Способ измерения положения объекта

(1)5 С 01 В 21/О АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТНТ СССР ГОС ПО И Ф,.:"ау с САНИЕ ИЗОБРЕТЕН А ВТОРИЧНОМУ ТЕЛЬСТВ ий технич С.Саенко чност меров др. Оелейматри истемый инЬор ып.5.(54) СП ОБЪЕКТА (57) И тельнои зовано Б ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕ ди я путем яркос низко в о(56) Бессарабов Н.В. иоптоэлектронных иэмерии перемещений на ППЗ сорганизацией. - В кн,;и обработки измерительТаганрог, ТРТИ, 1983,обретение относится к измеритехнике и может быть испольдля измерения перемещений и ат объектов. Цель изобретеовьппение точности измерения сключенйя влияний изменений изображения, значительных стотных помех, дрейфа параметопреобразователя и параэитных эасветок Фотопреобразователя. На Фотопреобразователь 4 на ПЗС проецируют изображение диафрагмы 2 таким образом, чтобы ширина изображения была бы больше периода расположения Фоточувствительных ячеек фотопреоб- разователя 4 на ПЗС, Преобразовывают изображение в видеосигнал. ПолученК 1 ный видеосигнал сравнивают с 2 где К 1 ь 1 - целое, огорными уровнями в блоке 6 сравнения,. При каждом сов- падении сигнала с опорным уровнем Формируется временной интервал, длительность которого измеряется подсчетом импульсов счетчиком 10 Блок 11 цифровой обработки осуществляет сум- д мирование длительностей всех сформированных интервалов за К, где К 21 -целое, периодов видеосигнала. Блок 7 обнаружения ошибки фиксирует превышение верхнего опорного уровня в каждом периоде видеосигнала. По коду суммы длительностей временных .интервалов судят о положении объекта. 10 ил,ВкхйИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений и координат объектов,5Цель изобретения - повышение точности измерения путем исключения влияний изменений яркости изображения, значительных низкочастотных помех, дрейфа параметров фотопреобра зователя и тракта аналоговой обработ" ки видеосигнала и паразитных засвегок регистра сдвига Фотопреобразоватепя, имеющих значительные низкочастотНые составляющие пространственного 15 спектра.На фиг. 1 дана функциональная схема устройства для осуществления способа измерений," на фиг,2 - схема блоМа управления; на Фиг.3 - схема блока 20 цифровой обработки; на фиг,4 - схема блока. управления записью на фиг.5 -р Ф схема блока обнаружения ошибки; на фиг.б - вариант исполнения формирователя стробов записи; на фиг,7 - диа-,25 граммы напряжений, поясняющие работу блока сравнения; на фиг.8 - диаграиМы напряжений, поясняющие работу блока управления записью; на Фиг.9 - диаграммы напряжений, поясняющие ра боту блока обнаружения ошибки; на фиг.10 - эскиз формы видеоиипульса " при различных освещенностях.Устройство, реализующее способ измерения положения объекта, содержит оптически связанные источник 1 света, диафрагму 2, объектив 3 и Фотопреобразователь 4 на приборе с зарядовой связью (ПЗС), последовательно соединенные блок 5 выборки, блок 6 срав йения, блок 7 обнаружения ошибки и регистратор 8, последовательно соединенные блок 9 управления, счетчик 10, блок 11 цифровой обработки, Вход блока 5 выборки подключен к выходу фото преобразователя 4 на ПЗС, к управляющему входу которого поцключен второй выход блока 9 управления, третий выход которого подключен к объединенным второму входу счетчика 10 и второму входу блока 7 обнаружения ошибки, третий вход которого объединен свторым входом блока 1 1 цифровой обработки и подключен к четвертому выходу блока 9 управления, пятый выход55 которого подключен к третьеиу входублока 11 цифровой обработки. Шестой выход блока 9 управления подключен к второму входу блока 5 выборки, Второй выход блока 6 сравнения подключен к четвертому входу блока 11 цифровой обработки, информационные выходы которого подключены к информационным входам регистратора 8.Блок 6 сравнения (фиг.2) можетсодержать блок 12 компараторов, содержащий 2", где К1, целое,компараторов, источник 13 опорныхнапряжений и формирователь 14 стробов записи, Источник 13 опорных напряжений подключен своими выходамик управляющим входам блока 12 компараторов, первый вход которого является входом блока 6 сравнения.