CC BY
23
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА ПОГРЕШНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ПЛОСКОСТИ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКОЙ
Е.М. Богатинский Научный руководитель - кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Н. Тимофеев
Задача работы заключалась в расчете основных параметров предложенной концентрической модели оптико-электронной системы управления строительными машинами относительно базовой плоскости и исследовании влияния внешних факторов на погрешность работы предложенной системы.
Введение
В связи с постоянным ростом требований к качеству строительной продукции возникает необходимость в повышении общего технического уровня строительных работ и их технологичности.
Земляные работы в общей схеме строительства занимают особое место, в том числе при сооружении дорог, путепроводов, аэродромов и т.д. Вопросы точности проведения таких работ имеют принципиальное значение, они, в конечном счете, определяют уровень качества строительных работ. В литературе [1-3] показано, что использование для позиционирования в качестве протяженной измерительной базы оптической равносигнальной зоны (ОРСЗ) удобно, выгодно и технически оправдано.
Основная часть
Использование параметров оптического излучения в качестве протяженной измерительной базы позволяет обеспечить полную автоматизацию процесса контроля [1]. Для обеспечения высокой точности позиционирования на больших дистанциях в качестве базы и предлагается использовать ОРСЗ, имеющую форму плоскости [2].
Системы автоматического управления машинами предназначены для автоматического регулирования положения рабочих органов строительной техники. В основу работы систем контроля и управления позиционированием относительно измерительной базы положено использование задатчика базовой плоскости (ЗБП), осуществляющего развертку оптического излучения и тем самым создающего горизонтальную базу, и приемников, устанавливаемых на рабочих органах строительных машин (рис. 1).
Рис. 1. Принцип работы систем контроля и управления позиционированием
Задача позиционирования заключается в:
• формировании базовой плоскости, имеющей требуемую ориентацию в пространстве и во времени;
• определении приемной частью оптико-электронной системы своего положения (по угловым или линейным координатам) относительно образованной базы.
За основу ЗБП предлагается система, изображенная на рис. 2. Концентрический объектив 3, 4 строит на требуемой дистанции изображения излучающих поверхностей расположенных радиально полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 1 и 5. Основная идея заключается в том, что при большом количестве источников излучения можно найти наиболее оптимальный режим их работы по соотношению затраченной энергии и облученности в удаленной точке пространства. В верхнем объективе пучки от диодов перекрыты концентрической границей 2 сверху, в то время как в нижнем объективе - снизу. Диоды переключаются с требуемыми частотами/1 и/2 в верхнем и нижнем каналах, происходит частотная модуляция полей. Оптическая схема отъюстирована так, что изображения подсвеченных границ в пространстве изображений соприкасаются на максимальной дистанции работы системы, и на границе соприкасающихся полей образуется ОРСЗ.
12 3 4
и
Рис. 2. Прожекторный блок системы
В связи с изложенным исследование погрешности в оптико-электронных системах, создающих протяженную измерительную базу, актуально. Приборы с ОРСЗ осуществляют обзор пространства. При решении практических задач возникает необходимость обзора в полной сфере, полусфере, в некотором кольце (360° по азимуту, десятки градусов по углу места). Такой круговой обзор может производиться в целях обнаружения объектов, мониторинга, целеуказания и в ряде других случаев [4].
Предварительный анализ степени влияния первичных погрешностей показал:
• слабо влияющими погрешностями, которые могут быть исключены конструктивными, схемными решениями или селективным подбором элементов, являются: температурная деформация корпуса, деградация источников и приемников, нелинейность преобразования входного сигнала, изменения чувствительности приемника, коэффициента усиления усилительного тракта, яркости источников при изменении температуры, радиационный шум источников, шум приемников, неопределенность формы и положе-нияОРСЗ [1];
• сильно на погрешность позиционирования воздействуют: температурный градиент, фон, изменение частоты модуляции при изменении температуры [1].
Рассмотрим более детально влияние на погрешность температурного градиента, фона, изменения частоты модуляции при изменении температуры.
Погрешность, вызванная температурным градиентом
Изменения плотности воздуха, вызванные малыми температурными градиентами в атмосфере, приводят к изменениям показателя преломления среды, в результате чего искривляются направления световых пучков - возникает эффект рефракции. Погрешность регистрации смещений в вертикальной плоскости, при условии, что совместное влияние давления и влажности воздуха на показатель преломления излучения выбранной длины волны п мало, может быть рассчитана как
ЗУ, =
п -1 ИТ1'
п 2
(1)
где £уаёУ Т - градиент температуры Т воздушного тракта в вертикальной плоскости; I -дистанция контроля в метрах.
В литературе [5] имеются данные о том, что суточный ход градиента температуры в приземных слоях свободной атмосферы меняется от -1,2 К/м до +1,2 К/м (рис. 3).
