CC BY
22
УДК 621.383
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ТРАССИРОВКИ ДВИЖЕНИЯ
А.Ю. Андросов, Д.В. Богданов, Т.Р. Кузнецова
Исследуется вопрос определения траектории движения оператора, оценки параметров его движения. Определены перспективные системы трассировки движения обучаемого оператора.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, сенсор, ТУ-модуль, точечный источник, пространственные координаты, маркер.
Одной из особенностей современных комплексов, в том числе и оборонного назначения, является наличие значительного числа систем, блоков и узлов со сложной структурой взаимосвязей между ними. Существенным фактором, оказывающим влияние на эффективность эксплуатации комплекса, является уровень подготовки оператора. Подготовка, которых производится на тренажерах, которые имитируют функции оборудования и условия для организации эффективных технологий обучения, а именно, когнитивных технологий.
В свою очередь, когнитивные технологии ориентированы на развитие таких функций обучаемого оператора, как память, внимание, планирование и контроль деятельности, психомоторная координация движений. Последняя заключается в том, что после принятия оператором решения, оно должно быть исполнено в течение максимально короткого промежутка времени путем воздействия на имитаторы органов управления. Это предполагает выработку у оператора двигательных рефлексов, обеспечивающих движение органов, воздействующих на узлы управления, по оптимальным траекториям.
Для коррекции движений оператора и приближения их траекторий к оптимальным целесообразно использование системы с обратной связью, в которых осуществляется определение траектории движения оператора, оценка параметров движения и коррекция траектории с помощью инструктора.
Реализация этого невозможна без соответствующей аппаратуры, в частности аппаратуры для измерения пространственных координат человеческого тела (частей тела), и восстановления по координатам соответствующего объекта траектории его движения. Выбор типа измерителя является ключевым фактором, определяющим конфигурацию, аппаратных средств и программного обеспечения, решающего поставленную задачу.
Все технические средства могут быть условно разделены на:
- средства, устанавливаемые на тело человека;
- средства, расположенные дистанционно;
- средства с разделенными сенсорами.
Из устанавливаемых на тело человека технических средств следует отметить механические сенсоры и инерциальные сенсоры.
К механическим сенсорам относятся экзоскелетоны - многозвенные механизмы, звенья которых прикрепляются к рукам или ногами человека, а центры вращения шарнирных сочленений между стержнями совпадают с центрами подвижности суставов. Шарниры механически связаны с датчиками измерения углов (энкодерами). В этой конструкции пространственное положение каждой точки определяется по длинам стержней механизма и сигналам с датчиков углов.
К недостаткам экзоскелетона можно отнести следующие:
- зависимость точности измерения пространственного положения от точности подгонки длин стержней под размеры частей человеческих конечностей и точности совмещения центров вращения шарнирных сочленений между стержнями с центрами подвижности суставов;
- трудности измерения мелких движений обучаемого оператора, что обусловлено громоздкостью конструкции экзоскелетона, наличием люфтов в шарнирах, невозможностью жесткой фиксации стержней на теле человека и т. п.;
- необходимость затрачивания дополнительных усилий на компенсацию веса конструкции, моментов сухого трения в шарнирах, инерционности (линейной и угловой) стержней, что требует дополнительной коррекции моторной реакции после обучения.
Инерциальные сенсоры, предназначены для определения углового положения объекта и измерения ускорений, развиваемых при его движении.
Измерение угла наклона различных объектов относительно гравитационного поля Земли осуществляется [1] с помощью инклинометра с электрическим выходным сигналом, пропорциональным углам наклона. Сенсоры имеют высокую точность и небольшие размеры. Для решения задач определения ориентации достаточно использовать двухосевой датчик, позволяющий измерять угол азимута и угол места. Пример инклинометра приведен на рис. 1, а.
При движении органов обучаемого оператора создаются дополнительные ускорения, векторы которых складывается с вектором, создаваемым гравитационным полем Земли, что влияет на показания инклинометра. Поэтому помимо инклинометра в состав технических средств включаются акселерометры (рис. 1, б). Сигналы с инклинометра и акселерометра вводятся в блок определения пространственного положения, который на основании текущих и предыдущих рассчитанных координат контролируемого органа определяет текущее значение координат. При этом показания акселерометра, как минимум дважды интегрируются.