Выходы блока 12 компараторов подключены к входу формирователя 14стробов записи. Выход верхнего опор-.1ного уровня блока 12 коипараторовявляется первым выходом блока 6 сравнения, вторым выходом которого является выход формирователя 14 стробовзаписи,Блок 11 цифровой обработки (фиг.З)может содержать блок 15 задержки,блок 16 управления записью результатаи последовательно включенные регистр17 номера импульса заполнения, входыкоторого являются первыми входами блока 11 цифровой обработки, накапливающего сумматора 18 и регистра 19результата, причем вход блока 15 задержки и вход записи регистра 17 номера импульса заполнения объединеныи являются четвертым входом блока 11цифровой обработки, выход блока 15задержки подключен к входу записинакапливающего сумматора 18, выходырегистра 19 являются информационнымивыходами блока 11 цифровой обработки.Вход установки и вход регистровойчастоты блока 16 управления записьюрезультата являются соответственновторым и третьим входами блока 11цифровой обработки. Выходы сигналовсброса и записи блока 16 управлениязаписью результата подключены, соответственно, к входу сброса накапливающего сумматора 18 и входу записирегистра 19 результата.Блок 16 управления записью результата (фиг,4) содержит КБ-триггер 20,вход установки которого является входом установки блока 16, первый 21 ивторой 22 Э-триггеры, причем информационный вход первого В-триггера21 объединены с прямыи выходом ВБтриггера 20, прямой выход - с инфор52003 5 15 мационным входом второго Р-триггера22 и является выходом записи блока16 управления записью результата,Прямой выход триггера 22 подключенк входу сброса КЯ-триггера 20 и является выходом сброса блока 16 управления записью результата. Входы синхронизации первого 21 и второго 22Р-триггеров объединены и являютсявходом регистровой частоты блока 16управления записью результата,Блок 7 обнаружения ошибки (фиг,5)содержит первый Р-триггер 23, входсинхронизации которого является первым входом блока 7 обнаружения ошибки, второй Р-триггер 24, информационным входом подключен к прямому выходупервого Р-триггера 23, а прямым выходом - к информациончому входу первого Р-триггера 23 и к выходу блока7 обнаружения ошибки, формирователь25 сигнала сброса, входом подключенный к третьему входу блока 7 обнаружения ошибки, логический элемент ИЛИ 26, первый вход которого является вторым входом блока 7 обнаружения ошибки и подключен к входу синхронизации второго Р-триггера 24. Второй вход логического элемента ИЛИ 26 подключен к выходу формирователя 25 ивходу установки второго Р-триггера 24, а выход - к входу сброса первого Р-триггера 23.Формирователь 14 стробов записи (фиг,б) содержит первый 27, второй 28, третий 29 и четвертый 30 логические элементы ИСК 1 ПОЧАЮЩЕЕ ИЛИ и элемент 31 задержки. Входы первого 27 и второго логических элементовИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются входами формирователя 14 стробов записи. Выходы первого 27 и второго 28 логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены соответственно к входам тре-, . тьего логического элемента ИСКЛЮЧА 10- ЩЕЕ ИЛИ 29,первый выход которого подключен к первому входу четвертогологического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ30, к второму входу которого подключен выход элемента 31 задержки, входкоторого подключен к второму входутретьего логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 29. Выход четвертого логического элемента ИСКЛ 10 ЧА 10 ЩЕЕ ИЛИ 30является выходом формирователя 14стробов записи.