Устройство для определения положения и ориентации объекта

(51) 3 С ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР НОМИТЕТОТНРЬП ИЯМ лектро ЕНИЯ ПОЛО зобретение относимерительной те ия - повышение 57) ся к кон нике. Це информат ольно-иззобретености за л ивя шести ложение очет определен пределяющих и рдин 4 Ф уф 1 11, СОК)3 СОВЕтсних 4 Р","= СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ - РЕСПУБЛИН(71) Институт радиофизики иники АН АрмССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЖЕНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА БО 35 62 О 4 А 1 ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности считывания информации о его положении, по вышение достоверности за счет устранения .влияния импульсных световых помех от посторонних. источников и по вышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех. Коллимирующая линза 5, установленная в полом валу 3 механиз ма 2 сканирования с поперечным смеще нием относительно фокусирующей линзы 4, образует в совокупности с ней телескоп, с помощью которого из луча лазера 1 формируется луч с малым угловым расхождением, сканирующий конт1536204 рблируемую зону пространства, описывая в процессе сканирования коническую поверхность. Мишень 11, закрепляемая на объекте, выполнена в видекреста, четыре луча которого образованы соотвественно четырьмя группамй по Ы фотоприемных ячеек 16, ИнФОрмация о положении объекта считыв ется непрерывно путем регистрациин меров засвечиваемых в процессе скан рования лазерным лучом фотоприемн х ячеек 16 и показаний Б-разрядног цифрового преобразователя 6 угла,р сположенного на валу 3. Эта информация используется для вычисления Изобретение относится к контрольн -измерительной технике и может быть и пользовано для автоматического конт оля в динамике положения и ориентации в заданяой области пространства различных объектов, например платформ с,аппаратурой, антенных устройств и т.п.Целью изобретения является повышенИе информативности за счет определе ния шести координат, определяющих положение и ориентацию объекта в пространстве, повышение точности за счет обеспечения малой угловой расходимости сканирующего луча и дискретности сЧитывания информации о его положе 35 нии, повышение достоверности за счет усстранения влияния импульсных светов х помех от посторонних источниковповышение разрешающей способности за счет уменьшения влияния фоновых световых помех.На Фиг.1 представлена блок-схема устройства; на. Фиг.2 - структурная схема блока обработки информации;на 45 фиг,3 - устройство фотоприемной ячейки; на фиг.4 - временные диаграмМы, иллюстрирующие работу блоков обработки информации; на фиг.5 - кре стообразная мишень и траектория свеового пятна - проекции лазерного луча - на плоскость мишени при отСутствии ее наклона относительно оптической оси лазера; на фиг.6 - случай взаимного расположения конуса55 Сканирования и системы координат,свяЗанной с объектом.Устройство содержит (фиг.1) лазер1, механизм 2 сканирования с полым шести координат, необходимых и достаточных для определения положенияи ориентации обьекта в пространстве.Устранение влияния импульсных световых помех осуществляется путем ихвременной селекции относительно информационных импульсов в четырех блоках 7 - 10 обработки информации. фотоприемная ячейка 16, выполненная ввиде бленды с установленным внутринее оптическим полосовым Фильтром,осуществляет селекцию полезного оптического сигнала относительно фоновой световой помехи по угловым отклонениям и спектру, 2 з,п.ф-лы, 6 ил,валом 3, установленный по ходу лазерного луча так, что ось полого вала 3 механизма сканирования (вала 3)совпадает с оптической осью лазера 1,фокусирующую линзу 4, установленнуюмежду валом 3 и лазером 1 соосно егооптической оси, коллимирующую линзу5, закрепленную внутри вала 3 так,что ее главная оптическая ось параллельна оптической оси лазера 1, носмещена относительно нее М-разрядный цифровой преобразователь 6 угла(ЦПУ), расположенный на валу 3, четыре блока 7-10 обработки информации,первая группа из М входов каждого изкоторых соединена соответственно сМ выходами ЦПУ 6, и мишень 11, закрепляемую на контролируемом объекте, выполненную в виде прямого креста, четыре луча 12-15 (полуоси 12-15)которого образованы соответственночетырьмя группами по Н линейных и сравномерным шагом расположенных фотоприемных ячеек 16 (фП ячеек 16),выходы которых соединены соответственно с вторыми гругпами