УДК 528
И.Г. Чугреев, А.М. Жилкин, В.Г. Авхадеев, К.Н. Былинушкин, И.М. Герасимов, П.И. Савостин, Е.П. Власенко, К.С. Федоров Московский государственный университет геодезии и картографии, Москва
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПОПЕРЕЧНЫХ СМЕЩЕНИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
I.G. Thugreev, A.M. Gilkin, V.G. Avchadeev, K.S. Bulinuchcin, I.M. Gerasimov, P.I. Savostin, E.P. Vlasenco, K.S. Fedorov
Moscow state university of geodesy and cartography (MIIGAIK), Moscow
RESEARCH, DEVELOPMENT AND PREPARATION FOR REALIZATION OF A NEW HIGH-PRECISION LASER MEASUREMENT SYSTEM
The report deals with the problems concerning development, creation and utilasation of a new scanning laser system, designed for ranging measurements of lateral shift of large size engineering objects in two coordinates.
Строительство уникальных инженерных сооружений, высокоскоростных автомобильных и железнодорожных трасс и необходимость их геодезического контроля при эксплуатации, а также создание земельных и городских кадастровых планов требуют широкого внедрения новых эффективных измерительных методов и средств, повышающих производительность и точность инженерно-геодезических работ, а также проведение мониторинговых измерений.
В настоящее время в России парк современных геодезических средств измерений пополняется, в основном, приборами импортируемыми из передовых зарубежных государств: США, Японии, Германии, Франции, Швейцарии, КНР и др.
К таким приборам, в первую очередь, относятся высокоточные цифровые тахеометры и лазерные сканеры фирм: Leica, Topkon, Trimbl, Opteh, Jena Inctrument и др.
Наиболее крупные Российские предприятия, выпускающие геодезические приборы - «УОМЗ», «ЛОМО» и др. пытаются создать конкуренцию перечисленным иностранным фирмам. В тоже время, исходя из экономических соображений, некоторые предприятия в последнее время прекратили выпуск приборов и занимаются, фактически, отверточной сборкой иностранного оборудования, например «ЭОМЗ» в основном, производит сборку приборов фирмы Leica.
Следует отметить, что стоимость иностранных приборов и их комплектующих очень высока в сравнении с отечественными. Например, цена высокоточных цифровых тахеометров перечисленных иностранных фирм достигает 250 - 500 тысяч рублей и выше, а лазерных фотометрических сканеров - значительно выше.
МИИГАиК имеет большой опыт использования в инженерно-геодезической практике иностранных и отечественных геодезических приборов и обладает научным потенциалом по созданию современных методов и средств для проведения высокоточных инженерно-геодезических измерений. К сожалению, университет в настоящее время не располагает необходимой производственной базой для реализации имеющихся идей.
В МИИГАиК в течение нескольких лет (2004-2008) группа сотрудников кафедр: «Прикладной оптики», «Высшей геодезии», «Геодезии», «Фотограмметрии», «Информационных измерительных систем», «Высшей математики» и специалистов внешних организаций под руководством профессора Жилкина А.М, в инициативном порядке проводила научно-исследовательскую работу по созданию новых прецизионных методов и оптико-электронных средств для контроля и измерений деформаций крупных инженерных сооружений на основе современных принципов построения измерительных систем. В 2008 г. по приказу ректора университета сформирована лаборатория «Лазерных измерительных систем МИИГАиК», которая должна продолжить эту научно -исследовательскую работу.
В настоящее время создается несколько макетных образцов базового комплексного оборудования, лазерной измерительной системы (ЛИС), обеспечивающей погрешность измерения поперечных смещений не более 0.2мм на трассах длиной до 70м. Результаты работ докладывались на конференциях и опубликованы в печати.
