Устройство для дистанционного определения углового положения и угловой скорости вращающегося объекта с двумя степенями свободы

(51)5 6 01 Р 3 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕЯОУСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР ЕТ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ОРСКОМ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ И УГЛОВОЙ СКОРОСТИВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА С ДВУМЯСТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ(57) Изобретение относится к технике дистанционного измерения .углового положения и угловой скорости объектов сиспользованием оптических средств. Цельюизобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счетодновременного измерения скорости враИзобретениелового положениятов с использовапервичного измения и касается усного определениугловой скоростидвумя степенямижет быть использоственного сленаведения, в сисления характеристческих системобъектов. относится к измерению уги угловой скорости обьекнием оптических средств рительного преобразоватройства для дистанционя углового положения и. вращающегося объекта с свободы, Изобретение мовано в системах пространжения, стабилизации, емах контроля для опредеик гироскопов, гироскопии других вращающихся щения, скорости и угла прецессии объектов с двумя степенями свободы, Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем блок подсветки объекта, закрепленный . на объект светоконтрастный пространственный модулятор, оптически сопряженный с блоком подсветки и обьектом, фотоприемник и дифференцирующий блок, между фотоприемником и дифференцирующим блоком последовательно включены детектор знака производной сигнала и формирователь сигнала положения. Причем вход детектора знака производной сигнала соединен с входом преобразователя "частота- напряжение", выход которого соединен с входом дифференцирующего устройства. Кроме того выход детектора диска производной соединен с входом преобразования "частота-напряжение", выход которого является выходом сигнала угловой скорости вращения объекта, выход формирователя сигнала положения - выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего блока - выходом сигнала угловой скорости прецессии, 8 ил,Известны двумерные ферродинамические, электродинамические, трансформаторные и индуктивные измерительные преобразователи, основанные на использовании физического явления электромагнитного взаимодействия неподвижного и подвижного элементов с обмотками. К достоинствам этих устройств относится то, что все они являются абсолютными датчиками,Недостатками известных преобразователей является невысокая точность и быстродействие, существенная динамическая погрешность измерения, обусловленная наличием переходного процесса, необходи мость механического соединения сконтролируемым или управляемым объектом, что ухудшает его характеристики, наличие противодействующего,ломента цаобьект.Большинство указанных недостатковустраняет использование оптических способов и средств измерительного преобразования механических величин, чтообеспечивает практически полное устранение возмущающего воздействия измерительного преобразователя цаконтролируемый или управляемый обьект ивоэможность дистанционного контроля безпрямого механического контакта с обьектом,Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является одномерное устройство измерения скоростиперемещения, содержащее блок подсветкиобьекта световь 1 м потоком, закрепленныйна объекте светоконтрастцый пространственный модулятор, оптически сопряженный. с блоком подсветки и обьектом, фотоприемник, электронный блок измерения перемещения и дифференцирующее устройство, Кдостоинствам прототипа относятся возможность дистанционного измерения перемещения и скорости перемещения в режимереверса направления перемещения, отсутствие возмущающего воздействия ца обьект.Недостатком известного устройства является то, что оцо позволяет производитьтолько одномерные измерения и имеет менее предпочтительный перед абсолютнымнакапливающий принцип измерения.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременного измеренияскорости вращения. угловой скорости и углапрецессии объекта.