автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Вычислительные методы обработки видеосигналов фотодиодных структур в ЭВМ и приборы контроля координат источников информационного излучения на их основе

АЛТАЙСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. И.И.ГШЗУНОВА

На правах рукописи Эта. М"..........

Л А П К И Н СЕРГЕЯ АЛЕКСЕЕВИЧ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ИСТОДЫ ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛОВ «ОТОДИОДНЫХ СТРУКТУР В ЭВМ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ КОООРДИНАТ источников ИНФОРМАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.11.13 - Приборы я кэтода контроля природном среда, вецеств, материалов н издали!

АВТОРЕвЕРАТ диссертации на соискание ученоЯ степени кандидата технических наук

Барнаул - 1992

Работа выполнена в Алтайском политехническом институте нм.И.И.Ползунова

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, член-корреспондент ИА СССР, действительный член Академии инженерных наук РФ, доктор технических наук, профессор Госьков П.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Горбов U.U.

: кандидат технических наук Буевич В.Н.

Ведущая организации Особое конструкторское бюро Московского энергетического института

Защита диссертации состоится ifi^f^irit'f 1892 г.

на заседании специализированного совета К-064.29,01 Алтайского политехнического института ии. И.И. Ползунова по адресу: 656099, Барнаул, пр. Ленина, 46.

Отзыва на автореферат в двух экземплярах, заверенные печаты), просим направлять по адресу: 656099, Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского политехнического института.

Автореферат разослан "ilrS.'-' 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, _

доцент " г ^^ В. И. Замятин

Г'"

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники. Оптоэ-лектронные средства измерения линейных и угловых величин - одни из самых распространенных средств измерения. Они обеспечивают при бесконтактных измерениях высокую точность и быстродействие. Системы измерения на основе оптоэлектронных датчиков оптической информации находят широкое применение в самых разнообразных областях техники. Значительное место в проблеме создания измерительных систем на основе оптоэлектронных датчиков оптической информации занимает вопрос о точности и помехоустойчивости этих систем. Существенное значение при разработке и использовании систем измерения координат имеют зоны обзора этих систем и их влияние на точность и помехозащищенность, расположение и способы ориентации фотоприемников на объект измерения. В качестве первичных датчиков в измерительных системах чаще всего используются такие фотоприемники, как линейки и матрицы ПЗС, фотодиодные линейки и матрицы. Точность и помехозащищенность систем в значительной степени определяется разрешающей способностью используемых в них фотоприемников и методами предварительной обработки видеоинформации, поэтому задача исследования потенциальной точности измерения координат центров световых пятен на фотоприемниках, в частности фотодиодных матрицах (ФДМ) и фотодиодных линейках (ФДЛ) имеет большую актуальность и практическую значимость.Вопросы точности и помехозащищенности оптико-электронных измерительных систем во многих аспектах изучены не достаточно полно. Это вызвало необходимость проведения исследований точности и помехозащищенности измерительных систем.

Работа выполнена по Координационному плану АН СССР по проблеме "Физическая оптика" (шифр 1.6.1.), целевой комплексной программе Минавиапрома СССР "Оптоэлектроника",программе Государственного Комитета СССР по Народному образовании "Неразрущаю-щий контроль и диагностика" (шифр 4.1.6.) и по хозяйственным договорам Алтайского политехнического института им.И.И.Ползуко-ва, в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя.

Цоль работы - исследование методов обработки видеосигналов фотодиодных структур в ЭВМ, разработка математических моделей и исследование погрешности приборов контроля координат источников информационного излучения на их основе.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

- исследованы погрешности методов определения координат центров световых пятен на фото, -годных линейках и матрицах;

- разработано математическое н программное обеспечение для исследования оптико-электронных систем, предназначенных для измерения декартовых координат точечных источников оптического излучения;

- исследованы погрешности измерения координат точечных источников оптического излучения с помощью измерительных систем на'основе ФДМ ФПУ-14 и ФДЛ ЛИ-1024 25;

Научная новизна. В результате проведенных исследований было оценено влияние различных факторов на точность измерения координат энергетических центров световых пятен на поверхности фотодиодных линеек и матриц при применении различных алгоритмов вычисления координат. Полученные результаты дают возможность реально оценивать потенциальную разрешающую способность оптико-электронных измерительных систем, в которых в качестве первичных датчиков информации используются фотодиодные линейки и матрицы.Получены оценки погрешностей оптико-электронных систем измерения декартовых координат точечных источников оптического излучения, оценено влияние различных факторов на их точность. Ка основе проведенных исследований разработаны измерители декартовых координат, в которых в качестве датчиков оптической информации применены фотодиодные матрицы и линейки. На способ и устройство измерения декартовых координат объекта с закрепленными на нем точечными источниками оптического излучения с помощью фотодиодной матрицы, используемой в качестве датчика оптической информации, получено авторское свидетельство на изобретение .

