Концептуальная модель трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя

УДК 681.783.2 + 528.48

М. Б. Леонов, И. Т. Разумовский КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ

ТРЕХКООРДИНАТНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ЦЕЛЕУКАЗАТЕЛЯ

Рассматривается концепция разработки трехкоординатного оптико-электронного целеуказателя. Показано, что использование в измерительных каналах целеуказателя типовых электронных датчиков позволяет значительно повысить оперативность измерений, снизить габариты прибора, а также себестоимость его разработки и изготовления.

Ключевые слова: целеуказатель, топографические приборы, тахеометры, дальномеры, энкодеры, датчик угла наклона.

В настоящее время для определения координат объектов используются такие измерительные инструменты, как светодальномеры, буссоли, гироазимуты, тахеометры.

Для целеуказания на равнинной местности достаточно знать в полярной системе координат две координаты объекта — дальность до объекта D и его азимут A. В случае холмистой или горной местности для целеуказания может потребоваться третья координата объекта, а именно угол его места 8 над уровнем горизонта. Схема целеуказания наблюдаемого объекта приведена на рис. 1.

Применяемые для целеуказания топографические инструменты обладают высокой точностью измерения углов и дистанций, однако характеризуются значительными временными затратами при определении координат объекта и имеют высокую стоимость. Для обеспечения оперативности измерений в 2001 г. был предложен наблюдательный оптико-электронный прибор „NORD" [1]. Функция определения дальности в этом приборе совмещена с указанием направления на „Север", но поставленную задачу — целеуказания трех координат — прибор, тем не менее, не выполняет.

Современные достижения в электронике обусловили возможность создания компактного и вместе с тем быстродействующего универсального трехкоординатного целеуказателя, способного оценивать не только дальность до объекта, но и вычислять его азимут синхронно с измерением угла места. Концептуальная модель такого устройства, предлагаемого авторами настоящей статьи, показана на рис. 2, где 1 — визирная труба; 2 — лазерный дальномер; 3 —

Рис. 1

ПЗС-приемник, передающий изображение визирного канала дальномера на экран; 4 — цифровой компас; 5 — цифровой датчик угла наклона; 6 — экран отображения визуальной информации и данных измерений; 7 — пузырьковый шаровой уровень для выверки датчика угла наклона; 8 — привод визира; 9 — поворотный столик; 10 — наблюдаемый объект.

Модель конструируется из функционально законченных готовых модулей.

В список возможных функций разрабатываемого прибора входят:

1) контроль окружающего пространства;

2) измерение дальности до объекта;

3) азимутальное ориентирование на местности;

4) определение угла места;

5) проведение геологических (поисково-съемочных) маршрутов;

6) ориентировочное определение мест залегания выходов пластов горных пород для создания геологических карт.

Следует отметить, что ранее задачи 5, 6 решались с использованием горно-геологических компасов, которые не обеспечивают синхронное измерение угла места и дальности до объекта, а также не позволяют выполнять работы с удаленными объектами в связи с отсутствием визирной трубы.

Таким образом, предлагаемый прибор будет представлять собой многоцелевой инструмент, способный определять три координаты объекта и который можно применять как для ориентирования на местности, так и для решения специальных задач. Прибор является аналогом горно-геологического компаса с расширенными функциональными возможностями, что

I

/

6

Рис. 2

делает его также и аналогом многофункциональных измерительных приборов (тахеометров, буссолей).

В модели трехкоординатного целеуказателя для определения дальности D предлагается использовать штатный импульсный лазерный дальномер (например, Yukon Extend LRS-1000), структурная схема которого представлена на рис. 3 [2]. Принцип его работы основан на измерении времени прохождения светового импульса до цели и обратно.

Измеритель временных интервалов

ФПУ

Блок управления

Объект

Визирное устройство

\ /

D= 1000 м

/ к

Лазер

0=1000м

Рис. 3

Для определения азимута А в целеуказателе намечено применить готовый цифровой компас "Adrenalin DC-01" на основе магнитного энкодера. Система измерения угла поворота в нем представляет собой поворотный микромагнит (рис. 4), размещенный над однокристальной микросхемой (например, AS5030) [3].

Структурная схема цифрового компаса на основе магнитного энкодера приведена на рис. 5. Внутри микросхемы на кристалле расположены четыре датчика Холла H1—H4, которые фиксируют значения напряженности магнитных полей по двум ортогональным направлениям. Электрические сигналы датчиков H1 и H3, пропорциональные напряженности магнитных полей, поступают на дифференциальный усилитель ДУ1, а сигналы датчиков H2 и H4 — на дифференциальный усилитель ДУ2. Сигналы датчиков H1 и H3 определяют значение синуса угла поворота микромагнита, а сигналы датчиков и Н4— значение косинуса угла поворота.