дгас1уТ, К/м 1-5
0,5
-0.5
-1
-1.5
/
/
4 б 8\. 0 2 4 б 8 о А 2 :
Рис. 3. Изменение вертикального градиента температуры в течение суток
Тогда, приняв значения п = 1,000271, Т = 293 К, при максимальном градиенте температуры во время проведения измерений ^аёУ Т = 1,2 К/м построим график зависимости вертикального смещения луча, вызванного температурным градиентом, от дистанции (рис. 4).
бт
8ур. мм
5-------/—
4------------
3
2
10
30
40
50
70
80
90 100 I, М
Рис. 4. Зависимость погрешности регистрации смещений, вызванной температурным градиентом воздушного тракта, от дистанции контроля
Из приведенной зависимости (рис. 4) видно, что наиболее сильно температурный градиент оказывает влияние на искривление пучка от источника на больших дистанциях контроля, причем зависимость - квадратичная (1).
Расчетное максимальное значение исследуемой погрешности на дистанции 100 м: 5ур тах = 5,549 мм; минимальное значение достигается при ^аёу Т = 0 и равно нулю.
Погрешность, вызванная изменением величины фона
При работе системы, особенно в полевых условиях на открытом воздухе, на погрешность позиционирования оказывает влияние посторонний немодулированный лучистый поток - фон. Наибольшая величина фона бывает под открытым небом в солнечные дни, особенно при белых облаках и сильной дымке [6]. 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.
Для различных значений фона построены графики погрешностей, возникающих при работе системы (рис. 5).
бУф, ММ 0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
100 /, М
Рис. 5. Зависимость погрешности системы от дистанции при различном фоне: 1 - при освещенности фона 10000 лк (яркость фона 1600 Вт/[м2 ср]); 2 - при 2500 лк (400 Вт/[м2 ср]); 3 - при 500 лк (80 Вт/[м2 ср])
Из представленной зависимости (рис. 5) видно, что при увеличении яркости фона погрешность регистрации смещений возрастает пропорционально квадратному корню отношения яркостей фонов:
'л/ёА
л/2 • 1у • 12 • ё2 • эт2 ®/2 • т
'1фи • Хф • Еф
■г-(О-О ) • А/
Ц •p•х• Ре • К • 5 • Ц/
(2)
где 1у - ширина переходного участка ОРСЗ, обусловленного аберрациями объектива ЗБП; ё - диаметр излучающей площадки ПИД; 0 - угол излучения ПИД на уровне 0,5; т - минимально допустимое отношение сигнал/шум; е = 1,6-10-19Кл; - токовая чувствительность приемника к потоку фона, выраженная в световых величинах; Тф -коэффициент пропускания излучения фона средой и оптикой приемной части (ПЧ); Еф - освещенность от фона; р - коэффициент отражения светового потока от диффузной среды; О, - телесный угол, соответствующий угловому полю объектива ПЧ; 0Экр -телесный угол, в пределах которого излучение фона экранируется прожекторами. А/ -полоса частот электронного тракта; Ц - диаметр входного зрачка объектива ПЧ; т - коэффициент пропускания излучения ПИД средой вместе с оптикой ЗБП и ПЧ; Ре - мощность излучения ПИД; К - корреляционный множитель серийно выпускаемых ПИД; 81 - токовая чувствительность приемника излучения к потоку от ПИД; Ц0 - диаметр выходного зрачка объектива прожектора.
В пределах одинаковой яркости фона (кривые 1-3) 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.
Максимальное значение исследуемой погрешности на максимальной дистанции будет при фоне 10000 лк: буф тах = 0,1 мм, минимальное значение будет при фоне 500 лк: 5уф т;п = 0,025 мм.
Погрешность, вызванная изменением частоты модуляции излучения
при изменении температуры
В качестве источников излучения используются ПИД, питающиеся модулированным напряжением от генератора, частота которого изменяется при изменении температуры. Согласно [7], относительное изменение частоты составляет +2-10"4 при изменении температуры от 0 до +50 °С. Тогда при изменении температуры на 1 °С изменение частоты составляет 8-10-6 1/°С. Если использовать частоты модуляции /1 = 3,2 кГц и /2 = 8,1 кГц, а диапазон рабочих температур принять равным 50 °С, то девиации частот будут равны А/1 = 1,3 Гц, А/2 = 3,2 Гц.
Пусть в электронной схеме обработки сигнала используются фильтры с полушириной А/ф = 100 Гц, их частотную характеристику представим в виде треугольника. Относительное изменение разностного сигнала после фильтров равно
А/ "А/2
Аи = ■
А/ф
(3)
С учетом динамики работы исполнительных органов машин [8] в системах управления машинами устанавливается зона нечувствительности Дун = 3-5 мм. В оптико-электронных системах управления такого типа данная величина составляет Дун = 3 мм. Тогда величина погрешности определяется выражением: 5уя = Аи • Аун. (4)
В зависимости от диапазона рабочих температур будет меняться и значение погрешности. Для исследования этого изменения постоим график зависимости погрешности регистрации смещений, вызванной изменением частоты модуляции излучения, от диапазона рабочих температур ДГ(рис. 6).