Методика исследований'. Исследование помехозащищенности методов определения координат центров световых пятен на поверхности фотодиодных приемников оптического излучения проводилось двум способами: путем проведения экспериментов и с помощью

статистического моделирования. Эти два метода, дополняя друг друга, позволяют комплексно оценить влияние различных факторов на точность измерений. Сложность математических моделей измерителей декартовых координат источников оптического излучения затрудняет исследование их точности и помехозащищенности как с помощью аналитических методов, так и с помощью статистического моделирования, требующего больших затрат машинного времени для получения представительных выборок результатов машинных экспериментов. Поэтому при проведении исследования в этом направлении было применено имитационное моделирование при заданных границах изменения параметров измерительных систем.

Практическая ценность. Проведенный анализ помехозащищенности методов определения координат центров световых пятен на поверхности фотодиодных приемников оптического излучения позволяет оценивать точность измерителей угловых и декартовых координат при известных уровнях помех при проведении измерений, что помогает избавиться как от излишне оптимистичных, так и излишне пессимистичных оценок точности измерителей координат.Разработанные методики проведения экспериментов и программное обеспечение позволяют проводить исследования любых типов матричных фотоприемников. Разработанные измерительные системы могут быть использованы как для очувствления промышленных роботов, так и для решения широкого круга задач, связанных с контролем параметров производственных процессов, ориентацией и посадкой летательных аппаратов и других областях народного хозяйства.

Реализация научно-технических результатов. Методики и устройства, созданные в ходе выполнения работы, прошли испытания на автоматизированных стендах, разработанных в процессе выполнения хоздоговорных работ в лаборатории НИЛ-12 Алтайского политехнического института им.И.И.Ползунова. Результаты внедрения этих разработок подтверждены соответствующими актами. Изготовлены опытные образцы измерителей декартовых координат и проведено их'метрологическое исследование.

На защиту выносятся:

1) Методики экспериментальных исследований и статистические модели для изучения погрешностей измерения координат центров светоЕых пятен на ФДМ ФПУ-14 и ФДЛ Л5Э-1024 25;

2) Математические модели систем измерения декартовых коор-

динат па основе линейных и матричных фотоприемников.

3) Практические разработки в области создания измерителей декартовых координат источников оптического излучения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела прикладной оптоэлектроники Института физики полупроводников СО АН СССР; Всесоюзном семинаре "Опто-электронные устройства в приборостроении и информатике", г.Тбилиси, 1985 г.; III Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе",г.Барнаул,1985г.;

III Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", г.Барнаул, 1986 r.;IV Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", г.Барнаул,1987 г.;

IV Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные прибо, j на их основе", г.Барнаул, 1988 г.; V Всесоюзном совещании "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе", г'.Барнаул, 1989 г.

Публикации. Основные результаты исследований и разработок отражены в 20 печатных работах и 1 авторском свидетельстве.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 96 наименований и приложений, содержит 126 страниц м.п.т., 21 рисунок и 94 графика.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с созданием оптико-электронных систем , предназначенных для измерения угловых и линейных величин,на основе твердотельных фотоприемников, их точности. Обсуждается возможность применения в этих системах фотодиодных матриц и линеек и анализируются методы обработки видеоинформации, получаемой при их опросе в процессе измерений, обосновывается возможность применения статистического и имитационного моделирования для исследования точности и помехозащищенности оптико-электронных систем измерения.

На сегодняшний день разработано большое количество измерителей уГЛОВУХ И ЛИНспКЫХ КООрДйКаТ Hä ОСКОБЭ ТБбрДОТсЛЬКЫХ при-

емников оптической информации. Они находят широкое применение в самых разнообразных областях .техники. Часто эти системы строятся по стереоскопическому принципу. Вопросы влияния расположения фотоприемников в измерительных системах на их точность и помехозащищенность в литературе не нашли достаточно глубокого отражения и требуют дополнительного исследования.

Фотодиодные приемники оптического излучения,обладающие высоким бытродействиеы и хорошей разрешающей способность», могут быть успешно использованы в оптико-электронных системах для измерения линейных и угловых величин. Помехоустойчивость работы преобразователей оптичекоЯ информации на основе ФДМ-отруктур достигается применением фильтрации сигналов и модуляции светового потока.

