CC BY
31
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КРУПНОРАЗМЕРНЫХ
ОБЪЕКТОВ И.А. Коняхин, А.Д. Мерсон
Рассматриваются особенности моделирования оптико-электронных систем измерения деформаций крупноразмерных объектов на примере системы контроля деформаций главного зеркала радиотелескопа. Авторами была создана компьютерная модель и проведено исследование влияния первичных погрешностей, действующих в системе.
Введение
Направление в измерительной технике, связанное с определением линейных смещений и угловых поворотов контролируемого объекта, является актуальным и развивающимся. Примерами могут служить: в приборостроении - контроль геометрических параметров изделий и их пространственного положения, в навигации и ориентации -определения положения ориентируемого объекта относительно выбранной системы координат, в строительстве - контроль отдельных элементов и сооружений в целом, в астрономии и геодезии - определение координат небесных или наземных объектов.
В частности, задача создания радиотелескопа требует использования системы контроля деформаций его элементов.
1. Система контроля деформаций элементов радиотелескопа.
Метод «прямой» угловой засечки
Основным элементом радиотелескопа является главное зеркало. Оно представляет собой трехмерную параболу диаметром 50-100 метров и состоит из большого (от 1000 до 2000) количества металлических пластин. Под действием веса и колебаний температуры окружающей среды происходит изменение положения каждой пластины, в результате чего поверхность зеркала отклоняется от теоретической параболы. Для решения этой проблемы требуется создание системы контроля деформации главного зеркала, которая должна, в частности, должна измерять смещения отдельных пластин относительно их начального положения.
Для этого используется метод «прямой» угловой засечки. Суть метода заключается в следующем: на базовом объекте на фиксированном расстоянии друг от друга располагаются две ПЗС-камеры. На объекте контроля находятся элементы, определяющие его пространственное положение - например, лазерные светодиоды.
Вторичное зеркало
Угломестная ось
Баз звое кольцо
ЕЗЗ
Гиростабилизирован! системы измерения у наведения
ая платформа глов
г
О
Рис. 1. Схема расположения ПЗС-камер на радиотелескопе
Камеры 1 и 2 закреплены на базовом кольце. Это неподвижный элемент конструкции, обеспечивающий базу измерительной системы. Расстояние между камерами фиксировано и равно В.
С помощью камер измеряются координаты изображений контрольной точки в плоскости ПЗС-матриц. Затем по формулам (1) определяются углы визирования ф1 и ф2 в горизонтальной плоскости и и ц2 в вертикальной, которые, в свою очередь, позволяют рассчитать координаты х, у, 2 контрольной точки в базовой системе координат [1].
ф1 = П - ате^х1
ср2 =2 + х2у.
(1 = ате(^ у/£|, (2 = аШ^
2 =
В • tg(-ф1) tg(п - ф2) = В • tg (п - ф2 ) tg(- ф1) + tg(п- ф2) ' Х tg (- ф1) + tg (п- ф2)
(1)
у = 0.5^х2 + г2 • tg(ц1 )+ 0.5^г2 +(в-х ^ • tg((2 )
Здесь/- фокусное расстояние объективов, В - базовое расстояние между осями видеокамер, х1, у1, х2, у2 - координаты изображений на ПЗС-матрицах.
Свето- — '
Объектив 1
ПЗС 1
У I
г
1- Изображение 1
Объектив 2 ПЗС 2
у1
Изображение 2 Микропроцессор
Рис. 2. Схема метода «прямой» угловой засечки.
Важное значение имеет исследование погрешностей, действующих в такой системе. Предварительное исследование погрешностей практичнее всего производить на компьютерной модели системы. Авторами было произведено исследование составляющих погрешности измерения координат контрольной точки с помощью реализованной компьютерной модели.
2. Результаты исследования составляющих погрешности измерения
координат контрольной точки
В результате предварительного анализа были выявлены следующие базовые погрешности, оказывающие наибольшее влияние.
1. погрешность углов визирования ПЗС-камер;
2. погрешность измерения координат центра изображения на ПЗС-матрицах.
Их графики представлены на рис. 3-5.:
Рис. 3. Зависимость погрешности определения координаты х от погрешности угла визирования при различных расстояниях до контрольной точки.
Рис. 4 Зависимость погрешности определения координаты ъ от погрешности угла визирования при различных расстояниях до контрольной точки.
мм
10 -,
1 -0,1 -0,01 -
2'' 10'' 20'' 30'' 40'' 50'' 1' 1'10'' 1'20'' 1'30''
Рис. 5. Зависимость погрешности определения координаты у от погрешности ПЗС-матрицы при различных расстояниях до контрольной точки.
В результате анализа были сделаны следующие выводы.
1. Погрешность углов визирования оптических осей ПЗС-камер оказывает на порядок большее влияние, чем погрешность измерения координат изображения на ПЗС-матрице.
2. Погрешность измерения координаты z в несколько раз превышает погрешности измерения координат х и у, причем разница растет с увеличением расстояния до контрольной точки.
3. Погрешности измерения гиперболически зависят от расстояния до контрольной точки.
Заключение
В работе исследовано влияние первичных погрешностей, действующих в системе контроля деформаций главного зеркала радиотелескопа, с помощью компьютерной модели. В результате проведенного исследования подтверждена эффективность компьютерного моделирования при проектировании оптико-электронных систем измерения деформаций крупноразмерных объектов.
Литература
1. Высокоточные угловые измерения / Д. А. Аникст, К.М. Константинович, И.В. Месь-кин, Э.Д. Панков. Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987. 480 с.