Рис. 1. Внешний вид инклинометра (а) и акселерометра (б)
При движении органов обучаемого оператора создаются дополнительные ускорения, векторы которых складывается с вектором, создаваемым гравитационным полем Земли, что влияет на показания инклинометра. Поэтому помимо инклинометра в состав технических средств включаются акселерометры (рис. 1, б). Сигналы с инклинометра и акселерометра вводятся в блок определения пространственного положения, который на основании текущих и предыдущих рассчитанных координат контролируемого органа определяет текущее значение координат. При этом показания акселерометра, как минимум дважды интегрируются.
Могут быть отмечены следующие недостатки инерциальных сенсоров:
- значительная суммарная масса и габариты оборудования, размещаемого на теле человека;
- низкая точность измерения, зависимость точности от длительности эксперимента, что обусловлено необходимостью интегрирования показаний акселерометров;
- сложность начальной установки контролируемых величин, связанная с необходимостью одновременного обнуления показаний всех размещаемых акселерометров, и одновременной фиксации начальных значений инклинометров;
- достаточно высокая сложность конструкции, связанная с необходимостью прикрепления к частям тела пар приборов;
- трудности измерения мелких движений обучаемого оператора, что обусловлено громоздкостью конструкции сборки из пар датчиков и невозможностью жесткой фиксации сборок на теле человека и т.п.;
- необходимость затрачивания дополнительных усилий на компенсацию веса конструкции, и инерционности (линейной и угловой) сборок, что требует дополнительной коррекции моторной реакции после обучения.
К средствам, устанавливаемым дистанционно, можно отнести неоптические технические средства измеряющие величины электрического поля.
Электрическое поле может быть создано за счет формирования в двух точках пространства разности потенциалов. Мягкие ткани человеческого тела, наполненные кровью, являются проводником, а, следовательно,
вносят искажения в картину силовых линий электрического поля. По характеру изменений можно определить текущее положение органа.
Вид датчиков, предназначенных для измерения электрического потенциала, приведен на рис. 2.
Имеются следующие недостатки сенсоров, основанных на измерении электрического поля:
- вследствие того, что изменение напряженности падает пропорционально квадрату расстояния до точечного источника, создающего поля, для повышения чувствительности разделенного сенсора необходимо повышение разности потенциалов до 103 - 104 В, что небезопасно для обучаемого персонала;
- низкая точность измерения, обусловленная, во-первых, расстояниями между чувствительными элементами, а во-вторых, состоянием частей человеческого тела, и в-третьих, состоянием атмосферы, в частности от показателя влажности воздуха.
Рис. 2. Датчики для измерения электрического потенциала
Технические средства с разделенными сенсорами включают часть сенсора, располагаемую на теле человека, и часть, располагаемую дистанционно. При этом в конструкции должна обеспечиваться дистанционная передача энергии от одной части разделенного сенсора в другую. Дистанционная передача энергии может быть проведена с использованием следующих физических принципов:
- магнитное поле;
- акустическая волна;
- электромагнитная волна.
В разделенных сенсорах, измеряющих магнитное поле часть сенсора, создающая его, как наиболее простая, крепится на теле человека (использование постоянных магнитов сокращает до нуля энергозатраты). Часть сенсора, измеряющая магнитное поле, распределяется по рабочей зоне тренажера. При этом создается сеть чувствительных элементов. При измерении магнитного поля в точке установки чувствительного элемента формируется сигнал, обработка которого дает координаты постоянного магнита, прикрепленного к перемещающемуся органу. Для оценки вели-
чины магнитного поля существуют гальваномагнитные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Вид сенсоров, основанных на эффекте Холла, приведен на рис. 3.
К недостаткам этих сенсоров можно отнести следующие:
- сложности трассировки движения в трехмерном пространстве;
- зависимость точности измерения пространственного положения от точности размещения гальванометрических преобразователей в рабочей зоне и точности размещения магнитов на теле человека;
- необходимость затрачивания дополнительных усилий на компенсацию веса конструкции, и инерционности линейной и угловой магнитов, что требует дополнительной коррекции моторной реакции после обучения;
- измерение только магнитной составляющей, определенным образом ориентированной в пространстве, что обусловливает необходимость получения в рабочей зоне магнитного поля с изменяемыми по нужному закону параметрами.
Рис. 3. Датчик Холла
Разделенный преобразователь, использующий акустические волны в ультразвуковом диапазоне, включает излучатель и приемник звуковых волн, показанные на рис. 4.