Деятельность лаборатории по разработке ЛИС проводится по следующим направлениям:
1. Выбор оптимального варианта применяемого в ЛИС источника излучения;
2. Расчет оптимальной телескопической системы (ТС), формирующей референтный лазерный пучок (РП), исходя из длины измеряемой трасы;
3. Расчет необходимых оптических элементов (С) (разворачивающая призма);
4. Выбор двигателя для вращения сканатора (С);
5. Выбор фотоприемника (ФП) при определенной конструкции фотоэлектрической марки ФМ;
6. Выбор полупрозрачной отражающей поверхности (111111), энергетический расчет;
7. Расчет конструкции фотоэлектрической марки ФМ;
8. Разработка электронных схем управления ФМ и С;
9. Разработка программы управления работой сканатора и ФМ и алгоритмов автоматической регистрации результатов измерений;
10. Разработка методики установки и юстировки выбранного варианта ЛИС.
Выбор источника излучения для ЛИС осуществлялся по следующим критериям: мощность, габариты, отношение размеров выходного диаметра пучка по осям X, Y, стоимость.
Расчет телескопической системы производился исходя из возможных минимальных параметров диаметров линз, с целью формирования оптимального диаметра референтного лазерного пучка.
Выбор двигателя осуществлялся по критериям: габариты, мощность, потребляемая энергия.
Фотоприемник (ФП) для регистрации сигналов поступающих с крест-анализатора определялся исходя из общей идеологической схемы и выбранной конструкции ЛИС.
В качестве полуотражающей поверхности (ППП) исследуется прозрачная пленка на лавсановой основе толщиной 0.1^0,2 мм. и показателем преломления п = 1.64, которая используется в картографическом производстве.
Для осуществления регистрации сигналов сформированных на крест-анализаторах каждой ИМ, а также для управления работой двигателя и сканатора в автоматическом режиме, разработаны электронные схемы, позволяющие осуществлять связь с ПЭВМ.
Разработано программное обеспечение для управления работой С и ФМ и алгоритмов автоматической регистрации результатов для створных измерений с помощью ЛИС на трассе измерений до 70м.
Разработана методика установки и юстировки выбранного варианта ЛИС на трассе.
Для наблюдения поперечных и вертикальных смещений, в системе предусмотрены активные марки - крест анализаторы (рис. 1).
Рис. 1. 1 - марка; 2 - след лазерной круговой развертки; 3 - крест анализатор
(щели)
Марка закрепляется на исследуемом объекте. Лазерная измерительная система (ЛИС) выставляется в створе марки. Так как совместить центр круговой развертки ЛИС с центром креста задача довольно сложная, то при первом приеме сканирования вычисляются координаты Х0^0 точки Rp, помеченной на рис. 1 крестом, в дальнейшем принимаемую за реперную точку начального положения объекта.
В программном обеспечении ЛИС принята прямоугольная геодезическая система координат.
При каждом последующем запуске ЛИС, вычисляются координаты Yi точки Сь являющейся центром окружности следа лазерной круговой развертки в текущий момент времени (времени запуска ЛИС). По разности координат вычисляются смещения объекта.
ЛХ,=Х,-ХКР
ЛИС снабжена датчиком угол-код, жестко связанным с валом электродвигателя оптического блока круговой развертки.
Данными для вычисления текущих координат центра круговой развертки являются:
а) Код датчика;
б) Длина радиус-вектора круговой развертки;
в) Ответный импульс креста анализатора в момент прохождения пятна лазера через щель крест анализатора.
Обратимся к рис. 2.
Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены щели креста анализатора.
Через точку Сi проходит система координат XY круговой развертки. Через точку О проходит система координат креста анализатора.
dy1, dy2 - приращения координат центра круговой развертки относительно центра креста анализатора, вычисленные по меткам 1 и 3.
dx2, dx4 - приращения координат центра круговой развертки относительно центра креста анализатора, вычисленные по меткам 2 и 4.
/ 1 У 4 / О ■х Ч. X \ \ \ \ 7
(Зх. ' - 1 Л 1*2
1 у \ \ ч \ X 3 / С; ' / / / ^ /
Рис. 2
Приращения вычисляются по формулам:
dхi = R cos(фi);
<3у1 = R sin(фi),
где Я - радиус круговой развертки;
ф - значение угла развертки при пересечении щели креста анализатора.