из И входов соответствующих блоков 7-10 обработки информации, четыре группы выходов которых являются выходами устройства и предназначены для соединения с многоразрядной шиной интер-фейса ЭВМ,Каждый из четырех блоков 7-10 обработки информации состоит (Фиг.2)из Б селективных предусилителей 17,17,.171 (на фиг.2 условно показан только один селективный предусилитель М ), входы которых образуют вторую группу из Б входов536204 10 15 20 25 30 35 40 45 5055 соответствующего блока 7 - 10 обработки информации, формирователя 18 кода номера (формирователя 18 када) и формирователя 19 импульса пересечения (формирователя 19 импульса), Б входов каждого иэ которых соединены соответственно с выходами Н селективных предусилителей 17,17;,17 н, регистра 20 когда угла (регистра 20), М входов которого представляют собой первую группу из М входов соответствующего блока 7 - 10 обработки информации, а многоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя 18 кода в группу выходов соответствующего блока 7 10 обработки информации, и формирователя 21 временного интервала (формирователя 21 интервала), выход которого соединен с блокирующими входами формирователя 18 кода, формирователя 19 импульса и регистра 20, а вход объединен с входом синхронизации регистра 20 и соединен с выходом формирователя 19 импульса.Какждая из 4 Б фотоприемных ячеек 16 состоит (фиг.3) из бленды 22 с углом раскрытия, соответствующим максимальному контролируемому значению угла наклона объекта относительно оптической оси лазера 1, в которой установлены по ходу сканирующего луча соосно ей (бленде 22) оптический полосовой фильтр 23, оптическая линза 24 и фотоприемный диод 25, приемной поверхностью помещенный в фокусе линзы 24.Устройство работает следующим об- разом.В исходном положении оптическая ось лазера 1 направлена в центр мишени 11 по нормали к ее плоскости. Коллимирующая линза 5 расположена на таком расстоянии от фокусирующей линзы 4, чтобы диаметр светового пятна - проекции лазерного луча - не превышал размера ФП ячейки 16.Механизм 2 сканирования приводит во вращение вал 3, обеспечивая сканирование мишени 11, при котором луч лазера 1 описывает правильнУо коническую поверхность с заданным углом 2 раскрытия конуса. Угол 7 определяется соотношением:= агсц ЫЯк, где 111 - расстояние между главной оптической осью коллимирующей линзы 5 и оптической осью лазера 1; Е фокусное расстояние коллимирующей 6линзы 5. При выборе угласоблюдается также следующее условие: в исходном положении (при отсутствии отклонений и смещений объекта с мишенью 11) пересечение лучом лазера 1 полуосей 12 - 15 мишени 11 происходит ориентировочно в середине каждой иэ полуосей 12 - .15. Диапазон контролируемых перемещении и отклонений объекта с мишенью ограничивается условием: при каждом обороте вала 3 сканирующий луч лазера 1 пересекает каждую из четырех полуосей 2 - 15 мишени 11. Таким образом, указанный диапазон зависит от размеров мишени 11. Одновременно со сканированием мишени лазерным лучом механизм 2 сканирования вращает ЦПУ 6 таким образом, что текущее значение кода угла однозначно соответствует текущему значению угларазвертки. Для рациональной обработки информации значение Ы. =0 совмещено с одной из полуосей (например, 12), которая принимается за положительное направление оси Х, Совмещение механизма 2 сканирования, коллимирующей линзы 5, ЦПУ 6 на одном валу 3 обеспечивает после юстировки наименьшие погрешности геометрии оптического тракта и точное соответствие регистрируемого угла УглУ Ы развертки.При пересечении лучом лазера 1 ФП ячейки 16 полуоси 12 мишени 1 в ней генерируется электрический импульс, поступающии в блок 7 обработки информации, Аналогично при пересечении лучом лазера 1 полуосей 13, 14, 15 импульсы поступают соответственно на блоки 8, 9, 10 обработки информации. Сигналы с блоков 7-10 обработки информации поступают на выход устройства и далее на многоразрядную шину интерфейса ЭВМ для последующей обработки.Каждый из блоков 7 - 10 обработки информации работает следующим обра-.;зом.Световой поток, состоящий из светового импульса (фиг.4 а) лазерного луча, попадающего на ФП ячейку 16 в процессе сканирования фоновой засветки и импульсной помехи (фиг.4 б),.