Точность измерения положения изображения точечного источника оптического излучения на поверхности фотоприемника определяется как действием помех, так и используемый алгоритмом вычисления координат. Каждый алгоритм характеризуется своим уровнем алгоритмической погрешности. Наиболее широкое распространение получил метод центра масс (метод взвешивания).Ряд методов основан на аппроксимации ступенчатого сигнала полиномом заданного порядка.Часто для определения координаты центра светового пятна используется аналоговый метод обработки видеосигнала, заключающийся в сглаживании видеосигнала фильтром низких частот.

Применение статистического моделирования позволяет комплексно оценить влияние многих факторов на процесс измерения координат центра светового пятна на фотоприемнике и получить вероятностные оценки погрешностей измерения, а имитационное моделирование работы оптико-электронных измерительных систем в условиях помех с учетом результатов статистического моделирования позволяет эффективно оценить помехоустойчивость систем при варьировании различных определяющих факторов.

Выбранные направления исследований обеспечивают решение поставленных задач и позволяют создать методику и аппаратуру для измерения декартовых координат точечных источников излучения в пространстве.

Во второй главе рассмотрено три метода вычисления координат центров световых пятен на .фстоприемкиках с точки зр£л»*л их точности и помехозащищенности, произведен их анализ, приведенч

результаты моделирования на ЭВМ и результаты экспериментов для двух тапов фотоприемников: фотодиодных матриц и фотодиодных линеек. Метод взвешивания (метод центра масс) заключается в вычи-оленет координаты центра светового пятна на фотоприенике согласно выражении: __ и

_ Jf-Uí^í Vй 17 '

2-Ы

где uxi - суммарные видеосигнал с 1-Я строки (столбца), ОС i -координата центра 1-1 строки (столбца) фотоприемника. Апрокси-мация видеосигнала параболоидом позволяет упростить выражение для вычисления координат центра светового пятна:

где М - номер строки (столбца) с максимальным суммарным видеосигналом, , Ут , Um+< - амплитуды видеосигналов с соответствующих строк (столбцов), {| - линейный размер ячейки фотоприемника.Предположение о гауссовском распределении освещенности в световом пятне естественно приводит к выводу о том,что видеосигнал,снимаемый с фотоприемника близок по форме к гауссо-иде. В этом случае:

-У Г... 1)1 I 1 /", 1пУп,'1-{пУп>Ч .

Для ФПУ-14 экспериментально получены границы,в которых лежат пелёнгационные характеристики ФДМ при отсутствии оптических помех. Под.пеленгационной характеристикой здесь понимается зависимость измеренной координаты центра светового пятна от его истинной координаты на фотоприемнике.Помехозащищенность методов в применении к ФДМ оценивалась с помощью статистического моделирования. Суш светового потока генерировались на микро-ЗЗМ в виде двух разновидностей: белого шума и регулярной гауссовской помехи. Амплитуды сигналов меньшие или равные уровню шума при вычислении координат не учитывались. При проведении зксперямен-

л

той с ФДЛ из информационного видеосигнала вычитался темповой кадр.При исследовании помехоустойчивости'методов вычисления координат в применении к фотодиодной линейке в проводимые натурные эксперименты были включены элементы статистического моделирования. Для этого на получаемые с ФДЛ видеосигналы накладывался генерируемый микро-ЭВМ белый шум помех. Результаты моделирования соответствуют результатам экспериментов, проденных участием автора в лаборатории НИЛ-12 Алтайского политехнического института.

С помощью статистического моделирования на микро-ЭВМ с учетом неоднородности фоточувствительности ячеек и разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) было установлено, что для ФДМ ФПУ-14 при расфокусировке светового пятна на 3-4 ячейки при отсутствии оптических помех максимальная нелинейность пеле-нгационных характеристик при использовании метода взвешивания может составить 22 мкм. При проведении экспериментов на стенде нелинейность пеленгационных характеристик при применении метода взвешивания составила 24 мкм,квадратичной интерполяции- 36 мкм, интерполяции видеосигнала гауссоидой- 52 мкм. При наличии оптических помех точность определения координат центра светового пятна на ФДМ зависит от отношения сигнал/шум. Для метода взвешивания при отношении сигнал/шум равном 20 отклонение пеленга-ционной характеристики от линейности может составить 36 мкм, а при отношении сигнал/шум равном 10 и гауссовском характере помехи это отклонение может достигать 75 мкм. Регулярная помеха оказывает более неблагоприятное воздействие точность измерений, чем помеха в виде белого шума. При отношении сигнал/кум равксм 20, отклонение пелеигацконной характеристики от линейности при использовании методов квадратичной интерполяции и интерполяции видеосигнала гаусоидой может возрасти на 10 мкм,а при отношении сигнал шум равном 10 - 18 мкм.

