УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ
APPARATUS FOR DETERMINING SPATIAL ORIENTATION OF OBJECTS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения взаимного разворота разнесенных в пространстве объектов, проверки скручивания поверхностей относительно друг друга, для параллельного переноса визирной линии, для передачи на расстояние базового направления и др. Такие задачи часто встречаются, например, при проверке расположения поверхностей, разделенных непрозрачной преградой, на кораблях, самолетах, в полевых условиях при передаче азимутального направления. Специфические особенности, в которых производится монтаж и сборка таких изделий, исключают применение существующих средств контроля либо из-за недостаточной точности, либо из-за ограничения дистанции контроля, либо из-за сложности настройки.
Например, известно устройство (авторское свидетельство №741045 от 28.12.1977) для контроля плоскостности поверхностей, разделенных непрозрачной преградой, состоящее из двух оптически связанных блоков с элементами, определяющими базовое и контролируемое направления, предназначенное для контроля фундаментной рамы непосредственно на плаву судна. Оно содержит систему из двух объективов с призменными отражателями, ребра прямого угла которых параллельны и связаны с указанными направлениями, две марки, расположенные вдоль ребра отражателя, узел совмещения изображений и микроскоп. Один из объективов размещен в неподвижном блоке, другой объектив и все оптические узлы устройства размещены в блоке, который разворачивается относительно оптической оси системы. Принцип работы устройства основан на свойстве прямоугольного отражателя поворачивать отраженное от него изображение предмета на двойной угол. Устройство обладает достаточно высокой точностью, но может работать только на одной точно выверенной дистанции. Если фокус объективов, например, равны 1000 мм, то дистанция будет 2000 мм и не может меняться в процессе эксплуатации, к тому же очень сложна настройка устройства и его аттестация.
Устройство, описанное в журнале « Оптико-Механическая Промышленность» 1987, №12, с.18-20 аналогичного принципа действия, также содержит два призменных отражателя, объектив и марки, разнесенные относительно оси объектива параллельно ребрам отражателей. Устройство позволяет изменять дистанцию, но величина дальности незначительна и ограничивается значением фокусного расстояния объектива и габаритами устройства.
Известно устройство определения пространственной ориентации объектов, описанное в патенте №218311 от 10.05.2001, которое содержит два призменных отражателя, объектив, блок марок с осветителями, узлом совмещения изображений, фотоэлектрическим приемником и элементом привязки, определяющим контролируемое направление. Как указано в описании изобретения, марки расположены в предметной плоскости объектива. Этот признак является. существенным недостатком, так как не обеспечивает работу устройства при изменении дистанции. При установке марок в предметной плоскости объектива требуется очень точное расположение приемника в плоскости изображения и отражателя относительно объектива. Все плоскости, в которых располагается предмет относительно объектива, являются предметными плоскостями, но при этом из объектива не всегда выходит параллельный пучок лучей. Для обеспечения задачи эксплуатации устройства без ограничения дистанции необходимо расположение марок в фокальной плоскости объектива, т.е. предметную плоскость следует совместить с фокальной плоскостью. Только в этом случае обеспечивается параллельность выходящего из объектива пучка лучей, возможность изменения дистанции и постоянство масштаба. В устройстве, описанном в патенте №218311, это не обеспечивается. Кроме этого, в оптической схеме устройства для получения требуемых габаритов при значительно большой величине фокусного расстояния (f=1800 мм) применен зеркально-линзовый объектив с асферическими поверхностями, который очень сложен в изготовлении, и потому устройство, выполненное по указанному патенту и описанное в «Оптическом журнале», 76, 9, 2009, с.56-58, не нашло практического применения.
Наиболее близким по совокупности признаков конструктивного исполнения, назначения и принципа действия к предлагаемому изобретению является устройство определения пространственной ориентации объектов, описанное в патенте №2408840 пр. от 29.10.2009. Устройство содержит отражатель в виде блока прямоугольных призм, объектив, установленные в предметной плоскости объектива две жестко связанные между собой марки с осветителями, образующие два оптических канала, оси которых симметричны относительно оси объектива, элемент привязки, определяющий контролируемое направление, и приемное устройство в виде фотоэлектрического прибора с зарядовой связью, с блоком управления и блоком обработки сигналов, которое имеет два фоточувствительных регистра, параллельных между собой и перпендикулярных линиям марок. Марки выполнены в виде линейчатых растров и дополнены элементами, сечение которых меняется при смещении изображения марок вдоль линии марок. Эти смещения, возникающие из-за разворота отражателя вдоль ребра и вносящие погрешности в измерения, измеряют при аттестации устройства и вносят соответствующие поправки. Поправки вносят также и вследствие увеличения диапазона измерений. Задача эта очень трудоемкая.