преобразуется фотоприемным диодом 25 в электрическии сигнал (фиг,4 в) и поступает на вход соответствующего селективного предусилителя 17 В селективных предусилителях 7 17;,,171 осуществляются селекция и формирование импульсов с логическим уровнем, соответствующих световым импульсам на входах ФП ячеек 1 б (фиг,4 г), Сигналы с выходов И селектинных предусилителей 17 1.7,.,.,17поступают в формирователь 19 импульса, где формируется одиночный импульс независимо от того, на какй вход поступил импульс. Сигналы с,селективных предусилителей 171 17, 171 поступают также на входы формирователя 18 кода засвечиваемой ФП ячейки 16, где определяется нОмер и формируется код номера засве, чиваемой ФП ячейки 16. Выделение информативных лазерных импульсов осущЕствляется блокирующими импульсамй (фиг.4 д), формируемыми задними фронтами информативных импульсов от лазера 1 (фиг.4 е). Длительность защитного временного интервала опредвляется из соотношениягде Т . - длительность защитногоинтервала;Т- период сканирования;- длительность импульса отлазерного луча на выходеФП ячейки 16;1: - максимальная нестабильность периода разверткиза время одного оборотавала 3;- максимальное значение вре 3менного интервала, вносящего поправку в период .встречи лазерного луча сданной полуосью мишени 11вследствие движения объектта, который, двигаясь навстречу сканирующему лучуили от него, будет изме-;нять период Твстречиполуоси мишени 11 с лучомв сторону сокращения илиувеличения соответственно.Блокирующий импульс с выхода формирователя 21 интервала поступает на входы блокировки формирователя 18 кода, формирователя 19 импульса и регистра 20, В регистре 20 записывается код угла сканирования с ЦПУ 6 в момент пересечения лазерного луча с полуосью 12 (13, 14, 15) мишени 11.Этот мОмент определяется появлением на входе синхронизации регистра 20 им 1 О 15 20 25 ЗО 35 40 50 55 пульса, который поступает с выходаформирователя 19 импульса.Выходной код от формирователя 18кода засвечиваемой ФП ячейки 16 икод угла регистра 20, соответствующийданному моменту пересечения, передаются на выход устройства и далее намногоразрядную шину интерфейса ЭВМдля дальнейшей обработки и вычислениякоординат объекта.Луч лазера 1 представляет собойпараллельный пучок света, отличающийся узкой (по длине волны) полосой,Пересекая в процессе сканированиясоответствующую ФП ячейку, 16, лазерный луч совместно с фоновой световойпомехой попадает на оптический полосовой фильтр 23, который селектирует лазерный луч по спектру относительно фоновой световой помехи. Затем лазерный луч фокусируется оптической линзой 24 на приемную поверхность фотоприемного диода 25, генерируя на его выходе информационныйэлектрический импульс.,При отсутствии наклона мишени 11(фиг.5) относительно оптической осилазера 1 (фиг.1) траектория 26 (фиг.5)светового пятна 27 (проекции лазерного луча на плоскость мишени 11)представляет собой окружность, Однако в общем случае траектория светового пятна 27 представляет собойэллипс, эксцентриситет и ориентациякоторого относительно асейи ркрчстовидной мишени 11 зависят оториентационных характеристик объекта, задаваемых, например углами Эйлера (фиг,б):1 - полярный угол 1 между осью 2 неподвижной системы ХУ 2 и осьюсис, темы, связанной с объектом,который. показывает наклон объектаотносительно оптической оси лазера1 (фиг.1);Ц - азимутальный угол линии узлов1 в системе ХУ 2, который показывает,в какую сторону наклонен объект;азимутальный угол линии узлов.1 в системе, связанной с объектомкоторый показывает поворот объекта, претерпевшего пока лишь наклон 1 , вокруг осиМалая полуось эллипса траекториисветового пятна по плоскости ( -,)в процессе сканирования и его местонахождение на этой плоскости яв1536204 10 ляются функцией пространственного положения объекта: удаленности Е от вершины конуса сканирования вдоль его оси и поперечного смещения (Х У ) от оси конуса,. В процессе сканирования лазерный луч пересекает четыре полуоси 12 - 15 (фиг,1) мишени 11 в точках с координатами+ Фкоторые регистрируются устройством в виде номеров, засвечиваемых+ лазерным лучом ФП ячеек 16: 11, М, И, НКоординаты и номера связаны при этом через шаг квантования ц четырех полуосей 12, - 15 соотношением:Я с 1 ф=-и 1; (2)Е =,-11 Ц; О Одновременно с появлением импуль-. са на одной из полуосей 12 - 15, на- пример на, в соответствующем блоа(ке 7 - 10 обработки информации (фиг.1) записывается угол сканирования, на+пример О . С завершением одного полного оборота лазерного луча Четыре пары зарегистрированных данных (ьФ + + Ы , ), несущих полезную информацию, поступают с выходов блоков, 7 - 10 обработки информации во внешнее, по