Было установлено, что для ФДЛ ЛФ-1024 25 при расфокусировке светового пятна на 3-4 ячейки при отсутствии оптических помех максимальная нелинейность пеленгационшх характеристик при использовании метода взвешивания может составить 1,9 мкм, квадратичной интерполяции - 2,7 мкм, интерполяции видеосигнала гауссоидой - 1,2 мкм. Увеличение диаметра светового пятка приводит к* повышении точности метода взвешивания (1,5 мкм при диаметре

пятна 6-7 ячеек) и ухудшению точностных характеристик методов интерполяции (для метода квадратичной интерполяции - 10 мкм, для метода интерполяции видеосигнала гауссоидой - 6,7 мкм при диаметре пятна 6-7 ячеек). При наличии оптических помех при отношении сигнал/шум равном 20 и при расфокусировке светового пятна ка ФДЛ на 3-4 ячейки при использовании метода взвешивания нелинейность может составить 5,3 мкм, квадратичной интерполяции - 4,7 мкм, интерполяции видеосигнала гауссоидой - 2,5 мкм. При отношении сигнал/шум равном 10 при использовании метода взвешивания нелинейность может составить 7,6 мкм, квадратичной интерполяции - 6,2 мкм, интерполяции видеосигнала гауссоидой - 3,7 мкм. При увеличении диаметра светового пятна свыше 5 ячеек методы интерполяции становятся фактически неработоспособными в условиях помех, а характеристики метода взвешивания улучшаются. При диаметре светового пятна 6-7 ячеек и отношении сигнал/шум 20 метод взвешивания позволяет вычислять координаты с точностью 3,8 мш, а при отношении сигнал/шум 10 с точностью 7 мкм. Таким образом, при диаметре светового пятна 3-4 ячейки лучшие показатели имеет метод интерполяции видеосигнала гауссоидой, а при большом диаметре пятна - метод взвешивания,

С помощью статистического моделирования установлены вероятностные законы распределения отклонений от линейности при наличии оуков. Отклонения распределены по гауссовскому закону. Учет вероятностных распределений позволяет судить о частоте появления тех или иных отклонений в процессе измерения координат.

В третьей главе рассмотрен ряд способов измерения пространственных (декартовых) координат объектов с закрепленными на них источниками оптического излучения. Большое внимание уделено оценке -.погрешностей измерения этих координат. В качестве основного источника погрешности измерения принимается погрешность вычисления координат на фотоприемниках.

Декартовы координаты объекта могут быть измерены с помощь» системы, в которой световой поток от четырех точечных источников оптического излучения, размещенных на объекте в углах квадрата со стороной Ь, фокусируется оптической системой ка фотодиодную матрицу в виде 4-х световых пятен. Используя координаты центров световых пятен на ФДМ, можно вычислить декартовы координаты центра квадрата, образованного излучателями. Формулы,

позволяющие вычислить декартовы координаты (Хд, ус, гс ) центра квадрата, образованного излучателями имеют вад:

Ле»(Хи,+Хиа)А </с»С(/м,+Уи4)/2,

К,* С*ч( у3-(/г)+х3 (уг-у11)+х2(у11 - у^З/А,

Кг» С Хч { У*-У1)+*з(Уг Уг)+X, (уч- у3)]/4, К5 * [х„ (у2- у,)+х2(у,-уч)+х1 (</„-уг)]/Д,

А= (Уг-У,)+^ (у»- Уз)+ (у3- Уг),

где (х^у^, (^.Уд). (Х3.У3ЫХ41У4) - координаты центров ове-товых пятен на ФДЦ в системе координат, связанной о центром фотодиодной матрицы, Г - фокусное расстояние объектива. Как видно из приведенных графиков (рзо.1, рас.2), данная система сохраняет работоспособность в узкой области контролируемого пространства и может быть использована, например, как датчик положения в системах автоматического регулирования при изменении координат в ограниченной области.

Точность измерения координат излучающего объекта может быть повышена применением в измерительных системах стереоскопического принципа работы.