Способ осуществляется устройствомследующим образом. Источник 1 света освещает диафрагму 2. связанную с объектом. Изображение формируется объективом 3 на поверхности фотопреобразователя 4, Приизменении положения объекта происходит перемещение иэображения связаннойс ним диафрагмы 2 по поверхности фотопреобразователя 4, Под управлениемблока 9 управления на выходе фотопреобразователя 4 на ПЗС формируетсяпоследовательность видеоимпульсов(фиг,7), амплитуды которых пропорциональны распределению освещенностей в иэображении диафрагмы 2,С выхода фотопреобразователя 4 наПЗС видеоимпульсы П (фиг.1) поступают на вход блока 5 выборки, гдеиз них с помощью двойной коррели рованной выборки с последующейфильтрацией фильтром нижних частотвыделяется огибающая П, пачки видеоимпульсов. Управление двойной кор релированной выборкой осуществляется 25 с помэщью сигнала, подаваемого с блока 9 управления. Сигнал Пд с выходаблока 5 выборки поступает на первыевходы 2компараторов блока 12 ком- К(параторов, на вторые входы которыхкподана опорные уровни Пде е е е еПопрот источника 13 опорных напряжений.Сигналы Н (фиг,2), образующиеся врезультате компарирования, поступаютс выходов компаратора на входы формирователя 14 стробов записи, вырабатывающего на выходе последовательность стробов П записи по положительным и отрицательным фронтам импульсов П, В рассматриваемом примере 40 реализации устройства К =2, следовательно, на фиг.7-9 использованочетыре компаратора и на выходе формирователя 14 вырабатывается 8 стробовзаписи. С выхода импульсов заполне ния блока 9 управления на счетныивхоп счетчика 10 импульсов частотызаполнения поступают импульсы П частоты заполнения. С выхода импульсоввремени сдвига блока 9 управления на 50 вход сброса счетчика 10 импульсовчастоты заполнения поступают импульсыЬ длительностью Т (время переписизарядовых пакетов из секции накопления в регистр сдвига фотопреобразователя 4 на ПЗС) и с периодом Тс (времясдвига зарядовых пакетов в регистре фотопреобразователя 4 на ПЗС). Насчетный вход счетчика 10 поступаютимпульсы Н частоты заполнения, Поположительному уровню импульсов Пбсчетчик 10 сбрасывается и находитсяв сброшенном состоянии в течениевремени переписи Тв,По положительному фронту каждогостроба И записи, поступающему навход записи регистра 17 номера импульса заполнения, записывается кодсодержимого счетчика 10 подсчитывающего импульсы частоты заполнения,а по положительному Фронту каждогоимпульса, задержанного блоком 15 задержки строба записи, код, хранящийся в регистре 17 номера импульса заполнения, складывается в накапливающем сумматоре 18 с накопленной в немсуммой. По положительному фронту импульсов 20 П в блоке 9 управления формируется сигнал П "Рабочий цикл". Например, по положительному фронту первого импульса Пв на выходе сигнала рабочего цикла блока 9 управления появляет ся перепад напряжения Пз, являющийся началом сигнала "Рабочий цикл", а погфположительному Фронту 2 импульса, где К-. 1 - целое, П; - отрицательный фронт сигнала П, определяющий 30 конец сигнала "Рабочий цикл" (фиг.8). Сформированный сигнал Рабочий цикл" подается на вход установки Я КЗ-триггера 20, С шестого выхода блока 9 управления на входы синхронизации первого 21 и второго 22 Э-триггеров подаются импульсы Пн регистровой частоты, По отрицательному Фронту импульса О КБ-триггер 20 устанав-.вч ливается и напряжение П,в логическои "1" с его прямого выхода передается на информационный вход первого Э-триггера 21. С приходом на вход синхронизации первого В-триггера 21 положи,тельного фронта очередного импульса Пн регистровой частоты, он устанав 13 11 лива ется в состояние логической 1 на ег о прямом выходе формируется положит едьный фр онт сигнала П записи результата , и о которому результат измерения переписывается из накапливающег о сумматора 1 8 в регистр 1 9 р ез ультата , причем на информационные входы регистра 1 9 результата подается код суммы начиная с ( К+К+ 1 ) / 2-го младшего разряда и к ончая старшим раэр ядом . Такое подключение эквивалентно сдвигу кода суммы на (К+К+ +1)/2 разрядов вправо, т.е. делению суммы на 2г+1, где К К " целые, К1, К.Выбор количества учитываемых в результате разрядов основан на следующих соображениях. Пусть а=2М число эталонных уровней в блоке 6 сравнения, Результат измерения полуг чаютпутем суммирования а =2 г результатов одиночных измерений. Случайные погрешности измерения при этом уменьшаются в первом приближении в п раз, где п = 2а, а - общее число суммирований за рабочий цикл. Если суммируемые коды имеют Р раэрядов, то для представления результата и суммирований требуется Р =Р+1 с 8 и= =Р+1+КеК разрядов. Если бы погрешность результата не зависела от количества измерений, для представления результата было бы достаточно Р стар.