отношению к данному, устройство (ЗВМ) для вычисления. прост" ранственных и угловых координат Хоф(-вдп( здп(1)+сову сов соз 1 )+д ( соя(1)ядп 1 +2 )сц "здпЫ,ь дпдля исчерпывающей характеристики четвертой пары уравнений в (3) при35положения объекта в пространстве не- появлении четвертого пересечения пуч-. обходимо и достаточно знать шесть ко- ка с осьюв точкезначения шесординат (ХУОЕоЮ) )однако ти характеристик корректируются, исв системе (3 положение объекта опи- ходя иэ последних трех пар уравнений сывается восемью уравнениями, таким 40 (3). Таким образом, информация о по- образом, любые два уравнения из сис- ложении объекта считывается непретемы (3) вытекают из остальных шести, рывно посредством регистрации номеров Например, если даны (,ф, , с, , засвечиваемых ФП ячеек 16 и снятия, Ы, ), то ( ,К) получаются авто- показания с М-разрядного ЦПУ 6 в три матически, что геометрически соответ- последовательных момента пересечения ствует нахождению четвертой точки пе- сканирующего лазерного пучка с полуресечения лазерного луча с мишенью осями 12-15 крестовицной мишени 11.11, а лишняя, с точки зрения статики, пара уравнений в системе (3) ис- Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я пользуется в вычислениях для коррекции Динамики. Например, после набора501. Устройство для определения по- трех первых пар уравнений системы ложения и ориентации объекта, содер- (3) после пересечения лазерным лу-: жащее лазер, установленные по ходу+ +чом осейив трех точках, , лазерного луча фокусирующую линзу иимея к тому же углы с,о+, РСмеханизм сканирования лазерного лу.Х 55сканирования, при которых произошли , ча по образующей конуса, полый вал эти пересечения, определяются значе- которого соосей лазерного лучу, М-разния шести характеристик объекта (Хо, рядный цифровой преобразователь угла, Уо, Е , 1, ,( ), С возникновением расположенный на полом валу меха 1536204ю щени Устройство по п,1, о т л и ч ае с я тем, что, с целью повыдостоверности за счет устраненизма сканирования; и мишень, выполненную в виде креста, закрепляемую на контролируемом объекте, о т л и - Ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения информативности за счет Определения шести координат, определяющих положение и ориентацию объкта в пространстве, и повышения точности за счет, обеспечения малой угловой расходимости сканирующего уча и дискретности считывания .инормации о его положении оно снабено коллимирующей линзой, закрепенной внутри полого вала механизма канирования так, что ее главная опическая ось параллельна оптической оси лазера и смещена относительно ее, и образующей с фокусирующей лин ой телескоп, четырьмя блоками обраотки информации, первая группа из М входов каждого из которых соединеа соответственно с М выходами цифового преобразователя угла, и четырьмя группами по Н фотоприемных ячеек, расположенными с равномерным агом на четырех полуосях мишени, ыходы каждой группы фотоприемных чеек соединены соответственно с вто ой группой из Я входов соответствующего блока обработки информации,четыре группы выходов четырех блоХов обработки информации являются вь Ходами устройства. ния влияния импульсных световых помех от посторонних источников, каждый из четырех блоков обработки информации выполнен в виде Б селективных предусилителей, входы которыхобразуют вторую группу из И входовблока обработки информации, формирователя кода номера и формирователяимпульса пересечения, Б входов каждого из которых соединены соответственно с выходами И селективных предусилителей, регистра кода угла, М входов которого представляют собой первую группу из М входов блока обработ-ки информации, а многоразрядный выход объединен с многоразрядным выходом формирователя кода номера вгруппу выходов блока обработки информации, и формирователя временногоинтервала, выход которого соединен сблокирующими входами формирователейкода номера и импульса пересеченияи регистра кода угла, а вход объеди нен с входом синхронизации регистракода угла и соединен с выходом формирователя импульса пересечения.3. Устройство по п,2 о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения разрешающей способности засчет уменьшения влияния фоновых световых помех каждая из 4 И фотоприемных ячеек выполнена в виде бленды,в которой установлены по ходу сканирующего луча соосно ей оптический полосовой фильтр, оптическая линза ифотоприемный диод, приемной поверхностью помещенный в фокусе линзы,