Декартовы координаты точечного источника оптического излучения в пространстве могут быть измерены с помощью системы, в которой в качестве первичных датчиков оптическое информации используются две неподвижно закрепленные под заданным углом друг к другу ОДМ. ФД1Г удалены от начала координат на расстояние Ь. Фокусное расстояние объективов - Р. Изменение угла между ФДЦ обеспечивает необходимый угол обзора системы. Используя координаты центров световых пятен на ОДЫ, можно вычислить декартовы координаты историка оптического излучения (хи, уи, ):

\ = ¿ЫЕ^-Ь Япр») ^ ' К* Кч" И^ у^¿пр+Рсо^, Я^^соьр-Р Ипр,

На рис.3 приведены графики зависимости величины зоны обзора системы по координатной оси Оу, вдоль которой размещены ФДМ, от удаления излучателя г при различных углах между ФДМ. Величина угла иеаду ФДМ оказывает существенное влияние на размеры зоны обзора. Исследованы погрешности системы и построены соответствующие графики, позволяющие оценить погрешности измерения координат. Так, на рис,;4 приведены графики зависимости погрешности измерения координаты г от погрешности измерения координат центров световых пятен на ФДМ.

Исследованы характеристики систем, в которых в качестве первичных датчиков оптической информации используются фотодиодные линейки: система измерения координат с помощью трех ФДЛ, расположенных в одной плоскости Оху и система измерения координат с помощью трех ФДЛ, расположенных вдоль ортогональных координатных осей Ох, Оу, Ог. Последняя система обеспечивает наибольшую точность измерений в замкнутой области пространства. На рис.5 и рис.6, например, приведены графики зависимости погрешности измерения дальности г до излучателя от погрешности Ед измерения координат центров световых пятен на ФДЛ и от расстояния между ФДЛ для случая расположения фотоприемников в одной плоскости, а на рис.7 и рис.8 приведены зоны обзора системы с расположением ФДЛ вдоль координатных осей и погрешности измерения при различных удалениях Ь ФДЛ от центра системы координат и погрешностях на фотоприемниках.

Расширение поля зрения измерительной системы может быть обеспечено использованием в ней следящих систем на базе электромеханических платформ (подвижек),В работе исследованы деэ варианта таких систем: система измерения декартовых координат с помощью двух ФДМ, закрепленных на электромеханических подвижках с двумя степенями свободы (рис.9) и система измерения декарто-г-::*а координат с помощью трех ФДЛ, закрепленных на электромеханических подвижках с одной степенью свободы (р;:с. 10). Для сис-

- «.-.....л."г Л — , л....«

1 и г.-.сы, 1! исдС 1 сглсппии Г1с1 рпо, £?, лииудипед 1 и 1 ичпыха

1.1 1.4 1.1 2.2 2.« 1.1

Рис. 1

Зависимость размеров зоны обзора от удаления излучателя

Рис.2

Зависимость погр«оности измерения дальности от удаления илучателей

2.1161

1.(13

1.264

1.142

1.«

ХМКЗОРЛ 13) гсалпЕАде г, п

1Я (1№1ШВ V

аихям сиптти

омшиноосяг

1=1« гзш

ил'

111'111'11 11'111111 4.1 . 9.3 14.4 19.С 24.1 31.1

Рис.3

4. 524 *

«. 41]

в. Л2

«.191

«.г:«

Т'1 ' ' 1 ' ' ' I '

21.1 2». * И.» 44.1 ¡2.« •».)

' Рис.4

Зависимость размеров зоны обзора Зависимость погрешности измерения

от удаления излучателя дальности от погрешности на ФДМ

«.гп-

шташк м ш гяш«ал. (тял рдггт;»4* рда« ^ Ц*

..джиипся от

Т" ■ I

1.3 |.( 2.7 4.3 (.1

Ршо.в

Завношооть погрешности измерения ФД1 дальности от раоотояния между ФДЛ

М.Л1

ш-

3 3.4 ГЛ 11.?

Ршс.7

Г|| вл

I''' I' " I 1.1 гл 4.8 <.4 ь.г и.1 Рис.в

Завасшость размеров зовы обзора Зависимость погрешности измерения от удалая язжучатгхя дальности от погрегности на 6ДЛ

Pec.S

Расположение элементов в свгдаа rjr.'rj^im иа основе двух 5£í, гакрепгкпгз es гадддр-цехапачгскпх подетггх

ИСТОЧНИК НЭПУ" ГЕЛИЯ

РаСПОлСдЗНЯе ЭЛсЫБНТСЗ Б CïtCTc=5£ ЗНЗгргаЗЗ на основе трех ФДЯ, гакреплеппз са ггг-гтро-иеханических подвигггзс

(*Ц|Уи> 2И> вычисляются согласно следующим формулам:

OCM-íxa-acJjt+oclí,

У** - > < м- м

, \C0sia - Sin fa О] (i О

ñns Sjnfn COS In O , Bíi= 0 C05<

0 O 1 J sini

0: 1 Ifj -6inQn f \n cosgny

где величины, входящие в выражение для Ц достаточно просто выражаются через координаты центров пятен на ФДМ, габаритные размеры подвижек и фокусное расстояние оптических систем путем их линейного преобразования с матрицами Ап, Вп, Ад, Вл, где Ад, ВЛ получаются из Ап и Вд заменой П на Л. На рис, 11 и рис.12 приведены графики зависимости погрешности измерения дальности до излучателя от погрешности измерения координат центров световых пятен на ФДМ и погрешности измерения углов поворота подвижек. Расчетные формулы для вычисления координат источника оптического излучения при их измерении с помощью системы с тремя ФДЛ,закрепленными на электромеханических подвижках имеют вид: Т - Ь /D у -Т) /п I, - 2и (Fsiirn +ц*шal

D,« (х, sia<p¿-x¿ sin- y>t) F(F* l)+ + X&ÍF+OiCOSft-COSfr) + + HF*-xlx¿)S¡ñ(cf1+y>¿) + + LFtor. + a^coS^ + ^a),

D¿= (x2 coi eos д>2) F (Г+ j) + + octx¿ (Ftí)( Stncpi^Slrt (fi) --ZLF¿ CPs£fi COS+ZociLFSinytcosqz +

^Zx¿LFsinif¿ce>S^-2xloczL Siníf, Sintf¿

+ р(х2-эг.) COS( $2~(fl).

г,, и

3.

пшгшь ютрстч уга пскготлмшвстеинж! ютдшл * кзгшш гая г> И| ». ма скотд га х и г ± з п. «з ла маюя« я г

t.m

1.241

1.16»

*.«7&

п

1-2 П

то

' I 1 ' 1 I 1 1 ' I ' ';Ч ' 1 1 I 12.« 17.: 23.2 24.« 34.4 43.0

Рис.11

1.227

1.(24

1.52«

1.36?

1.21]-

».Ш

Ег. П

ГШЕНСТЬ т »и р®о л (и, ГОСРвНЯТЧ Г КИМ® КЕМ 20 В V змкотгахиг ^5п> «мне гахттЕ юна я г

1*2 ¡1

и и

1"»я

I 1,1 Ч • г ' I......!

1.1 |.( 2.1 1.9 4.« 5.3

Рис.12

Зависимость погрешности измерения Зависимость погрешности измерения дальности от погрешности на ФДМ дальности от погрешности измерения

углов поворота подвижек

Ег, и

9.173

з.ш

». ш

е.843

гопоопь ютня згм пек«™ шик кем I и«. ■

ионвда г юулш а и«

ЗОНЯ США ГО X И У 1 5 П> ЕгаиЕ рмтсие 1яи гшжж ИММП

г» гя

:г.м

и.ш

• .23}

«.135

1.121

г. 623

«.646

1-1 и

ПЯТЕМШ ККЮИ ЯГО (ШИТЯ ПОЙМИ РЯ» I пи..

ютетр г кялрыя з

7ЧЯ скга ГО .Г И У * 5 г, •свои телекс 40 а

5.333 7.333

Рис.14

Зависимость погрешности измерения Зависимость погрешности измерения дальности от фокусного расстояния дальности от погрешности на ФДЛ оптических систем

где Xj.X2.y3 - отклонения центров световых шпеп па '¿,Д.Г::1 "W¡2 и ФДЛЗ от центров фотодиодних линеек. На рис. 13 и рис.Н.приие дены графики зависимости погрешности измерения дальности до излучателя от фокусного расстояния оптических систем и погрешности измерения координат центров световых иитек на ФДЛ.

Приведены описания функциональных схем измерителен декартовых координат и технические характеристики действующих макетов измерительных систем.

В приложения включены описания разработанного програмного обеспечения, тексты программ, а также копии актов испытаний и актов внедрения разработанных устройств.

ОСНОВНЫЕ;вывода И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ состония дел в области разработки оптико-электронных систем на основе твердотельных фотоприемников, предназначенных для измерения угловых и линейных величин. Обоснована перспективность применения в измерительных системах фотодиодных матриц и линеек. Проанализированы существующие методы определения кординат центров световых пятен на фотоприемниках. Обоснована перспективность применения методов статистического и имитационного моделирования для исследования оптико-электронных систем измерения координат.