Как и в предыдущем устройстве, расположение марок в предметной плоскости объектива, не совмещенной с фокальной плоскостью, не образует автоколлимационной системы, из объектива не выходит параллельный пучок лучей, а потому на разных дистанциях происходит расфокусировка изображения и изменение масштаба преобразования, а следовательно, такое устройство не может быть использовано для определения пространственной ориентации объектов на подвижных установках. Кроме того, если марки не установлены в фокальную плоскость объектива и на призменный отражатель падают непараллельные пучки лучей, тогда не выполняются основные положительные свойства прямоугольного призменного отражателя: отражение лучей в том же направлении и нечувствительность системы к наклонам отражателя в плоскости, перпендикулярной его ребру, что может привести к возникновению бликов и сложной картины в плоскости изображения и к снижению точности измерения.
В предлагаемом устройстве пространственной ориентации объектов устраняются недостатки вышеописанного устройства. Заявляемое устройство имеет существенные отличительные признаки.
Во-первых, марки устанавливаются в фокальной плоскости объектива. Технический эффект - повышение точности устройства, возможность работы на разных дистанциях, на подвижных установках без перефокусировки, без изменения масштаба. Из объектива на призменный отражатель падают и обратно отражаются пучки параллельных лучей. При этом обеспечивается нечувствительность системы к наклонам призменного отражателя и выполнение основного принципа действия устройства: при рассогласовании направлений линии марок и ребер отражателя благодаря автоколлимации производить измерения с повышенной чувствительностью и высокой точностью.
Во-вторых, в качестве объектива применен телеобъектив, задачей которого явилось значительное сокращение габаритов устройства. При достаточно большом значении фокусного расстояния (f=1000 мм) фокальная плоскость, в которой расположены марки, удалена от объектива незначительно (S=80 мм). Технический эффект - уменьшение габаритов устройства без сокращения измеряемой трассы.
В-третьих, в предлагаемом устройстве устанавливается поворотная шторка, которая располагается между телеобъективом и призменным отражателем в плоскости положения зрачка и включается при выполнении фокусировки. Расчеты и практические испытания устройства показали, как важно совмещение предметной плоскости объектива с фокальной плоскостью. Несовмещение на 0,1 мм уже недопустимо изменяет на различных дистанциях фокусировку изображений и масштаб измеряемых значений. Достижение таких точных результатов является трудоемкой задачей при объективе с большим фокусным расстоянием, с внеосевым расположением марок и переменной дистанцией. Включение шторки, которая перекрывает поочередно то одну половину светового диаметра объектива, то другую, очень упрощает эту задачу. Оценивая результаты перекрытий по счетчику приемника и выравнивая их установкой соответствующей прокладки под объектив, обеспечивают фокусировку с требуемой высокой точностью. Технический эффект - упрощение настройки устройства, повышение точности измерений на всех дистанциях.
В-четвертых, в предлагаемом устройстве блок обработки сигналов снабжен электронной системой автоматического введения значения масштабного коэффициента К в зависимости от диапазона измеряемых углов и дальности измерений, что позволяет значительно увеличить диапазон измеряемых углов без увеличения погрешности измерений. Измеряемый угол разворота призменного отражателя W определяется по величине взаимного смещения L изображений марок в фокальной плоскости телеобъектива вдоль регистров приемника, которое определяется по формуле L=b tg2W, где b - расстояние между регистрами. Формула определения угла W=K·L, где К - масштабный коэффициент. Значение К определяется формулой K=W/L и не может иметь постоянного значения при измерении различных по величине значений W. С увеличением диапазона измерений неизбежно растет погрешность измерения вследствие нелинейности зависимости функции tg2W от L. В описанном выше устройстве (прототипе) для устранения погрешности вводятся поправки при K=const с дискретностью одной угл. с на соответствующие диапазоны измерений. Работа введения поправок очень трудоемкая и ограничивает диапазон измеряемых углов. Кроме этого, введение поправок по дополнительным элементам марок, проводимое в прототипе, также возможно только при малых пределах измерений, т.к. при развороте отражателя на двойной угол разворачиваются вместе с изображением марок изображения дополнительных элементов. Возникает разность длительностей видеосигналов, счетчик покажет разгоризонтирование, по которому вводятся поправки, при нулевом разгоризонтировании, т.е. при увеличении диапазона измерения поправками вводится дополнительная погрешность. В заявляемом устройстве устранение погрешностей из-за нелинейности функции угла поворота W осуществляется изменением масштабного коэффициента К в функции измеряемой величины смещения изображения L введением этой функции в электронную систему блока обработки сигналов. Технический эффект - увеличение диапазона измерений без погрешностей, упрощение и ускорение процесса измерений.
