RU1777090C - Устройство дл дистанционного определени углового положени и угловой скорости вращающегос объекта с двум степен ми свободы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике дистанционного измерени  углового положени  и угловой скорости объектов с использованием оптических средств. Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременного измерени  скорости враИзобретение относитс  к измерению углового положени  и угловой скорости объектов с использованием оптических средств первичного измерительного преобразовани  и касаетс  устройства дл  дистанционного определени  углового положени  и угловой скорости вращающегос  объекта с двум  степен ми свободы. Изобретение может быть использовано в системах пространственного спежени , стабилизации, наведени , в системах контрол  дл  определени  характеристик гироскопов, гироскопических систем и других вращающихс  объектов. щени , скорости и угла прецессии объектов с двум  степен ми свободы. Указанна  цель достигаетс  тем, что в устройстве, содержащем блок подсветки объекта, закрепленный на объект светоконтрастный пространственный модул тор, оптически сопр женный с блоком подсветки и объектом, фотоприемник и дифференцирующий блок, между фотоприемником и дифференцирующим блоком последова.тельно включены детектор знака производной сигнала и формирователь сигнала положени . Причем вход детектора знака производной сигнала соединен с входом преобразовател  частота- напр жение, выход которого соединен с входом дифференцирующего устройства. Кроме того выход детектора диска производной соединен с входом преобразовани  частота-напр жение, выход которого  вл етс  выходом сигнала угловой скорости вращени  объекта, выход формировател  сигнала положени  - выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего блока - выходом сигнала угловой скорости прецессии. 8 ил. Известны двумерные ферррдинамиче- ские, электродинамические, трансформаторные и индуктивные измерительные преобразователи, основанные на использовании физического  влени  электромагнитного взаимодействи  неподвижного и подвижного элементов с обмотками. К достоинствам этих устройств относитс  то, что все они  вл ютс  абсолютными датчиками. Недостатками известных преобразователей  вл етс  невысока  точность и быстродействие , существенна  динамическа  погрешность измерени , обусловленна  наличием переходного процесса, необходк мость механического соединени  с (Л С ч ч | о о о

Description

контролируемым или управл емым объектом , что ухудшает его характеристики, наличие противодействующего момента на объект.

Большинство указанных недостатков устран ет использование оптических способов и средств измерительного преобразова- нм  механических величин, что обеспечивает практически полное устранение возмущающего воздействи  измерительного преобразовател  на контролируемый или управл емый объект и возможность дистанционного контрол  без пр мого механического контакта с объектом .

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению  вл етс  одномерное устройство измерени  скорости перемещени , содержащее блок подсветки объекта световым потоком, закрепленный на объекте светоконтрастный пространственный модул тор, оптически сопр женный с блоком подсветки и объектом, фотоприемник , электронный блок измерени  перемещени  и дифференцирующее устройство. К достоинствам прототипа относ тс  возможность дистанционного измерени  перемещени  и скорости перемещени  в режиме реверса направлени  перемещени , отсутствие возмущающего воздействи  на объект .

Недостатком известного устройстоп  вл етс  то, что оно позвол ет производить только одномерные измерени  и имеет менее предпочтительный перед абсолютным накапливающий принцип измерени .

Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременного измерени  скорости вращени , угловой скорости и угла прецессии объекта.

Указанна  цель достигаетс  тем, чго в устройстве, содержащем блок подсветки объекта световым потоком, закрепленный на объекте светоконтрастный пространственный модул тор, оптически сопр женный с блоком подсветки и объектом фотоприемник , дифференцирующее устройство, между фотоприемником и дифференцирующим устройством включены последовательно соединенные детектор знака производной сигнала и формирователь сигнала положени , причем входдетекгора знака производной соединен с выходом фотопоиемника, выход детектора знака производной соединен с входом преобразовател  частота-напр жение и входом формировател  сигнала положени . Выход формировател  сигнала положени  соединен со входом дифференцирующего устройства, г ь;ход

преобразовател  частота-напр жение  вл етс  выходом сигнала угловой скорости вращени  оОьекта, выход формировател  сигнала положени   вл етс  выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего устройства  вл етс  выходом сигнала угловой скорости прецессии объекта , При этом линейный световой поток задает плоскость начального отсчета угла

