение кодового диска), г,.-, — внешний радиус кодового диска.

Получены выражения для вершин прозрачных областей КЭ и СЭ с

использованием уравнений их радиальных границ и уравнений дуг образующих эллипсов (рисунок 5), деформированных за счёт влияния комплекса инструментальных погрешностей — неточности угловых границ областей, эллиптичности, эксцентриситетов образующих окружностей КД и СЭ, и других факторов (рисунок 5).

Для выявления точек, принадлежащих йюП00, которые следует учесть в (7), необходимо вычислить базовые матрицы знаковых функций для некоторых точек (ха1,у01), заведомо лежащей внутри области

у \ У N__„ И / /С'"'■•■ А

2Ы. \ "\Г и 2а--'' ^^^^

Рисунок 5 - Формирование координат вершин секториальных СЭ и КЭ

СЭу и (х0а,у09) заведомо лежащей внутри

области КЭ,7. В случае секториальной формы СЭ (или КЭ), в качестве такой точки можно использовать точку, лежащую на середине отрезка, соединяющего середины дуг образующих эллипсов.

(8)

Условие принадлежности произвольной точки (х,у) к области £2а:эППсэ в случае секториальной формы СЭ получено в виде:

sign [А у и ч„ ч (х ,;у )1 " sign fA у p.j0ij (х,и )] sign f А у и ijQ v

Г*, у )l

(x, у) e Q ,3„ _ ^ signfy - у

M jj /V ¡j ) / J t 5 " ^^ N 'I fx, у J e Si C} . " f sig n/y - у u lK , (*>/ ^ s ig n [А у „ t (x ,j )] \

sig " [Л У r,Q ,

sign[A у u /Q (x ,j )]

s ig n [А у „ iF/(x ,j )/

В случае эллиптичной (круглой) формы СЭ условие принадлежности точки СЭ приобретёт вид:

' s ig п [у - У и и кц (х)! ^

sign [у - Уи„К„(х)1

signly - Уи„„„(х)1

signly - yu,ls„(x)lJ

' sig п [у - Ум ,(х)! "

s ig n [у У PiQ,(X)1

signfy - Ум ,а,(х>1

signfy - Ун ,р, (х)1 ,

(х, у) е a j (х, у) е Яс,

( signfy - yMliKs(x)/' signfy - у

м aNч

signfy - у м ¡¿N ¡i

(х)!

signly - у

м ¡¡я а

(х)!

3

Xj = jc Cosy j + у Siny. + Y, * -1

у. = -X Siny J + у Cosy J + X ytt

+ r,4's'

' signfAy

M 4N V

(*.„ >1') sign[Ayp QJx„j )l sign[Ay„i.aJx„J)l sign [Ay „ r (x„j)/

(9)

Функция модуляции излучения нау-й дорожке на /-м периоде с учетом комплекса инструментальных погрешностей, а также перехода от радиальных пикселей к прямоугольным, которые используются при формировании фото- и видеоизображений, определится в виде:

(X|>[* {РЪггр )С<к(тЛ?„ ),к(^0ПР )5т(тЛп Л9', (2* +/)) * .?„„, ^^

где 50 пр - площадь прямоугольного пикселя

Использование формализма ЛВПР для получения функции модуляции излучения впервые обеспечила возможность исследования метрологических характеристик ВОЦПУ не только с использованием аналитического описания кодовых и считывающих элементов, но и с использованием их реальных изображений, полученных с помощью ПЗС - матриц и сканеров. На основе данной методики были созданы виртуальные моделирующие программные инструменты «DigitOpticalSensor» и «Со<1еМа5кАпуМарЕс1ког» (рисунок 6).

С помощью «В1§1Юр1;юа18еп5ог» с использованием формализма ЛВПР выполнено моделирование зависимости метрологических параметров ВОЦПУ при наличии различных инструментальных погрешностей ОММ и некоторых параметров ЭМ, а также моделирование алгоритмов коррекции.

«СоскМаякАпуМарЕсШог» был создан в дополнение к П%НОриса18еп50г для создания различных масок КД ВОЦПУ. Отметим, что данный ПМ впервые обеспечил

возможность синтезировать и анализировать с использованием формализма ЛВПР изображения КД с произвольной системой кодирования информации (рисунок 6,в,ж).

Рисунок 6 — Экранные формы «01§ЮрПса18еп80г» и «Со(1еМазкАпуМарЕ(1ког»: а )- в) рисунки кодовых масок, г)-ж) формирование разметки масок КД с различной топологией, и) график функции модуляции, к) графики выходного кода ВОЦПУ и абсолютной погрешности

В результате вычислительных экспериментов, выполненных с помощью разработанного программного инструментария, была подтверждена состоятельность предложенных методов упреждающей коррекции, доказана возможность получения функций модуляции с использованием формализма ЛВПР и анализа метрологических характеристик ВОЦПУ на основе кодовых масок с произвольной системой кодирования информации.