Рис. 4. Ультразвуковые излучатель и приемник
Источник имеет широкую, а приемник - узкую диаграмму направленности. Источники размещаются на теле человека. Вследствие узкой диаграммы приемник представляет собой пеленгатор, который определяет направление на источник.
Можно отметить следующие недостатки акустических пеленгаторов:
- низкая разрешающая способность, зависящая от длины акустической волны;
- ограниченное количество частот, на которых может быть передано излучение, и как следствие, ограниченное количество точек тела, пространственные координаты которых определяются;
- громоздкость конструкции узконаправленного приемника акустических волн;
- наличие Допплеровского эффекта, что ограничивает использование метода при трассировке быстродвижущихся объектов;
- трудности измерения мелких движений обучаемого оператора, что обусловлено общей низкой угловой разрешающей способностью;
- необходимость затрачивания дополнительных усилий на компенсацию веса излучателей и, как следствие необходимость коррекции движений операторов после обучения.
Разделенные сенсоры, использующие электромагнитные волны разделяются в зависимости от длины волны используемого излучения:
- ультрафиолетовое и рентгеновское излучение (длина волны менее 0,38 мкм) вредно для здоровья, и поэтому не используется;
- инфракрасное излучение (длина волны от 0,78 до 10 мкм) требует достаточно громоздкой и сложной аппаратуры для восприятия и регистрации, поэтому также не используется;
- радиоизлучение (длина волны более 1 мм) обладает низкой разрешающей способностью, поэтому используется в ограниченном числе случаев.
Таким образом, перспективным является использование электромагнитного излучения в видимом диапазоне, 0,38 ^ 0,78 мкм. Современные оптико-электронные преобразователи позволяют воспринимать и регистрировать оптическое излучение в указанном диапазоне с интенсивностью,
2 5
изменяющейся от 5-10" лк (сумерки) до 10 лк (ясный солнечный день). В связи с широкими диапазонами восприятия, прямое измерение уровня оптического сигнала, как правило, не производится. Все разделенные сенсоры для трассировки движения, работающие в диапазоне 0,38 ^ 0,78 мкм, используют излучение, модулированное или по амплитуде, или по частоте.
В состав сенсора входят маркеры, размещаемые на теле человека, объектив и фотоэлектронный преобразователь PET (Photo-Electron Transformer). Назначение объектива - сужение диаграммы направленности фотоэлектронного преобразователя и фокусировка излучения от маркеров в плоскости расположения фоточувствительных элементов. Фотоэлектронный преобразователь объединяется с объективом в телевизионный TV-модуль.
По типу маркеров системы могут быть разделены на зондирующие системы и системы с излучающими маркерами.
В зондирующих системах используется специальный источник излучения для подсветки сцены, который создает световой поток с заданными свойствами. При этом размещаемые на операторе маркеры отражают падаю-
щий световой проток иначе, чем другие предметы сцены. Например, поверхность маркера имеет световозвращающую конструкцию (уголковый отражатель), а другие отражающие поверхности сцены являются диффузными.
Преимущество зондирующих систем заключается в том, что маркеры, размещаемые на теле человека, не требуют подвода дополнительной энергии, что существенно упрощает конструкцию. Кроме того, они могут иметь малую массу и габариты, что, с одной стороны позволяет размещать их на органах, совершающих мелкие движения, а с другой стороны практически не требует коррекции моторной реакции после обучения, когда с человека снимаются маркеры и не требуется компенсация их массогаба-ритных характеристик.
Системы с излучающими маркерами включают источники света, размещаемые на теле человека. Требования к источникам - это малые габариты и высокий коэффициент полезного действия. К источникам, обладающими такими свойствами, можно отнести светодиоды. Потребляемая энергия одним светодиодом может быть оценена в 3^5-10" Вт. Рабочее напряжение светодиода ограничено единицами вольт. Масса светодиода 3^5-г. Размеры излучающего элемента, определяющие точность определения пространственного положения органа, не превышают 1x1 мм. Для электропитания светодиодных излучателей может быть применен автономный малогабаритный (точечный) источник питания (аккумуляторная батарея). Аккумулятор с напряжением 3 В и емкостью 0,1 А/ч может обеспечить электропитание до 50 маркеров в течение одного часа, что вполне достаточно для отработки одной учебно-тренировочной задачи.
