Исследование и разработка алгоритмов автоколлимационного измерения параметров пространственной ориентации объектов

Определение области, объекта и предмета диссертационного исследования.

Решение многих измерительных задач в производстве и науке требует контрольно-измерительных действий по определению пространственных координат объектов контроля относительно некоторой неподвижной базы. Определяемыми параметрами в общем случае являются линейные смещения и угловые повороты объекта. Однако во многих задачах достаточно измерить только угловые повороты, а измерение линейных смещений либо не требуется, либо, они могут быть рассчитана по измеренным значениям угловых координат.

Могут быть выделены следующие группы указанных выше задач.

1. Измерения углов поворота малоразмерных объектов относительно их исходного положения, принимаемого за базу. Подобные измерения выполняются, например, при тестировании экспериментальных моделей судов, самолетов, гондол летательных и подводных аппаратов при их испытаниях в опытовых бассейнах, аэродинамических трубах, имитационных стендах /34/.

2. Измерение взаимного углового положения кооперируемых объектов в процессе их сопряжения: рабочего органа робота и детали в процессе обработки, объектов при воздушной или космической стыковке, блоков и узлов при сборке и юстировке средств производства в машиностроении и приборостроении /12,28,72,69/.

3. Измерение параметров пространственного положения элементов крупногабаритных конструкций под воздействием ветровых, весовых, температурных, инерционных нагрузок. В частности выполняется измерение угловых поворотов при коррекции профиля рефлектора телескопов, вводе поправок на разворот отдельных антенн радиотелескопа или зеркальных сегментов составного зеркала, учете взаимного рассогласования фрагментов научных физических установок в рабочем режиме. Линейные деформации рассчитываются по результатам угловых измерений при известных габаритно-массовых параметрах деформируемых элементов /28,45, 63,74/.

4. Измерения деформаций при испытаниях новых материалов и изделий, исследованиях напряженных состояний и устойчивости элементов конструкций. Здесь также часто по измеренным угловым деформациям рассчитываются линейные деформации /36,69, 71 /.

5. Сопровождение процесса сборки с контролем сопряжения и взаимного расположения в процессе монтажа и при работе в технологическом режиме компонентов оборудования в строительстве, энергетике, промышленности. Такая задача решается в процессе сборки авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, блоков токамаков и т. д. /5, 13,25,27,40,41/.

Исходя из условий решаемых метрологических задач можно сформулировать ряд общих свойств, которыми должны обладать используемые угломерные системы. В частности, могут быть рассмотрены две следующие группы свойств.

Свойства первой группы являются стандартными для измерительных устройств и включают: свойство измерения с требуемой точностью, свойство измерения в требуемом диапазоне углов и на требуемой рабочей дистанции до контролируемого объекта.

Для решения большинства указанных задач требуются измерения в диапазоне от десятков угловых минут до нескольких единиц угловых градусов при относительной погрешности от тысячных до сотых долей от диапазона измерения.

Свойства второй группы отражают специфику измерительной задачи и включают в частности, свойство бесконтактности, под которым понимается возможность измерения без наличия механической или электрической (проводной) связи между базовыми реперами и контролируемым объектом.

При решении указанных задач в основном требуются двухкоординатные и однокоординатные измерения поворотов относительно коллимационных осей, ортогональных линии визирования контролируемого объекта.

Свойством бесконтактности (в вышеуказанном смысле) обладают угломерные системы на основе явлений геометрической оптики, реализующие автоколлимационный метод измерения в соответствии с которым на объекте контроля размещается пассивный отражательконтрольный элемент (КЭ) автоколлиматора, а все активные компоненты — приемно-передающие блоки автоколлиматора — расположены на жесткой базе.

Используемые в настоящее время оптико-электронные автоколлимационные угломеры (ОЭАКУ) не реализуют требуемую точность измерения в указанном диапазоне.