¿уч, мм о.об-
0.04
0.02-
0 5 0 5 0 0 5 0 5
д г, °с
Рис. 6. Зависимость погрешности системы, вызванной изменением частоты модуляции
излучения отдиапазона рабочих температур
Согласно графику (рис. 6), указанная зависимость носит линейных характер: чем больше диапазон рабочих температур, тем выше значение погрешности.
Максимальное значение будет при самом большом температурном диапазоне: 5уч тах = 0,059 мм, минимальное - при ДГ = 0 - равно нулю.
Суммарная погрешность системы
Для наихудшего случая (самый большой фон, самый большой градиент температуры - рис. 7) и для наилучшего случая (при минимальном фоне - рис. 8) построены зависимости суммарной погрешности регистрации смещений от дистанции.
<5Уе мм 6
0 0 0 0 ю >0 0 '0 ю Ю 1
I, м
Рис. 7. Зависимость суммарной погрешности регистрации смещений от дистанции
при наихудших условиях работы
Яуу ММ 0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0 1 0 0 о 0 0 >0 '0 10 Ю 1
I, М
Рис. 8. Зависимость суммарной погрешности регистрации смещений от дистанции
при наилучших условиях работы
Приняв, что все описанные выше погрешности статистически независимы, полу-
чаем:
S-Уе = ißyT+fy^F+SyJ • (5)
Из (5) получаем значения суммарной максимальной и минимальной погрешности регистрации смещений на дистанции контроля 100 м: 5ys max = 5,55 мм; 5ys min = 0,025 мм.
Таким образом, видно, что наибольший вклад в погрешность позиционирования при наихудших условиях вносит температурный градиент, а в идеальных условиях погрешность определяется только фоном. Для реальных условий эксплуатации необходи-
мо проведение дополнительных исследований по использованию двухволнового метода, ослабляющего влияние градиента температуры.
Заключение
В результате исследования наиболее значимых составляющих погрешности позиционирования показано, что большое влияние на точность оказывает:
• погрешность, вызванная температурным градиентом; в зависимости от дистанции она имеет квадратичный характер (рис. 4) и достигает на максимальных дистанциях при наихудших условиях эксплуатации 5,5 мм;
• погрешность, вызванная наличием фона; в зависимости от дистанции она носит кубический характер, и наибольшее значение этой погрешности в ясный солнечный день при максимальном фоне (рис. 5) достигает на максимальной дистанции 0,1 мм;
• погрешность изменения частоты модуляции излучения, обусловленная изменением температуры; зависимость этой погрешности от дистанции носит линейный характер (рис. 6) и достигает на максимальной дистанции 0,059 мм;
• суммарная погрешность при наихудших условиях эксплуатации в зависимости от дистанции контроля (рис. 7) может быть аппроксимирована выражением 5,55-10"4-/2 (/ -дистанция контроля в метрах), максимальное значение погрешности позиционирования относительно базовой плоскости будет достигать значения 5,55 мм.
Среди рассмотренных в работе внешних условий на погрешность позиционирования в оптико-электронных системах управления наибольшую роль оказывает влияние воздушного тракта - рефракция.
В дальнейшем целесообразно провести исследования распределения энергии в ОРСЗ в зависимости от характера и вида распределения аберраций объектива ЗБП, пространственных характеристик излучения современных серийных ПИД и качества регистрации положения ОРСЗ приемной частью с концентрическим объективом.
Литература
1. Джабиев А.Н., Мусяков В.Л., Панков Э.Д., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. / Монография. СПб: ИТМО, 1998. 238 с.
2. Барсуков O.A., Тимофеев А.Н. Особенности формирования оптической равносигнальной плоскости. // Оптико-электронные приборы и системы. / Сб. научных статей. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 1999. Выпуск 99. С.19-22.
3. Исследование принципов образования, методики расчета и средств создания оптической равносигнальной плоскости в системах оперативного мониторинга. // Отчет по НИР № 08635. / Руководитель профессор Панков Э.Д. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 1999.
4. Елизаров A.B., Куртов A.B., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы. // Приборостроение. 2002. Т. 45. №2. С.37-45.
5. Неумывакин Ю.К., Перский М.И., Захарченко М.А. и др. Автоматизация геодезических измерений в мелиоративном строительстве. М.: Недра, 1984.
6. Цуккерман С.Т., Гридин A.C. Управление машинами при помощи оптического луча. Л.: Машиностроение, 1969. 204 с.
7. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. М.: Радио и связь, 1981. 232 с.
8. Ефремов А.Н., Камальдинов А.К., Мармалев А.И., Самородов В.Г. Лазерная техника в мелиоративном строительстве. М.: Агропромиздат, 1989. 112 с.