ших разрядов суммы. Для отображения дополнительной информации, обеспечивающей уменьшение погрешности в п раз, необходимо дополнительно- 1 1108 -п= -- 1 о 8 и= -- (К +К +1)22двоичных разрядовТогда в результа 1/1не учитывать Р -Р= -- (К +К +1)2младших разрядов суммы. Резульчатизмерения, записанный в регистре 19,далее поступает на регистратор 8,в котором производится масштабирование и дальнейшая обработка. В качестве регистратора в рассматриваемом варианте использована микроЭВИ,Блок 7 обнаружения ошибки работает следующим образом, С приходом положительного фронта сигнала 08 "Рабочий цикл" формирователь 25 импульса сбродса вырабатывает короткии импульс, устанавливающий первый Э-триггер 23 в состояние логического "0", а второй - в состояние логической "1". Если за время измерения произошло превышение верхнего опорного уровня, состояние логической "1 ф будет переписано из второго В-триггера 24 в первый и с приходом очередного сигнала ТП состояние логической "1" бу.дет вновь записано во второй 0-триггер, т.е. его состояние не изменится и на выходе блока обнаружения ошибки состояние логической "1", означавшее.что результат измерения действителен, первый Р-триггер будет сброшен. Если эа время измерения превышение верхне" Го опорного уровня не произойдет к моменту прихода следующего сигнала ТП первый Р-триггер 23 будет в состоянии логического "0" и зто состояние будет переписано во второй Р- триггер 24. На выходе блока 7 обнаружения ошибки установится уровень логического "0", сигнализирующий о том, что результат измерения недействителен, Это состояние сохранится до начала следующего рабочего цикла и должно анализироваться регистратором,Ширина изображения диафрагмы должна существенно превышать шаг ячеек фотопреобразователя. И чем она больше, тем больший участок фотопреобраэователя соответствует зоне срабатывания компараторов и тем значительнее при достаточном количестве уровней будет усреднение характеристик фоточувствительных ячеек. Верхний предел шири ны фронтов видеосигнала определяется крутизной, необходимой для четкого срабатывания компараторов,. Кроме того, широкий видеосигнал неизбежно обладает плохой симметрией, например, 30 из-за неравномерной освещенности.На фиг,10 приведены типичные формы видеосигналов, образуемых узкой диафрагмой в условиях отсутствия насыщения (кривые 1,2) и при значительных искажениях сигйала из-за .сильной пересветки (кривая 3), сохраняющей, однако, симметричность.сигнала в зоне действия компараторов. Формула и э о б р е т е н и яСпособ измерения положения объекта, заключающийся в том, что проецируют на фотопреобразователь изображение диафрагмы, связанной с объектом, преобразуют спроецированное изображение в видеосигнал, сравниваю напряжение видеосигнала с 2опорнымиКуровнями, где К, . 1, формируют временные интервалы от момента начала опроса фотопреобразователя до моментаравенства напряжения видеосигнала каждому из 2" опорных уровнейнапряжения, измеряют временные интервалы путем заполнения их счетными импульсами, суммируют количество импульсов, соответствующих каждому временному интервалу в течение одного периода видеосигнала, измеряют положение объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения, точности измерений, формируют иэображение диафрагмы, ширина которого больше периода светочувствительных ячеек фото- преобразователя, опорные уровни выбирают в зоне осевой симметрии видеосигнала изображения диафрагм, суммируют количество импульсов 2 периК одов видеосигнала, где К.1, фиксируют превышение верхнего опорного уровня напряжением видеосигнала в каждом его периоде, по коду суммы су-, дят о положении объекта1552003 оставитель В.Козлов едактор А.Шандор Техред И,Дидык, Корректор фПожощщ эааказ НИИП м при ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород Гагарина, 1 22 Тираж 481Государственного комитета по113035, Москва, ЖПодписное бретениям и открыт аушская наб., д. 4