Указанная цель достигается тем, что вустройстве, содержащем блок подсветкиобъекта световым потоком, закрепленныйна объекте светокоцтрастцый пространственный модулятор, оптически сопрякециыйс блоком подсветки и объектом фотоприемник, дифференцирующее устройство, мекду фотоприемником и дифференцирующимустройством включены последовательно соединенные детектор знака производнойсигнала и формирователь сигнала положения, причем входдетектора знака производной соединен с выходом фотопоиемцика,выход детектора знака производной соединен с входом преобразователя "частота - напряжение" и входом формирователясигнала положения. Выход формирователясигнала положения соединен со входомдифференцирующего устройства, выходет плоскость начального отсчета угла10 прецессии, а пространственный модулятор 20 35 50 причем выход детектора знака производной 6 соединен с входом преобразователя 9, Детектор содеожит последовательно 25 30 преобразователя "частота-напряжение" является выходом сигнала угловой скорости вращения обьекта, выход формирователя сигнала положения является выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего устройства является выходом сигнала угловой скорости прецессии обьекта, При этом линейный световой поток задавыполнен, например, в виде аксиально расположенных на вращающемся объекте в виде периодической структуры чередующихся светоконтрастцых модулирующих элементов в фореле равностороннихтреугольников,На фиг,1 представлена кицематическая схема устройства; на фиг,2 - сгруктурная схема устройства; на фиг,3 - временные диаграммы работы устройства, изображецного ца фиг 2; ца фиг,4 - гример конкретного выг 1 олнж ил детектора знака производной, на фиг.5 - временные диаграммы работы детектора знака производной; на фиг,б -пример конкретного выполнения формирователя сигнала полокения; ца фиг.7 - временные диаграммы работы формирователя сигнала положения; ца фиг,8 - чертеж, поясняющий процесс модуляции формы сигнала ца выходе фотоприемника при изменении угла прецессии, а также математические выкладки вывода соотношения, связывающего изменение углового положения объекта в плоскости прецессии с коэффициентом заполнения сигнала с выходд детектора знакапроизводной и уровнем сигнала положения,На фиг,1 поаэаны собственно вращающийся обьект 1, имеющий две степени свободы, пространственный модулятор 2 в виде дорожки с чередующимися светоконтраст-. ными модулируюшими площадками аксиальцо расположенных равнобедренных или . равносторонних треугольников, блок подсвечивания 3, вогпринимающий блок 4;Устройство см,фиг.2) содержит последовательно соединенные фотоприемник 5,детектор знака производной 6 см.фиг.4, формирователь сигнала положения 7, дифференцирующее устройство 8, а также преобразователь "частота - напряжение" 9,соединенные асинхронный(цетактируемый) АЦП 6.1 сопоставления, формирователь 6.2 квадратурных бинарных сигналов, детектор 6,3 фазы квадратурных сигналов, РС-цепь 6,4,На фиг,5 показань 1 временные диаграммы, раскрывающие принцип работы детектора знака производной 6, 1777090На фиг.6 представлен пример цифрового варианта конкретного выполнения формирователя 3 сигнала положения, изображенного на фиг.2, Формирователь сигнала положения 3 содержит генератор 5 10 импульсов эталонной частоты, демультиплексор 11, триггер 12, делитель на 2 по положительному фронту, блок управления 13, блок управления 14, Формирователь 15 короткого импульса по положительному 10 фронту, блок установки 16, формирователь короткого импульса по отрицательному фронту 17, счетчик импульсов реверсивный 18, счетчик импульсов реверсивный 19, регистр начальных условий счета 20, регистр 15 начальных условий счета 21, цифровой мультиплексор 22, четырехквадрантный ЦАП 23, фильтр низкой частоты 24.Блок 4 управления счетчиком 8 содержит элемент 13,1 И, элементы 13.2, 13.3 Н Е, 20 элементы 13.4, 13.5 И - НЕ, Выход элемента 13,1 И соединен со входом элемента 13.3 НЕ и со входом элемента 13.4 И - НЕ, выход элемента 13,2 НЕ соединен с первым Входом элемента 13,4 И - НЕ и первым входом эле мента 13.5 И - НЕ, Выход элемента 13,3 НЕ соединен со вторым Входом элемента 13.5 И - НЕ, Внутренняя структура выполнения блока 14 управления счетчиком идентична.Устройство работает следующим абра зом (см.фиг.З). При вращении объекта на выходе фотоприемника 5 формируется сигнал "а" с взаимно-однозначным соответствием степени асимметрии формы, модуля разности значений первых производных по положительному и отрицательному фронту сигнала, и угла фазового сдвига экстремума сигнала угловому положению объекта вокруг оси ОУ. Начальный отсчет задается направлением линейного светового потока. В приведенном варианте используется информативный параметр угла фазового сдвига экстремума сигнала. Сигнал "а" с выхода фотоприемника поступает на вход детектора знака производной 6. На выходе детекто ра 6 формируется бинарный сигнал "б", высокий уровень которого соответствует знаку плюс, а низкий - знаку минус производной сигнала "а". Коэффициент заполнения сигнала "б" характеризует степень 50 асимметрии формы сигнала "а" и фазовый сдвиг на периоде его положительного экстремума, Таким образом, коэффициент заполнения и постоянная составляющая бинарного сигнала "б" взаимно-однозначно 55 соответствуют угловому развороту обьекта вокруг оси ОУ, а его частота характеризует Угловую скорость вращения объекта вокруг оси ОХ. Сигнал "б" поступает на вход преобразователя "частота - напряжения" 5, на вц-. ходе которого формлруется сигнал, пропорциональный частоте вращения и угловой скорости