На фиг.1 показана принципиальная схема заявляемого устройства. Устройство состоит из двух блоков. Блок I представляет собой отражательный элемент 1, составленный из нескольких двугранных отражателей, ребра прямых углов которых лежат в одной плоскости, и имеет зеркальный элемент А привязки центрального ребра к заданному направлению. Блок II - осветительно-приемный с элементом Б, определяющим контролируемое направление. Блок II содержит две одинаковые осветительные системы 2 и 3, марки 4 и 5, установленные в фокальной плоскости 6 телеобъектива 7, фоточувствительные регистры 8 и 9, расположенные в фокальной плоскости 10 телеобъектива 7, сопряженной с фокальной плоскостью 6, оптический блок 11 со светоделителем, обеспечивающий высокоточное сопряжение марок 4 и 5 с регистрами 8 и 9, фотоприемник 12, вычислительный блок 13, блок управления 14 с электронной системой 15 автоматического введения значения масштабного коэффициента К. Шторка 16, включаемая при фокусировке телеобъектива 7, расположена между телеобъективом 7 и отражателем 1.
На фиг.1а показана схема координатных осей в плоскости регистров 8 и 9 фотоприемника и положение марок 4 и 5, выполненных в виде набора прозрачных и непрозрачных штрихов. Марки симметрично разнесены относительно оси Х телеобъектива 7 на базовое расстояние b параллельно оси Y. Регистры расположены вдоль измерительной оси Z и также разнесены на расстояние b.
Устройство работает следующим образом. Осветители 1 и 2 освещают марки 4 и 5, установленные в фокальной плоскости 6 телеобъектива 7. Пучки света, пройдя светоделитель, попадают в телеобъектив 7. Из телеобъектива на призменный отражатель 1 падают и обратно отражаются на телеобъектив пучки параллельных лучей, которые фокусируются им, проходят снова светоделитель 11 и попадают в фотоприемник на регистры 8 и 9. Фотоприемное устройство совместно с блоком обработки сигналов преобразует пространственное положение световых индексов на фоточувствительных регистрах во временную развертку видеосигналов, при этом измеряется временной интервал между видеосигналами, что адекватно расстоянию между индексами. Угол разворота призменного отражателя W определяют по величине взаимного смещения L изображений марок вдоль регистров.
Изменение масштабного коэффициента К с увеличением диапазона измерения W
Взаимное смещение изображений марок вдоль регистров L при развороте определяется как величиной угла разворота изображения 2W, так и расстоянием между регистрами b: L=b·tg2W (b=12,5 мм)
Угол разв, отражателя W, угл.с,
Угол разв.изображ.22W, угл.с
tg 2W
W/tg2W, угл.с
L=t·tg2W, мм
K=W/L, угл.с/мм
1000
2000
0,00966
103455,4
0,120825
8278,15
1800
3600=1°
0,0175
0,21875
8228,6
2000
4000
0,019434
102910,8
0,242928
8233,84
2700
5400=1,5°
0,0262
0,3275
8244,3
3000
6000
0,0291
103092,8
0,36375
8247,4
3600
7200=2°
0,0349
0,43625
8252
4000
8000
0,03876
103207,15
0,48446
8256,6
4500
9000=2,5°
0,0433
0,54625
8233
5000
1000
0,04853
103019,95
0,60668
8241,6
5400
10800=3°
0,0524
0,655
8244,3
6000
12000
0,0582
103092,8
0,7275
8247,4
6300
12600=3,5°
0,0612
0,765
8235,3
7000
14000
0,067957
103092,8
0,84946
8240,5
7200
14400=4°
0,0699
0,8738
8240,3
8000
16000
0,077734
102960,1
0,97168
8233,17
8100
16200=4,5°
0,0787
0,98375
8233,8
9000
18000,
0,0875
102857,1
1,09375
8228,57
Первый столбец - угол разворота отражателя W, угл.с
Второй столбец - угол разворота изображения 2W, угл.с
Третий столбец - значение тангенса 2W
Четвертый столбец - отношение W к тангенсу 2W, угл.c
Пятый столбец - взаимное смещение изображений марок вдоль регистров L, мм
Шестой столбец - значение масштабного коэффициента К
W=L·K=b·tg2w·k
Из представленной таблицы видно, что происходит с изображением в плоскости регистров, как изменяется значение смещения L и как меняется масштабный коэффициент К с увеличением диапазона измерения W. Поэтому с увеличением диапазона измерения растет погрешность при использовании масштабного коэффициента постоянного значения. В прототипе, например, диапазон измерений ограничивается значением 1,5 градусов при погрешности - 5 угл. с. В заявляемом устройстве введение в блоке обработки сигналов системы автоматического изменения значения переменного К позволяет измерять 2,5 градуса без погрешности.