2. Исследованы погрешности вычислительных методов определения координат энергетических центров световых пятен на матричных фотодиодних фотоприемниках. Исследования велись как путем проведения экспериментов с фотоприемниками при воздействии на них потоков излучения, так и путем введения в проводимые эксперименты элементов статистического моделирования. С помощью статистического моделирования установлены вероятностные законы распределения отклонений пелеГ 'чщонных характеристик от линейности при наличии шумов. Отклонения распределены по гауссовско-му закону. Учет вероятностных распределений позволяет судить о частоте появления тех или иных отклонений в процессе измерения координат.

3. В результате проведенного имитационного моделирования были получены графики, позволяющие оценить разрешающую способ-

ность систем измерения декартовых координат на основе фото.диод-них линеек и матриц.

3.1. Система измерения декартовых координат,' в которой- в качестве первичпого преобразователя оптической информации используется одна ФДМ, может бить использована при малых переме-. щопяях излучающего объекта и небольших расстояниях до него.

3.2. Использование в системах измерения двух ФДМ или трех ФДЛ является достаточным для получения возможности измерения трех декартовых координат точечного источника излучения. Необходимая точность измерений и размеры зон обзора достигаются путем подбора фокусных расстояний оптических систем и базовых расстояний между фотоприемииками. При использовании в системе в качестве первичных датчиков оптической информации двух неподвижно, размещенных в пространстве ФДМ,величина угла между ФДМ оказывает существенное влияние на размеры зоны обзора. Так уменьшение угла приводит к уменьшению значения дальности, при которой изображение источника оптического излучения начинает появляться на обеих ФДМ одновременно. Увеличение же угла приводит сначала к увеличении зоны обзора, а затем к уменьшению зоны. С увеличением фокусного расстояния объективов повышается точность измерения координат объекта. С увеличением базового расстояния между ФДМ погрешности измерения координат уменьшаются. Поэтому для измерения координат удаленных объектов необходимо увеличивать базовое расстояние между ФДМ. Использование в системах измерения координат ФДЛ позволяет повысить точность измерений за счет меньшего шага структуры ФДЛ по сравнению с ФДМ.Кроме того, применение ФДЛ дает возможность увеличить углы зрения системы.

3.3. Наибольшая точность измерений в замкнутом пространстве достигается при расположении ФДЛ вдоль координатных осей.Зоны обзора системы в этом случае представляют собой замкнутые многогранники, расширявшиеся с уменьшением фокусного расстояния линз и с увеличением базового расстояния между ФДЛ. Увеличением фокусного расстояния линз и уменьшением базового расстояния можно обеспечить необходимую точность измерений, но при этом должен быть достигнут компромисс между величиной зоны обзора и требуемой точность» измерений.

3.4. Расширение зон обзора систем до размеров полусферы

может быть достигнуто применением б системах измерения электромеханических подвижек, обеспечивающих следящий режим работы систем. Наибольшая точность измерений, при этом, достигается при малых углах поворота подвижек. Но при закреплении фотоприемников на подвижках,кроме погрешности на фотоприемниках появляется новый фактор, увеличивающий погрешности измерения координат -погрешность измерения углов поворота подвижек. Увеличение фокусного расстояния оптических систем и базового расстояния между подвижками приводит к повышению точности измерения координат. Системы измерения при этом сохраняют работоспособность и при большом удалении излучателя.

4. Разработаны функциональные схемы измерителей декартовых координат точечных источников оптического излучения. Изготовлены действующие'макеты приборов и проведены их лабораторные испытания.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Замятин В.И., Бледков A.B., Лапкин С.А. Оптико-злект-ронный измеритель для робототехнических комплексов и систем уп-равления//Оптоэлектронные устройства в приборостроении и информатике. - Тбилиси, 1985. - с.81-33.

2. Замятин В.И., Лапкин С.А. Алгоритм определения положения объектов в шестимерном пространстве//Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные уотройства на их основе:Тез. докл. к третьему Всесоюзному совещанию.Ч.1. - Барнаул, 1985. -с,58.

3. Лапкин С.А. Расчет чувствительности фотодиодных структур к импульсным потокам излучения// Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе:Тез. докл. к третьему Всесоюзному совещанию, 4.1. - Барнаул, 1985. -с.57.

4. Лапкин С.А., Березиков А.П., Бледнов A.B. Оптико-электронный локатор'с дальномером геометрического типа. Координатно-чувствительные фотоприемкики и оптико-электронные устройства на их основе: Тез. докл. к третьему Всесоюзному совещанию. 4.1. -Барнаул, 1S85. - с.67-,68.