В четвертой главе рассмотрены анализ метрологических характеристик ВОЦПУ и результаты их экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований являлось определение влияния предложенных методов коррекции на достоверность преобразования.

Для определения достоверности выходного кода предложена методика её оценки с использованием обобщённой математической модели аналого-цифрового преобразования информации и получено выражение зависимости абсолютной погрешности от достоверности преобразования:

ЛасР=^!гЗМ, (11)

и зависимости соотношения между числами разрядов образцового и поверяемого преобразователей, исходя из заданной погрешности оценки достоверности выходного кода вне зависимости от разрядности поверяемого преобразователя:

/ ,

ЛN =

(12)

Рисунок 8

6) в) - Гистограмма распределения погрешности ПУФ-ВП-8: до коррекции (а) и после коррекции погрешности неравномерного ввода излучения

Разработан также макетный образец корректирующего электронного модуля (КЭМ), предназначенного для использования в составе преобразователей ПУФ-ВП-8 и ПУФ-ВП-13. КЭМ создан на базе микроконтроллера АТ918АМ78256. Общий вид КЭМ приведён на рисунке 7.

разработанных алгоритмов проводилось

численное моделирование и экспериментальное - \

исследование ВОЦПУ ПУФ-ВП-8 совместно с Г,/ ..2.\ \

КЭМ. Числовой массив погрешностей получен • ^ с

помощью автоматизированной поверочной " * !

установки, выполненной на базе оптической

делительной головки ()ДГ-60. В качестве

_ Рисунок 7 — Оощии вид КЭМ

образцового преобразователя использован

фотоэлектрический 14-разрядный преобразователь угла ППФЭ-14 «Мхитар».

На рисунке 8 показаны гистограммы распределения суммарной погрешности до коррекции (рисунок 8,а), после (рисунок 8,6) коррекции погрешности от неравномерности ввода излучения в ВОЛС, после (рисунок 8,в) коррекции погрешностей, вносимых ОММ.

Как следует из рисунка 8 ,а до коррекции форма гистограммы близка к нормальному распределению. Достоверность выходного кода при этом составляет 0,67. После применения коррекции (рисунок 8 ,б) достоверность выходного кода ВОЦПУ повысилась до 0,92, погрешность уменьшилась в 1,76 раза (с 1,626" до 0,923°). Форма гистограммы при этом «приблизилась» к форме равномерного распределения на интервале ±0,703125°, что составляет +0,5 кванта корректируемого 8-ми разрядного ВОЦПУ. После выполнения коррекции порогов срабатывания достоверность выходного кода повысилась до 0,983, а погрешность уменьшилась в 2,17 раза (с \6?£ <Зо 0,747°). При использовании КЭМ в составе канала грубого отсчета двухотсчетного ВОЦПУ ПУФ-ВП-13 достоверность выходного кода увеличилась почти в 1,3 раза, что свидетельствует о высокой эффективности предложенных в

работе методов и технических средств упреждающей коррекции инструментальных погрешностей.

Основные результаты и выводы по работе

1. Разработаны методика и программно-алгоритмическое обеспечение упреждающей коррекцией инструментальных погрешностей ВОЦПУ, вызванных неравномерностью ввода излучения в BOJIC, а также неточностью изготовления и сборки оптико-механического узла.

2. Разработана математическая модель функции преобразования излучения в ВОЦПУ на основе формализма ЛВПР, позволяющая исследовать метрологические характеристики как с использованием аналитического описания кодовых и считывающих элементов, так и с использованием их реальных изображений, полученных с помощью ПЗС - матриц и сканеров.

3. Получены аналитические выражения для определения номеров корректируемых разрядов кода Грэя в зависимости от текущего значения натурального двоичного выходного кода и направления вращения кодового элемента.

4. Разработаны - программно-инструментальные комплексы «DigitOpticalSensor» и «CodeMaskAnyMapEditor» для исследования технических возможностей ВОЦПУ с произвольной системой кодирования.

5. Разработана методика оценки достоверности выходного кода с использованием обобщённой математической модели аналого-цифрового преобразования информации. Получены выражения для расчета соотношения между числами разрядов образцового и поверяемого преобразователей, исходя из заданной погрешности оценки достоверности выходного кода.