ДУ1 АЦП

Рис. 4

Sin Угол

Cos Mag

А=315,1°

Рис. 5

Далее сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) переводятся в двоичную форму, а с помощью сигнального процессора (ЦСП) пересчитываются в абсолютный угол поворота микромагнита — азимут — по формуле А = arctg[(Hi—H3)/(H2—H4)]. Модуль автоматической регулировки усиления (АРУ), используя измеренное значение напряженности магнитного поля "Mag" (в блоке ЦСП), позволяет обеспечить компенсацию отрицательных

воздействии внешней температуры и вариации расстояния между магнитом и микросхемой на сигналы датчиков H—H4 [4].

Погрешность измерения азимута, приводимая в паспорте на компас, составляет 30—60' при угловой чувствительности самого энкодера 5—6'.

Для определения угла места 8 объекта целесообразно использовать цифровой датчик угла наклона "S-Digit Mini", устанавливаемый на визирную поворотную трубу. Чувствительным элементом такого датчика является двухкоординатный (в плоскости горизонта Х и Y) акселерометр. Упрощенная структурная схема датчика угла наклона представлена на рис. 6.

ФНЧ \ /

Акселерометр МК 6=27,5°

ФНЧ -

Y / N

Рис. 6

Широтно-импульсные сигналы (ШИМ-сигналы) с выходов Х и У акселерометра проходят через фильтры низких частот (ФНЧ) и поступают на дискретные входы микроконтроллера (МК). Микроконтроллер с помощью соответствующих алгебраических и тригонометрических преобразований измеряет длительность и период импульсов ШИМ-сигналов, далее определяет текущий угол наклона акселерометра относительно плоскости Земли и выводит значение измеренного угла на цифровой индикатор [5]. Для начальной выверки и периодической проверки датчика угла наклона требуется наличие в устройстве шарового пузырькового уровня.

Двухкоординатный акселерометр представляет собой датчик линейного ускорения по типу, например, датчика АОХЬ202; его структурная схема приведена на рис. 7.

^питания л

Сж

Фильтр Х

ДатчикX

Демодулятор

Генератор

Демодулятор

Датчик Y

Модулятор ШИМ

Т

Хвы

Cy

Фильтр Y

' X'

Рис. 7

Датчик линейного ускорения представляет собой совокупность дифференциальных конденсаторов, каждый из которых состоит из подвижной и неподвижной частей. Неподвижная часть является базой, относительно которой измеряется ускорение. Подвижная часть связана с неподвижной посредством полисиликоновой пружины. При приложении внешней силы подвижная часть перемещается относительно неподвижной, соответственно изменяя емкость конденсаторов. Сигнал датчика по каждой координате (Х и Y) подается на контроллер обработки, который преобразует его в широтно-импульсный сигнал [6].

Функциональные возможности датчика угла наклона "S-Digit Mini" позволяют оценивать углы в вертикальной плоскости вплоть до 90° от горизонта, что является весомым достоинством при проведении целеуказаний в горных районах.

Основной проблемой при разработке оптико-электронного трехкоординатного целеуказателя остается создание конструкции визуального канала прибора с увеличением, достаточным для опознавания объекта (3—6х), а также создание оптических или оптико-электронных систем ввода информации, поступающей с трех измерительных каналов, в одно поле зрения.

В результате планируется получить переносной универсальный прибор для определения координат объектов, более простой, компактный и эффективный, чем используемые в настоящее время.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Медведев А. В., Гринкевич А. В., Попов А. Г., Кисляков А. В. Оптико-электронный наблюдательный прибор // Оптич. журн. 2002. Т. 69, № 8. C. 73—75.

2. Старовойтов Е. Лазерные системы для управления транспортными средствами и робототехникой // Современная электроника. 2010. № 6. С. 30—35.

3. Щерба А. Магнитный датчик угла поворота AS5030 производства Austriamicrosystems // Компоненты и технологии. 2007. № 4. C. 28—32.

4. Щерба А. Магнитные энкодеры производства Austriamicrosystems // Там же. 2008. № 7. C. 36—38.

5. Ковшов В. Д., Хакимьянов М. И., Сакаев А. Ф. Датчик угла наклона на основе интегрального акселерометра: реализация и исследование характеристик // Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Межвуз. сб. науч. статей. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.

6. Бузыканов C. Датчик наклона на основе твердотельного акселерометра // Современная электроника. 2004. № 12. С. 42—45.

Сведения об авторах

Михаил Борисович Леонов — магистрант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов Игорь Тимофеевич Разумовский — канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: itraz@rambler.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

компьютеризации и проектирования 07.02.13 г.

оптических приборов