вращения Обьекта вокруг оси ОХ. Одновременно сигнал "б" поступает на вход формирователя сигнала положения 5, на выходе которого формируется сигнал "в", пропорциональный коэффициенту заполнения и постоянной составляющей сигнала "б". При любой скорости ьращения обьекта, в том числе переменной, уровень сигнала "в" взаимно-однозначно соответствует положению обьекта вокруг оси ОУ. Сигнал "в" с выхода формирователя 3 поступает на выход Ц устройства и одновременно на вход дифференцирующего устройства 4, На выходе дифференцирующегс устройства 4 фоомируется сигнал "г", пропорциональный угловой скорости Ц вращения Обьекта вокруг Оси ОУ. Дифференцирующее устройство Выполня 1 от по Одной иэ типовых иэВестных схем, например, в цифровом варианте в виде вычислителя первой прямой или первой обратной разности.Для дополнительного пояснения технической сущности представленного решения следует Отметить, чтопроцесс прецессионного врашения обьекта вокруг оси ОУ более медленный по сравнению с собственным вращением обьекта вокруг оси ОХ. Поэтому временные диаграммы сигналов "а" и "б", фиг.З, следует воспринимать условно в части скорости изменения степени асимметрии формы "а" и коэффициента заполнения сигнала "б".Ниже приводится описание принципа действия и особенностей функционирования отдельных элементов устройства.Детектор знака производной 2 работает следующим образом. Сигнал "а" (см.фиг,5) поступает на информационный вход АЦП 6,1 сопоставления (другое название: АЦП параллельного преобразования). Так как АЦП не тактируется, сигнал "а" проходит каждый опорный уровень своего маршрута поля опорных уровней АЦП, При этом на выходе РЦП 6.1 формируется цифровой сигнал с единичными приращениями при переключении состояний в моменты равенства каждому опорному уровню маршрута сигнала. Знак единичных приращений вэаимнооднозначно соответствует знаку производной сигнала "а". Для выделения знака приращений из бинарных сигналов двух младших разрядов АЦП путем перемножения на элементе 6.2.3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируются квадратурные бинарные сигналы "е" и "к". Триггеры 6.2.1, 6,2,2, Шмитта служат для устранения дрожания фронтов и повышения помехоустойчи 1777090вости. С выхода формирователя 62 квадратурные сигналы "е" и "к" поступают на вход детектора 6,3 фазы. При смене знака единичных приращений сигнала происходит смена взаимной фазы +90 сигналов "е" и "к" и на выходе детектора 6,3 формируется бинарный сигнал "б". высокий уровень которого соответствует знаку плюс производной сигнала ",а" а низкий - знаку минус, Одновременно положительный фронт сигнала "б" выделяет положительный экстремум, а отрицательный фронт - отрицательный экстремум сигнала "а", Таким образом, на выходе детектора 6 формируется бинарный сигнал с коэффициентом заполнения, пропорциональным фазовому сдвигу экстремума сигнала "а" на периоде и, соответственно, взаимно-однозначным соответствием угловому положению объекта в плоскости прецессионного движения вокруг оси ОУ. ЙС-цепь 6,4 служит для устранения "просечек", Важно, что при таком подходе детектор 6 выделяет знак производной сигнала "а" по угловому перемещению, а не по времени. Это обеспечивает работу устройства во всех режимах, в том числе при переменной скорости вращения вокруг оси ОХ.Формирователь сигнала "а" (см.фиг.7) с выхода детектора знака производной поступает на входы блоков 13.5 управления счетчиками и на динамический вход триггера 12, Состояния триггера 12 переключаются по положительным фронтам бинарного сигнала "а". С прямого выхода триггера 12 бинарный сигнал "б" поступает на вход выборки адреса демультиплексора 11, вход стробирования четных периодов сигнала "а" блока 13 управления счетчиком, и на входы формирователя 15, 16 коротких импульсов сброса счетчиков 18, 19 импульсов, С инверсного выхода триггера 12 бинарный сигнал "в" поступает на вход стробирования нечетных периодов сигнала "а" блока 14 управления счетчиком и на вход выборки адреса цифрового мультиплексора 22. С выхода генератора 10 счетные импульсы эталонной частоты поступают на вход демультиплексора 11 и затем в соответствии с логикой управления демультиплексора сигналом "б" поступают с его выходов в нечетных полупериодах на вход блока 14 управления счетчиком, а в четных - на вход блока 13 (сигналы "д" й "г" соответственно), Структура блоков 13, 14 выполнена в варианте обеспечивающем сопряжение с реверсивными счетчиками импульсов серий 155, 555. Счетчик 19 работает в нечетных полупериодах в интервалах, где бинарный сигнал "а" имеет высокий уровень, в режиме суммирующего счета, а в10 интервалах, где сигнал "а" имеет низкий уровень, в режиме вычитающего счета.