Как видно из чертежа, приращения координат вычисляются дважды, по противоположным меткам. Регистрируются средние значения приращений.
Управление ЛИС осуществляется с удаленного компьютера через коммуникационный порт RS-232.
Порядок работы с программой.
1. При активации программы необходимо создать, или указать папку проекта исследуемого объекта.
2. Активировать ЛИС. В момент активации устанавливается связь с ЛИС, т.е. активируется коммуникационный порт RS-232. Подается команда на запуск двигателя, команда активации марки, команда включения лазера.
3. В течении трех секунд система работает в холостую. В данный промежуток времени выполняется контроль выполнения команд, а двигатель набирает стабильность оборотов.
4. Выполняется опрос датчика угол-код - прохождение нулевой точки. При получении отклика, выполняется последовательный опрос марки на положение лазерного пучка относительно креста-анализатора.
5. При пересечении щели креста-анализатора выполняется опрос датчика угол-код, значение датчика регистрируется.
6. Четвертый и пятый пункты выполняются в цикле, который задается в начале работы над проектом. Один цикл соответствует опросу четырех щелей креста-анализатора, т. е. выполнению полного оборота круговой развертки.
7. По окончании опроса марки, Вычисляются координаты центра круговой развертки. Выполняется контроль на сходимость координат. Если контроль сошелся, вычисляется математическое ожидание координат центра
развертки и выполняется оценка точности полученных координат по внутренней сходимости. Исследуемая марка выключается и активируется следующая марка. Выполняются действия описанные в пунктах 4,5,6. И т.д., пока не будет исследована последняя заданная марка.
8. Если контроль на внутреннюю сходимость не выполняется, измерения ткущей марки повторяются заново.
9. По окончании работы, система автоматически выключается и переходит в режим ожидания следующего запуска. Запуск программы может осуществляться вручную, или автоматически, по установленному таймеру. Данные по маркам сохраняются в файле проекта. При этом, измерения сопровождаются датой и временем запуска ЛИС.
В апреле - мае 2008 года произвели пробное натурное испытание ЛИС на строящемся объекте фирмы «Группа компаний ВАДИС». Объект представлял собой ангар (70 м), крышу которого подпирали стальные колонны (12 м). Исследовалось поведение колонн. Результаты исследований подтверждают технические характеристики приведенные в рекламном обозрении ЛИС.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Апенко М.И., Дубовик А.С., Дурейко Г.В., Жилкин А.М. Прикладная оптика. -М.: «Машиностроение», 1992. -480 с., гл. 23, 24.
2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. - М. «Машиностроение», 1989. - С. 155-158.
3. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. - М.: «Советское радио», 1978. - 264 с.
4. Авхадеев В.Г., Жилкин А.М., Чугреев И.Г.и др. Развитие методов и средств измерений отклонений от прямолинейности объектов. Статья - М.: Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка», 2008. - № 1 - С. 126-133.
5. Сможенков Н.Ф., Сергунин Е.Г., Филин В.Н. Полимерные материалы картографическом производстве. - М.: Недра, 1978 - 133 с.
6. Авхадеев В.Г. Предварительные результаты исследования пластмассовых пленок, используемых в качестве поверхностей с частичным отражением. Статья - М. Известия вузов «Геодезия и аэрофотосъемка» - 2008. - № 6.
7. Жилкин А.М., Чугреев И.Г., Авхадеев В.Г. и др. Исследования, разработка и подготовка к коммерческой реализации лазерной прецизионной измерительной системы. Статья. Сборник статей по итогам научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 229-летию МИИГАиК. Выпуск 1. М., 2008. - С. 65-67.
© И.Г. Чугреев, А.М. Жилкин, В.Г. Авхадеев, К.Н. Былинушкин, И.М. Герасимов, П.И. Савостин, Е.П. Власенко, К.С. Федоров, 2009