CC BY
29
6
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОНОВОЙ ЗАСВЕТКИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ С КРУГОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ
Е.М. Богатинский, В.С. Кулагин
Теоретически исследуется влияние яркости фона на погрешность позиционирования относительно базовой плоскости системы, реализуемой оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ).
Введение
Использование для позиционирования в качестве протяженной измерительной базы ОРСЗ особенно удобно при проведении строительных работ [1, 2]. Как было определено в [3], использование для этих целей панорамной оптики дает массу очевидных преимуществ и имеет минимум недостатков. Поэтому для формирования ОРСЗ целесообразно использовать панорамные концентрические объективы с торическими поверхностями [3].
В основу работы систем контроля и управления позиционированием относительно измерительной базы положено использование задатчика базовой плоскости, осуществляющего развертку оптического излучения и тем самым создающего горизонтально или под определенным наклоном круговую ОРСЗ, и приемников, которые устанавливаются на рабочих органах строительных машин (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы систем контроля и управления позиционированием
При работе системы, особенно в полевых условиях на открытом воздухе, на погрешность позиционирования существенное влияние посторонний лучистый поток -фон. Поэтому целью статьи является исследование влияние яркости фона на погрешность позиционирования относительно базовой плоскости системы, реализуемой концентрической оптической равносигнальной зоной.
Наибольшая величина фона имеет место под открытым небом в солнечные дни, особенно при белых облаках и сильной дымке. В этих условиях освещенность в плоскости зрачка может достигать 10000 лк и более. При работе в темное время суток или в помещении (цехе, лаборатории, в шахтах и т. д.) облученность редко превосходит 500 лк [4].
Из [4] получено, что при увеличении яркости фона погрешность регистрации смещений возрастает пропорционально квадратному корню отношения яркостей фонов:
V2 • кг -8ф-13 • d2 • sin2 ®/2 • т
§Уф
D • п • т • Pe • K • Sr • D,
2
е ^ о/ •
где к - коэффициент формы распределения аберраций объектива прожекторного блока; 5ф - максимальное значение угловой сферической аберрации объектива прожекторного блока; I - максимальная дистанция контроля смещений; с1 - диаметр излучающей площадки светодиода; 0 - угол освечивания светодиода; т - минимально допустимое отношение сигнал/шум; е - заряд электрона; - токовая чувствительность приемника к потоку фона, выраженная в световых величинах; Тф - коэффициент пропускания излучения фона средой и оптикой приемной части; Еф - освещенность от фона; р - коэффициент отражения светового потока от диффузной среды; О - телесный угол, соответствующий угловому полю объектива ПЧ; Оэкр - телесный угол, в пределах которого излучение фона экранируется прожекторами; А/ - полоса частот электронного тракта; Б - диаметр входного зрачка объектива приемной части; т - коэффициент пропускания излучения светодиода оптикой и средой; Ре - мощность излучения светодиода; К - корреляционный множитель серийно выпускаемых светодиодов; 81 - токовая чувствительность приемника к потоку от светодиода; - диаметр выходного зрачка объектива прожектора.
Исходя из представленного выше выражения, можно утверждать, что на погрешность позиционирования, помимо величины фона, могут влиять параметры источников излучения и оптики передающей части. Уже на этапе проектирования системы необходимо принять меры, чтобы эти параметры не оказывали негативное воздействие на точность регистрации смещений. Поэтому считаем необходимым провести исследования влияния фона на погрешность.
Для различных значений фона построены графики погрешностей, возникающих при работе системы (рис. 2):
ММ 0-1
0.08
0,06
0.04
0.02
i /
2 /
3 ^
0 1 0 7 Í0 2 0 А ю ; )0 с ¡о : '0 Í ю Ч> 1
I, м
Рис. 2. Зависимость погрешности системы от дистанции при различном фоне: 1 - при освещенности фона 10000 лк (яркость фона 1600 Вт/[м2ср]); 2 - при 2500 лк (400 Вт/[м2 ср]); 3 - при 500 лк (80 Вт/[м2 ср])
В пределах одинаковой яркости фона (кривая 1, 2, 3) зависимость погрешности регистрации от дистанции контроля носит степенной (кубический) характер.
При максимальном фоне в 10000 лк погрешность регистрации смещений может быть аппроксимирована выражением: 100-(10"3-/)3, где l - дистанция контроля в метрах.
Максимальное значение исследуемой погрешности на максимальной дистанции будет при фоне 10000 лк: 5уфтах = 0,1 мм, минимальное значение - при фоне 500 лк: 0Уф min = 0,025 мм.
Заключение
Поведенное исследование показывает, что при работе системы в реальных условиях погрешность измерений от фона может достигать 0,1 мм, что порой допустимо для требований строительства.
При построении систем следует учитывать, что увеличение диаметра прожектора и яркости источника излучения ослабляет погрешность регистрации смещений системой.
Можно ожидать, что предлагаемая схема упростит решение современных проблем, стоящих перед приборостроением в области создания высокоточных систем контроля и управления.
Литература
1. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под общей редакцией Э.Д.Панкова. СПб: ИТМО, 1998.
2. Барсуков О.А., Тимофеев А.Н. Особенности формирования оптической равносиг-нальной плоскости // Оптико-электронные приборы и системы: Сб. науч. статей. Вып. 99 / Под ред. Э.Д. Панкова. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 1999.
3. Богатинский Е.М. Выбор параметров построения оптической схемы прожектора, реализующего круговую оптическую равносигнальную зону. // Девятая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых и специалистов / Аннотации работ по грантам Санкт-Петербургского конкурса 2004 г. для молодых ученых и специалистов. СПб: Изд-во СПбГУ, 2004.
4. Цуккерман С.Т., Гридин А.С. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969.