Одной из причин такого положения является несовершенство используемых алгоритмов измерения, не учитывающих в достаточной мере специфики современных измерительных задач и особенностей элементов используемых в ОЭАКУ.

В частности, типовой алгоритм автоколлимационных измерений при использовании в качестве КЭ плоского зеркала не учитывает принципиального фактора — виньетирования рабочего пучка оправами оптических элементов ОЭАКУ, что приводит к значительному увеличению погрешности измерения. Также, использование других типов КЭ, например, на основе тераэдрических и триэдрических отражателей определяет необходимость разработки алгоритмов измерения специально для определенной конфигурации КЭ.

Указанные обстоятельства подтверждают актуальность выбора в качестве объекта исследования оптико-электронных автоколлимационных угломеров, соотношений между параметрами их элементов, методов расчета параметров и характеристик., а в качестве предмета исследования — алгоритмов автоколлимационных измерений, реализация которых позволяет увеличить диапазон измерения и точность ОЭАКУ.

Цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационного исследования ОЭАКУ является разработка их принципов построения, методов расчета параметров элементов, а также алгоритмов измерения, обеспечивающих расширение диапазона и увеличение точности измерений.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач.

При автоколлимационных измерениях мерой угла поворота контролируемого объекта является угол отклонения орта пучка, отраженного расположенным на нем контрольным элементом (КЭ).

Как было установлено, одной из основных причин ограничения диапазона измерения и снижения точности является виньетирование рабочего пучка оправами оптических элементов ОЭАКУ. С другой стороны, характер виньетирующего действия оптических элементов ОЭАКУ определяется видом используемого КЭ и реализуемым алгоритмом измерения.

Эти обстоятельства определяют следующие задачи исследования.

1. Задачи по исследованию принципов построения автоколлимационных систем, включающие:

— анализ основных направлений расширения диапазона и увеличения точности измерения ОЭАКУ, обеспечение требуемых групп свойств;

— синтез КЭ на основе триэдрических и тетраэдрических зеркально-призменных систем, при использовании которых устраняется погрешность вследствие виньетирования рабочего пучка (КЭ, оптимизированные по фактору виньетирования);

— разработку алгоритмов измерения при использовании КЭ, оптимизированных по фактору виньетирования рабочего пучка-.

— оптимизация габаритных соотношений между параметрами оптических компонентов ОЭАКУ по критерию уменьшения погрешности измерения из-за виньетирования и увеличения диапазона измерения.

2. Задачи по исследованию алгоритмов автоколлимационных измерений, включающие:

— теоретического исследования зависимостей погрешности измерения от степени виньетирования пучка при использовании КЭ в виде плоского зеркала;

— разработки алгоритма измерения, позволяющего компенсировать погрешность вследствие виньетировагия при измерении по теоретически рассчитанной величине виньетирования пучков.

В методической области в задачу диссертационной работы входит разработка методик:

— расчёта параметров конфигурации отражающих зеркально-призменных систем различных видов, оптимизированных по фактору виньетирования рабочего пучка триэдрическими и тетраэдрическими КЭ;

— габаритного расчета параметров оптических элементов схем ОЭАКУ.

В экспериментальной области ставится задача эмпирического подтверждения правильности разработанных алгоритмов измерения и методик синтеза КЭ для измерения коллимационных углов в расширенном диапазоне.

Методы исследования. В теоретической области предполагается использовать векторно-матричный метод расчёта и разработанные на его основе методики анализа и синтеза зеркально-призменных систем.

Экспериментальные исследования макета ОЭАКУ реализуются на основе геодезических средств задания референтного направления. Обработка результатов экспериментов проводится по стандартным методикам.

Структура диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения.

Основные результаты экспериментов.

1. При использовании синтезированного КЭ с цилиндрической отражающей гранью погрешность измерения составляет не более 40″ в диапазоне 3° (коэффициент преобразования 0,17). При этом погрешность измерения в основном определяется чувствительностью анализатора ОЭАКУ на основе ПЗС матрицы. Эксперименты выполнялись при рабочей дистанции — 1,5 м.