Работа шторки, облегчающая и уточняющая процесс фокусировки, поясняется на фигурах 2а, 2б, и 2в, где 1 - телеобъектив, 2 - шторка, 3 - фокальная плоскость объектива, в которой должны быть расположены марки 4, 5, и фокальная плоскость объектива, в которой расположены регистры приемника 8, 9. При выполнении этого условия перекрытием шторкой то одной, то другой половины светового диаметра объектива получают на счетчике приемника одинаковые результаты (фиг.2а). При расфокусировке (смещении объектива и его фокальной плоскости вправо (фиг.2б) или влево (фиг.2в) вдоль оси относительно предметной плоскости, в которой расположены марки) наблюдают разное положение изображений вдоль регистров. На фигуре 2б показано, что при перекрытии шторкой верхней части объектива изображение смещается в плоскости регистров вверх, при перекрытии нижней части объектива изображение смещается вниз. На фигуре 2в показано, что при перекрытии шторкой верхней части объектива изображение смещается в плоскости регистров вниз, а при перекрытии нижней части объектива изображение смещается в плоскости регистров вверх. Таким простым способом по отсчетам счетчика определяют направление и величину расфокусировки и установкой прокладки смещают объектив в нужное положение.
Таким образом, новым в заявляемом устройстве является применение телеобъектива, специально разработанного для данного устройства, установка марок в фокальной плоскости телеобъектива, включение шторки как критерия точной фокусировки и использование в отсчетном устройстве системы переменного значения масштабного коэффициента.
Технический результат - повышение точности измерений, уменьшение габаритов устройства, возможность работы на разных дистанциях, увеличение диапазона измеряемых углов без введения погрешности измерений, упрощение юстировки.
Заявляемое устройство определения пространственной ориентации объектов является высокоточным оптико-электронным прибором. Его рабочие характеристики напрямую зависят от качества изготовления, сборки и юстировки составляющих оптических узлов и деталей. Отличительные признаки, заявляемые в данном устройстве, способствуют решению данной задачи. Поскольку эти признаки необходимы для достижения поставленной цели и положительного эффекта, отличие является существенным.
На нашем предприятии по спецтематике были разработаны два варианта автоколлимационных систем вертикальной передачи азимутального направления (ВПАН): с постоянной дистанцией и с переменной, с принципом действия описанных выше систем (авт. св. №100957, авт. св. №134981, авт. св. №153188) изготовлено устройство ИС-77, описанное в журнале ВОТ. Была разработана конструкторская документация системы ВПАН и передана предприятию ФГУП НИИКИ ОЭП для освоения серийного выпуска. В настоящее время на ФГУП НИИКИ ОЭП изготовлено устройство определения пространственной ориентации объектов с использованием заявленных признаков, проведены испытания, получены положительные результаты. Освоен выпуск партии устройств по предложенному изобретению. Благодаря применению заявляемых признаков удалось повысить качество собираемых устройств в условиях серийного производства.
Литература
1. Делюнов Н.Ф., Леонтьева Г.В., Мясников Ю.А. Устройство для контроля плоскостности поверхностей, разделенных непрозрачной преградой. // Авт. св. СССР 741045, МПК G01В 11/30, приор. 28.12.77.
2. Пинаев Л.В. Система из двух прямоугольных зеркал и ее свойства. // ОМП.1987. №12. С. 18-20.
3. Шевцов И.В., Жуков Ю.П., Чудаков Ю.И., Пономарев В.Я., Петров Л.П. Устройство пространственной ориентации объектов. // Патент России №2182311. 2001.
4. Шевцов И.В., Чудаков Ю.И. Жуков Ю.П., Ловчий И.Л., Петров Л.П., Цветков В.И., Шевцов С.Е. Устройство определения пространственной ориентации объектов. // Патент России №2408840. 2009.
5. Жуков Ю.П., Ловчий И.Л., Чудаков Ю.И., Шевцов И.В. Высокоточное устройство пространственной ориентации объектов. // ОМП. 2009. №9 с. 18-20.