5. Лапкин С.А., Каретникова E.H.Алгоритм оптимальной фильтрации сигналов оптоэлектронкых устройств на фоке шумов// Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные уст-

ройства на нх основе: Тез. докл. к третьему Всесоюзного совещанию. Ч.З. - Барнаул, 1985.'- с. 160,

6. Госьков П.И., Замятин В.И., Лапкин С.А., Баталов A.A., Масленников C.B. Многопроцессорная система для определения взаимных координат объектов на основе фотодиодных структур// Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе: Тез. докл, к третьему Всесоюзному совещанию. 4.1.- Барнаул, 1988. - с.56-59,

7. Госьков П.И,, Замятин В.И., Лапкин С.А. Помехоустойчивые измерители координат импульсных источников излучения на основе фотодиодных структур// Координатно-чувствнтельные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе:Тез. докл. к четвертому Всесоюзнрму совещанию.4.1.-Барнаул, 1987. - 0.218221.

8. Госьков П.И., Замятин В.И., Лапкин С.А. Алгоритмы определения положения объекта в пространстве// Координатко-чувстви-тельныэ фотоприемники и оптико-электронные устройства ка их основе: Тез. докл. к четвертому Всесоюзному совещанию.4.1. - Барнаул, 1987. - с.221-222.

9. Госьков П.И..Замятин В.И..Колотилин Д.Д..Лапкин С.А.Помехоустойчивый измеритель угловых координат на основе ЛФ-1024// Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе: Тез. докл, к четвертому Всесоюзному совещанию.' 4.1. -Барнаул, 1988, - с.51.

10. Госьков П.И., Замятин В.И.,Лапкин С.А..Масленников C.B. Помехоустойчивый измеритель угловых координат на основе фотоди-эдных матриц// Информационный листок N509-88,-Барнаул¡Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1988. - Зс.

11. Госьков П.П., Замятин В.И.,-Лапкин С.А,.Масленников.С.В. Система измерения координат излучения в трехмерном пространстве '/ Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на ix основе: Тез. докл. к четвертому Всесоюзному совещанию. 4.1.->арнаул, 1988. - с.45-46.

12. Замятин В.И., Лапкин С.А., Колотилин Д.Д. Автоматизиро-;анная система для проведения научных исследований оптико-злек-ронкых преобразователей изображения// Оптические сканирующие отройстЕа « измерительные приборы на их основе: Тез. докл, к етвертому Всесоюзному совещанию.4.1,- Барнаул, 1923. - с.44.

13. Госьков П.И., Замятин В.И., Лапкин С.А.Оптико-электрон-ные системы измерения полярных и декартовых координат оптического излучения// Координатно-чувотвительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе: Тез.докл. к пятому Всесоюзному совещанию. 4.2. - Барнаул,1989, -с.135-135.

14. Госьков П.И., Замятин В.И., Лапкин С,А., Колотилин Д.Д. Автоматизированная сиотема ввода оптической информации в ЭВМ// Информационный лиоток N89-14. - Барнаул:Алтайский межотраслевой территориальный ЩГГИ, 1989. - 4с.

15. Госьков П.И., Замятин В.И.,Лапкин С.А..Масленников C.B. Помехоустойчивый измеритель угловых координат на основе фотодиодных матриц// Приборы и техника эсперимента.- 1990. - N2. -0.248. ;;

16. Замятин В.И., Лапкин С.А.Оптико-электронная система измерения декартовых координат импульсного излучения на основе трех фотодиодных линеек//Информационный листок N 57 . - Барнаул ¡Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1SS2. - 4с.

17. Замятин В.И., Лапкин С.А. Система измерения декартовых координат импульсного источника излучения на основе фотоприемных линеек и устройств наведения//Информационный листок H 46 .

- Барнаул: Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 19S2.

- 4о. . '

18. Замятин В.И., Лапкин С.А. Система измерения декартовых координат импульсного источника излучения с заданным диаметром// Информационный листок N 47 . - Барнаул¡Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1992. - 4с.

19. Замятин В.И.,Лапкин С.А.Оптико-электронная система контроля декартовых координат импульсного излучения на основе фотодиодных матриц// Информационный листок N 50 . - Барнаул: Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1992. - 4с.

20.Замятин В.И., Лапкин С./. Система измерения декартовых координат источника импульсного излучения на основе фотоприемной матрицы и оптического дальномера// Информационный листок N 48 . -Барнаул¡Алтайский межотраслевой территориальный ЦНТИ, 1992. - 4с. '

21. А.с.255582 СССР, ЫКИ С01БН04. Устройство координатоиет-рни/ Госьков П.И., Замятин В.И.,Лапкин С.А..Масленников C.B.

^//Ulu---