6. На базе микроконтроллера AT91SAM7S256 разработан и изготовлен корректирующий электронный модуль, предназначенный для упреждающей коррекции погрешности неточности изготовления и сборки оптико-механического узла.

7. Проведенные экспериментальные исследования показали, что применение корректирующего модуля в составе 8 разрядного ВОЦПУ типа ПУФ-ВП-8 и 13-разрядного двухотсчетного преобразователя ПУФ-ВП-13 позволило увеличить достоверность выходного кода в 1,47 — 1,3 раза и уменьшить погрешность преобразования в 2,17 раза, что подтверждает высокую эффективность предложенных методов упреждающей коррекции.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Юдин, A.A. Способ и технические средства оценки достоверности цифровых преобразователей угла [Текст]/ В. М. Гречишников, А. А. Юдин // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). - 2011. - № 6 (30). - С. 186-194.

2. Юдин, A.A. Структурно-алгоритмический способ коррекции адаптивной коррекции выходного кода оптоэлектронного цифрового преобразователя угла [Текст] / A.A. Юдин, В.М. Гречишников / Вестник транспорта Поволжья - 2011.- №5. - С. 32-41.

3. Юдин, A.A. Получение функции модуляции излучения в оптоэлектронном цифровом преобразователе угла с использованием преобразования Радона. [Текст] / A.A. Юдин, В.М. Гречишников // Измерительная техника. -2012. - №1. - С. 34-39.

4. Юдин, A.A. Волоконно-оптический преобразователь угла с упреждающей коррекцией погрешности неравномерности деления оптической мощности [Текст] / A.A. Юдин, В.М. Гречишников, В.Г. Домрачев [и др.] // Измерительная техника. - 2014. - №11. -С. 58-61.

Публикации в других изданиях:

5. " Grechishnikov V.M.,Yudin А.А.А Metod of obtaining the radiation modulation function in an optoelectronic digital angle converter using. Radon transform.- Springer, Measuring Techniques, Volume 55, Issue 1,45-56,2012.

6. Grechishnikov V. M., Domrachev V. G., Teryaeva О. V., Yudin A. A. Fiber-Optic Angle Converter with Adaptive Error Correction of Non-Uniform Division of Optical Power .Springer, Measuring Techniques, Volume 57, Issue 11, 1309-1314,2015.

7. Юдин, А. А. Волоконно-оптический цифровой преобразователь угла (ВОЦПУ) с самонастраивающимся электронным блоком// Микроэлектроника и информатика - 2009. 16-я Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: тез. докл. - М.: МИЭМ, 2009. - С. 229.

8. Юдин, A.A. Анализ пространственного взаимодействия оптических шкал с использованием преобразования Радона. [Текст] / A.A. Юдин, В.М. Гречишников, О.Ю. Борисов // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010): тр. междунар. конф. с элементами науч. школы для молодежи. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2010. - С. 753-757.

9. Юдин, A.A. Инструментальные средства контроля достоверности преобразования цифровых преобразователей угла [Текст]/ A.A. Юдин, В.М. Гречишников, О.Ю. Борисов // Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций». - Самара. - 2010. - 25-27 мая. - С. 174-181.

10. Юдин, A.A. Способ оценки достоверности цифровых преобразователей с использованием обобщённой математической модели [Текст]/ A.A. Юдин, В.М. Гречишников, О.Ю. Борисов // Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций». - Самара. - 2010. - 25-27 мая. - С. 181-187.

11. Юдин, A.A. Двухотсчётный преобразователь «угол-код» с микро-процессорным устройством согласования отсчётов [Текст]/ A.A. Юдин, В.М. Гречишников, О.Ю. Борисов // Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций». — Самара. - 2010. - 25-27 мая. - С. 187-196.

12. Юдин, A.A. Оценка надёжности мультисенсорных измерительных оптоэлектронных преобразователей перемещения со структурным и функциональным резервированием [Текст]/ A.A. Юдин, В.М. Гречишников, Г.И. Леонович // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: тр. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-22 апреля 2011): в 2 т. / под ред. д-ра техн. наук, проф. М.А.Щербакова. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т 1. - С. 271-274.

13. Юдин, A.A. Переход к ортогональному дискретному представлению оптических шкал при анализе пространственного взаимодействия с использованием преобразования Радона [Текст]/ A.A. Юдин, В.М. Гречишников // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: тр. Междунар. науч.-техн. конф. (г. Пенза, 19-22 апреля 2011): в 2 т./ под ред. д-ра техн. наук, проф. М.А. Щербакова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Т. 1 -С. 193-196.

Подписано в печать 22 мая 2015г. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета 443123, г. Самара, Московское шоссе, 34