CC BY
25
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СМЕЩЕНИЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ
Е.М. Богатинский Научный руководитель - к. т.н., доцент А.Н. Тимофеев
Работа направлена на оптимизацию моделей существующих систем, предназначенных для дистанционного контроля положения рабочих органов строительной техники. Предлагается новый способ обзора пространства в полном азимутальном угле методом электронного сканирования.
Введение
Обеспечение управления строительной и измерительной техникой относительно плоскости является актуальной задачей для современного приборостроения. По мере роста научно-технического прогресса совершенствуются технологии и, соответственно, конструкции машин для проведения строительных работ. В настоящее время для оптимизации и повышения точности подготовки земляного полотна во многих строительных фирмах всего мира используются оптико-электронные системы автоматического управления (ОЭСАУ) строительной техникой, или как их еще называют, системы автоматического задания высотного положения [1].
В основу работы данных систем положено использование лазерных построителей плоскостей, которые задают горизонтальную или расположенную под определенным наклоном плоскость, и лазерных приемников, устанавливаемых на рабочих органах строительных машин. Главными достоинствами таких систем являются простота оптической части, высокое качество изображения, возможность работы в различных спектральных диапазонах. Однако наличие механических элементов, осуществляющих развертку лазерного излучения, существенно снижает точность, особенно в полевых условиях при большой запыленности и влажности атмосферы и при больших колебаниях температуры.
Преимуществом оптического излучения является большое количество собственных параметров (частота, амплитуда, фаза излучения, степень поляризации и т.д.), которые несут исчерпывающий объем информации о положении исследуемых объектов. Поэтому разработка моделей оптико-информационных систем, использующих эти параметры оптического излучения, должна явиться перспективной для дальнейших исследований.
Основные тенденции развития техники предполагают проведение прикладных работ, направленных на повышение точности результатов измерений с помощью оптико-электронных систем (ОЭС), сокращения их энергопотребления, увеличения быстродействия и осуществления работы преимущественно в автоматическом режиме.
Основная часть
Для обеспечения высокой точности позиционирования на больших дистанциях в качестве базы предлагается использовать оптическую равносигнальную зону (ОРСЗ), имеющую форму плоскости [2] и позволяющую обеспечить сканирование пространства электронным способом. Применение ОРСЗ позволяет обеспечить в измерительных системах более высокую точность при значительном диапазоне контроля и управления, высокую надежность в работе при наличии вибраций, ускорений и сильно изменяющихся условиях эксплуатации.
В работе [3] показано, что наиболее оптимальной для обзора пространства в некоторой сравнительно широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по уг-
лу места) является система с панорамной концентрической оптикой. В таких системах создается плоская проекция полусферы (или области, близкой к ней), которая затем анализируется приемником излучения и вычислительным устройством. Достоинства этих систем очевидны: отсутствие механического сканирования, единый оптический канал, и возможность различных способов анализа изображения.
Модель прожектора ОЭСАУ с ОРСЗ можно представить двумя концентрическими объективами 3 и 4 (рис. 1), строящими изображения излучающих поверхностей ра-диально установленных полупроводниковых излучающих диодов (ПИД) 1, 5. Кольцевая заслонка 2 перекрывает часть пучков излучения ПИД для того, чтобы изображения подсвеченных границ на максимальной дистанции работы системы соприкасались -образовывалась ОРСЗ. ПИД переключаются с требуемыми частотами /1 и /2 в верхнем и нижнем каналах, происходит частотная модуляция полей.
Рис. 1. Двухканальный прожекторный блок системы
Впервые предлагается для обеспечения непрерывности распределения облученности в круговой планарной ОРСЗ использовать многоэлементный источник излучения, представляющий собой кольцо, составленное из расположенных вплотную друг к другу полупроводниковых излучающих диодов (ПИД). Для рассматриваемой схемы предложено использовать ПИД на основе арсенида галлия (ОаЛв), типа АЛ107Б. В качестве фотоприемника предлагается использовать кремниевый фотодиод ФД-27К.
Параметры объектива прожектора рассчитаны [4] и приведены в таблице.
Радиус, мм Толщина по оси, мм Материал п (Х=0.95 мкм) Световой диаметр, мм Стрелка, мм
воздух 1
59,69 10,98 0,25
119,38 Ф2 1,600836
-59,69 35,46 -2,70
35 воздух 1
-94,69 34,26 -1,56
3 К8 1,507792
-97,69 34,56 -1,54
воздух 1
Таблица. Конструктивные параметры концентрического объектива прожектора
Из условия непрерывности распределения облученности в кольцевой области пространства находим: диаметр выходного зрачка оптической системы прожекторного блока не менее 35,5 мм, а приемной части не более 40,71 мм; количество ПИД в каждом канале прожекторного блока 210. Однако облученность в каждой точке зоны управления оптико-электронной системы (ОЭС) распределена неравномерно [5], поэтому для обобщения имеющегося материала возникает необходимость исследовать
распределение энергии в пространстве, охваченном областью работы ОЭС. Требуется, чтобы оптическая равносигнальная зона была как можно ближе к плоскости, ведь ее форма, главным образом, определяет погрешность работы ОЭС позиционирования.
Принято считать [6], что энергия в ОРСЗ распределена надлежащим образом (без существенных провалов) для уверенной идентификации, и до настоящего времени исследования распределения энергии не проводились. Однако это распределение носит крайне неравномерный характер (рис. 2).
Е, Вт/м2
НИШ о
6000 X. мм
Рис. 2. Пространственное распределение облученности в ОРСЗ в горизонтальном сечении пучка для оптической системы с аберрациями: пунктирные линии - распределение для каждого ПИД в отдельности; сплошные - суммарное распределение
Заключение
Разработана методика [7] и проведены исследования, направленные на изучение влияния расфокусировки и аберраций оптической системы формирователя базовой плоскости (ФБП) на пространственное распределение облученности в планарной ОРСЗ, что в конечном итоге определяет главную погрешность позиционирования системы.
Предложена усовершенствованная модель ОЭС, свободная от указанных выше недостатков, для контроля смещений объектов.
По результатам проделанной работы доказана реализуемость предложенной оптической системы концентрического типа. В качестве источников выбраны ПИД типа АЛ107Б, приемников - ФД-27К. Диаметр входного зрачка оптической системы приемной части - не более 40,71 мм, выходной зрачок прожектора - не менее 35,5 мм.
Литература
1. Знобищев С.В. Системы автоматического управления строительной техникой для выполнения земляных работ // Геопрофи. - 2004. - №1.
2. 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.
3. Елизаров А.В., Куртов А.В., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Обзорно-панорамные оптико-электронные системы // Приборостроение. - 2002. - Т. 45. - №2.
4. Богатинский Е.М., Тимофеев А.Н. Габаритно-энергетический расчет в оптико-электронной системе с круговой оптической равносигнальной зоной // Научно-
технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2006. - Выпуск 34. Современная оптика. -С. 209-212.
5. Богатинский Е.М., Тимофеев А.Н. Формирование и анализ пространственного распределения энергии в планарной оптической равносигнальной зоне // VII Международная конференция «Прикладная оптика-2006». СПб, Россия. Сборник трудов. Т.3 «Компьютерные технологии в оптике» / СПб: Оптическое общество им. Д.С. Рождественского, 2006. С. 297-301.
6. 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.: СПбГИМО (ТУ), 1999. С. 19-22.
7. Гридин А.С. Распределение энергии в оптической равносигнальной зоне // Изв. вузов. Приборостроение. - 1967. - Т. X. - №1. - С. 93-97.