2. Эксперименты с КЭ в виде плоского зеркала (коэффициент преобразования 2) показали, что при указанных габаритах оптических элементов на дистанции измерения 5 м погрешность измерения составила 2″ в диапазоне 0. 10' и, вследствие влияния виньетирования, возросла до 18″ в диапазоне от 10' до 1 5'. После применения разработанного компенсирующего алгоритма погрешность в диапазоне 10'. 15' составила не более 4″ .

Погрешности измерения указаны с доверительной вероятностью 0,997.

Экспериментально полученные значения коэффициента преобразования КЭ с цилиндрической гранью хорошо согласуются с теоретическими — K®i = К©-2 = 0,163. Результаты экспериментов подтвердили правильность разработанных принципов построения ОЭАКУ и алгоритмов измерения, реализующих увеличение диапазона измерения и точности автоколлимационных измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Рассмотрены основные тенденции развития автоколлимационных углоизмерительных систем, выявлены группы требований к ним.

2. По результатам исследований сформулированы принципы построения и алгоритмы измерения для оптико-электронных автоколлиматоров с расширенным (до нескольких угловых градусов) диапазоном углов и уменьшенной погрешностью измерения из-за виньетирования.

3. Разработана группа методик расчёта:

— синтеза КЭ на основе стеклянных тетраэдров и зеркальных триэдров с цилиндрической гранью для измерения коллимационных углов, позволяющих минимизировать погрешности измерения вследствие виньетирования рабочего пучка;

— габаритного расчёта параметров элементов оптической схемы ОЭАКУ, определяющих условие минимизации составляющей погрешности измерения вследствие виньетирования рабочего пучка.

4. Разработана аналитическая модель зависимости погрешности измерения вследствие виньетирования от габаритных параметров оптических элементов ОЭАУС.

5. Разработан алгоритм компенсации систематической погрешности измерения вследствие виньетирования на основе аналитической модели.

6. Разработан алгоритм измерения координат эллиптического изображения при использовании КЭ в виде триэдра с цилиндрической отражающей гранью.

7. Для проверки достоверности полученных результатов спроектирован макет ОЭАКУ, экспериментальное исследование которого подтвердило правильность теоретических разработок.

Результаты диссертации отражены в следующих публикациях.

1. Liu lei, Igor A. Koniakhine. Research on the methods to reduce the error in autocollimation angular measurements // Proceedings The Third International Symposium on Instrumentation Science and Technology. Xi’an, China. Aug. 18−22,.

2004, — P. 385−389.

2. Zhang Jilong, Liu Lei, Igor A. Koniakhine. Methods of autocollimation angular measurement range increase. //VI Международная конференция «Прикладная оптика» 18−21 октября 2004 г, СПб, Россия. /Сборник трудов-Т .1 (1) «Оптическое приборостроение». — СПб: СПбГУ ИТМО 2004. С. 33 -36.

3. Коняхин Й. А., Лю Лэй. Компенсационный алгоритм автоколлимационных измерений повышенной точности. // XXXV Научная и учебно-методическая конференции СпбТУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2−4 февраля 2005 г. / Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Вып. 18. Исследования в области оптики и физики / Главный редактор д.т.н., проф. В. Н. Васильев.~СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. — С. 232−236.

4. Лю Лэй. Анализ специального автоколлимационного алгоритма угловых измерений для оптико-электронных приборов пассивного типа // 0птика-2005. Труды четвертой международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2005». Санкт-Петербург, 17−21 октября 2005. / Под ред. проф. В. Г. Беспалова, проф. С. А. Козлова. -СПб: СПбГУ ИТМО,.

2005.-С. 158−159.

5. Лю Лэй. Экспериментальное исследование погрешности авторефлексионных измерений вследствие виньетирования //Труды «Ш Межвузовской конференции молодых учёных». — СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, — С. 55−57.