Счетчик 18 работает в аналогичном режиме в четных полупериодах сигнала "б". На регистрах 20, 21 начальных условий счета устанавливают в двоичном дополнительномкоде коды нулевого уровня сигнала, Поэтому значения алгебраической суммы импульсов в конце нечетного периода сигнала "а"на выходе счетчика 19 и в конце каждого четного периода сигнала "а" на выходе счетчика 18 пропорциональны коэффициенту заполнения бинарного сигнала "а" и, соответственно, угловому положению вращающегося обьекта вокруг оси ОУ, В нечетных полупериодах сигнала "б" (т,е, нечетных периодах сигнала "а") сигнал на выходе счетчика 18 сохраняет свое значение, а затем счетчик сбрасывается в ноль коротким 20 импульсом сигнала "р" и весь цикл повторяется, В четных периодах сигнала "а" сохраняет свое значение сигнал на выходе счетчика 19, затем счетчик 19 сбрасывается в ноль коротким импульсом сигнала "с" и 25 цикл повторяется. Сигнал с выхода счетчика18 поступает на первую линию информационных входов цифрового мультиплексора 22, с выхода счетчика 19 на вторую линию.Так как мультиплексор 22 по входу выборки 30 адреса управляется противофазно инверсным сигналом "в", на его выходе с запаздыванием напериод формируется ступенчатый сигнал с уровнем каждой ступеньки, соответствующий предшествую щим периодам сигнала "а", когда навыходах счетчиков 18, 19 импульсов сохраняются алгебраические суммы, пропорциональные коэффициенту заполнения сигнала "а". Сигнал с выхода мультиплексора 22 40 поступает на вход четырехквадрантногоЦАП 23, на выходе которого формируется ступенчатый сигнал "щ" аналогового вида.Фильтр 24 служит для фильтрации "ступенек". Блок 18 установки служит для установ ки триггера 12 и счетчиков. 18, 19 воднозначно заданное состояние при включении Опит и выполняетсч по типовым известным схемам. Описанный выше пример конкретного цифрового выполнения форми рователя сигнала положение характеризуется высоким быстродействием выделения сигнала положения (всего за один период сигнала "а". Такой вариант выполнения формирователя целесообразно использо вать для контроля динамических характеристик и в системах управления скоростными объектами, В статике и в режимах малых угловых скоростей прецессионного движения объекта формирователь сигнала положения может быть выполнен в видепростого пассивного фильтра низкой частоты или интегратора на базе операционного усилителя.На фиг.8 представлен чертеж, поясняющий процесс модуляции формы и изменения симметрии сигнала на выходе фотоприемника в соответствии с угловым разворотом объекта вокруг оси ОУ. Для лучшего восприятия и с целью минимального заполнения чертежа и исключения много кратных наложений треугольников на чертеже показано обратное относительное движение; неподвижным показан элемент пространственного модулятора на фоне поля подвижных линейных световых потоков подсветки. Угол а разворота объекта вокруг оси ОУ, положение экстремума сигнала "а" на периоде и коэффициент заполнения сигнала "б" (см. также фиг.З) и, соответственно, уровень сигнала положения связаны соот ношением:а= агстц (1- К), (1) где К - число, характеризующее положение экстремума сигнала а" и коэффициент заполнения сигнала "б", 25Так как область значений аргумента функции агстц (1 - К) ограничена условием ОК1, соотношение (1) с весьма малыми отклонениями приближается к пропорциональной зависимости. ЗОТаким образом, как следует из приведенного описания, предложенное устройство позволяет производить двумерные измерения с использованием только одного датчика и одного сигнала-переносчика. При этом достигаются и дополнительные полезные технические свойства: высокое быстродействие, дистанционность и практически полное отсутствие возмущающего воздействия на объект. Формула изобретения Устройство для дистанционного определения углового положения и угловой скорости вращающегося объекта с двумя степенями свободы, содержащее блок подсветки объекта световым потоком, закрепленный на объекте светоконтрастный пространственный модулятор, оптически сопряженный с блоком подсветки и объектом фотоприемник и дифференцирующий блок, отличающееся тем,что,сцелью расширения его функциональных воэможностей за счет одновременного измерения скорости вращения, угловой скорости и угла прецессии, введены последовательно соединенные детектор знака производной сигнала и формирователь сигнала положения, выход которого соединен с входом дифференцирующего блока, причем вход детектора знака производной сигнала соединен с выходом фотоприемника, выход детектора знака производной сигнала соединен с входом преобразователя частота-напряжение, выход которого является выходом сигнала угловой скорости вращения объекта, выход формирователя сигнала положения является выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего блока является выходом сигнала угловой скорости прецессии,1777090 Редактор роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина РУ О Заказ 4120 ВНИИПИ А оставитель М. Иванов8Вцр ехред МЛоргентал Корректор Н. Ревска Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5