Информативными признаками, которые обладают светодиодные маркеры, являются интенсивность излучения, цветовая составляющая излучения, модуляция светового потока по интенсивности и длине волны. Кроме того, имеется возможность дополнительной модуляции по поляризационному признаку. Все это делает светодиодные маркеры достаточно распространенным техническим решением при трассировке движений обучаемого оператора.
Таким образом, на основании приведенного анализа технических средств трассировки движения может быть сделан вывод о том, что наиболее перспективными системами трассировки движения обучаемого оператора являются системы с разделенными сенсорами, в которых образ сцены создается с помощью электромагнитного излучения. При этом в качестве маркеров целесообразно использовать светодиодные излучатели, которые имеют следующие преимущества:
- высокая точность трассировки, связанная с малыми габаритами излучающего элемента;
- относительно низкая стоимость ТУ-модуля для регистрации электромагнитного излучения, исходящего от поверхностей сцены;
- широкая номенклатура выпускаемых ТУ-модулей, что позволяет конструировать промышленные системы с оптимальным соотношением точность/стоимость;
- малый вес и габариты светодиодных маркеров, что позволяет оптимальным образом размещать их на теле человека и конструировать недорогие и эффективные маркерные подсистемы;
- возможность построения одномерных, двумерных и трехмерных систем трассировки путем только наращивания количества ТУ-модулей и программного обеспечения для обработки сигналов;
- отработанная техника съема сигнала с ТУ-модулей и наличие простых и эффективных интерфейсов ввода данных в ЭВМ;
- широкая номенклатура программных пакетов обработки изображения, что позволяет строить недорогие системы трассировки.
Список литературы
1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. 1072 с.
2. Будков С. А., Ларкин Е.В. Определение пространственного положения рабочего органа // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 197-203.
3. Акименко А.А., Андросов А.Ю., Аршакян А.А. Селекция и определение местоположения точечного источника // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 3-12.
4. Аршакян А. А., Андросов А.Ю., Горшков А.А. Наблюдение точечных источников под разными ракурсами // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 50-58.
5. Горшков А. А., Андросов А.Ю., Семигорелов В.В., Аршакян А.А. Определение координат точки в системе наблюдения на базе ТУ-модулей // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 11. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 412-418.
6. Быстров Ю.А. Оптоэлектронные приборы и устройства: Учебное пособие для вузов. М.: Радио-Софт, 2001. 256 с.
7. Гольберг Л.М. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990. 325 с.
Андросов Алексей Юрьевич, асп., elarkin@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Богданов Дмитрий Викторович, сотрудник Академии, magic2006@rambler.ru, Россия, Орел, Академия ФСО России,
Кузнецова Татьяна Рудольфовна, канд. техн. наук, доц. rudik64@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFORMATION AND MEASURING SYSTEMS OF TRACE OF THE MOVEMENT A.Yu. Androsov, D. V. Bogdanov, T.R. Kuznetsova
The question of definition of a trajectory of the movement of the operator, assessment of parameters of his movement is investigated. Perspective systems of trace of the movement of the trained operator are defined.
Key words: electromagnetic radiation, sensor, TV module, dot source, spatial coordinates, marker.
Androsov Alexey Yurievich, postgranduate., elarkin@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State university,
Bogdanov Dmitry Viktorovich, worker of Academy, magic2006@rambler.ru, Russia, Orel, Academy FSO Russia,
Kuznetsova Tatyana Rudolfovna, candidate of technic al science, docent, rudik64@mail.ru, Russia, Tula, Tula State university
УДК 621.313.8
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА МНОГОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ
Н. С. Илюхина, А. П. Панков
Рассматриваются вопросы построения математического описания физических процессов импульсного магнитоэлектрического генератора многоразового действия и исследования его характеристик.
Ключевые слова: импульсный магнитоэлектрический генератор, схемы замещения, уравнения движения, переходные процессы.
Импульсный магнитоэлектрический генератор (ИМЭГ) многоразового действия предназначен для создания мощных запускающих импульсов напряжения в выходной обмотке при перебросе якоря с одной пары полюсов статора на другую. Особенностью функционирования устройств этого типа является работа магнитной подсистемы в зоне стабилизированных характеристик постоянного магнита. Конструкция генератора приведена на рис.1.
Генератор является достаточно сложным электромеханическим устройством, в состав которого входят механическая, магнитная и электриче -ская подсистемы. Механическая подсистема включает в себя статор 2, рабочую 5 и возвратную 4 пружины, якорь 7 и механизм преобразования 3