0 прецессии, а пространственный модул тор выполнен, например, п виде аксиально расположенных на вращающемс  объекте в виде периодической структуры чередующихс  свегоконтрастных модулирующих элемен5 гов в форме равиосторопнихтреугольников. На фпг,1 представлена кинематическа  схема устройства, на фиг.2 - структурна  схема устройства; на фиг.З - временные диаграммы работы устройства, иэображенпо0 го на фиг.2; из фиг.4 - пример конкретного выполнени  детектора знака производной; на фиг.5 - времен-ibie диаграммы работы детектора знака производной; па фиг.б - пример конкретного выполнени  формиро5 вател  сигнала положени ; на фиг.7 - временные диаграммы работы формировател  сигнала положени ; на фш.8-чертеж, по сн ющий процесс модул ции формы сигнала на выходе фотоприемника при изменении

0 угла прецессии, а также математ ические выкладки вывода соотношени , св зывающего изменение углового положени  объекта в плоскости прецессии с коэффициентом заполнени  сигнала с выход  детектора знака

5 производном и уровном CHI нала положени . На фиг, i по азаны собственно вращающийс  объект 1, имеющий две степзни свободы , пространственный модул тор2 в виде дорожки с чередующимис  светоконтраст0 ными модулирующими площадками аксиально расположенных равнобедренных или равносторонних треугольников, блок под- соечивони  3, воспринимающий блок 4. Устройство (см.фпг.2) содержит после5 довательио соединенные фотоприемник 5, цегектор знака производной 6 см.фиг.4, формирователь сигнала положени  7, дифференцирующее устройство 8, а также преобразователь частота-напр жение 9,

0 причем выход детектора знака производной 6 соединен с входом преобразовател  9.

Детектор содеожит последовательно соединенные асинхронный (не тактируемый) АЦП 6. сопоставлени , формирователь 6.2

5 квадратурных бинарных сигналов, детектор 6.3 фазы квадратурных сигналов, РС-цепь 6,4.

На фиг,5 показаны временные диаграммы , раскрывающие принцип работы детектора знака производной 6,

На фиг.6 представлен пример цифрового варианта конкретного выполнени  формировател  3 сигнала -положени , изображенного на фиг.2. Формирователь сигнала положени  3 содержит генератор 10 импульсов эталонной частоты, демуль- типлексор 11, триггер 12, делитель на 2 по положительному фронту, блок управлени  13, блок управлени  14, Формирователь 15 короткого импульса по положительному фронту, блок установки 16, формирователь короткого импульса по отрицательному фронту 17, счетчик импульсов реверсивный 18. счетчик импульсов реверсивный 19, регистр начальных условий счета 20, регистр начальных условий счета 21, цифровой мультиплексор 22, четырехквадрантный ЦАП 23, фильтр низкой частоты 24.

Блок 4 управлени  счетчиком 8 содержит элемент 13.1 И, элементы 13.2, 13.3 НЕ, элементы 13.4, 13.5 И-НЕ. Выход элемента 13.1 I/I соединен со входом элемента 13.3 НЕ и со входом элемента 13.4 И-НЕ, выход зле- . мента 13.2 НЕ соединен с первым входом элемента 13,4 И-НЕ и первым входом элемента 13.5 И-НЕ, выход элемента 13.3 НЕ соединен со вторым входом элемента 13.5 И-НЕ. Внутренн   структура выполнени  блока 14 управлени  сметчиком идентична.

Устройство работает следующим образом (см.фиг.3). При вращении объекта на выходе фотоприемника 5 формируетс  сигнал а с взаимно-однозначным соответствием степени асимметрии формы, модул  разности значений первых производных по положительному и отрицательному фронту сигнала, и угла фазового сдвига экстремума сигнала угловому положению объекта вокруг оси ОУ. Начальный отсчет задаетс  направлением линейного светового потока. В приведенном варианте используетс  информативный параметр угла фазового сдвига экстремума сигнала. Сигнал а с выхода фотоприемника поступает на вход детектора знака производной 6. На выходе детектора 6 формируетс  бинарный сигнал б, высокий уровень которого соответствует знаку плюс, а низкий - знаку минус производной сигнала а. Коэффициент заполнени  сигнала б характеризует степень асимметрии формы сигнала а и фазовый сдвиг на периоде его положительного экстремума . Таким образом, коэффициент заполнени  и посто нна  составл юща  бинарного сигнала б взаимно-однозначно соответствуют угловому развороту объекта вокруг оси ОУ, а его частота характеризует угловую скорость вращени  объекта вокруг оси ОХ. Сигнал б поступает на вход преобразовател  частота-напр жени  5, на вы-..

ходе которого формируетс  сигнал, пропор- циональный частоте вращени  и угловой скорости вращени  объекта вокруг оси ОХ. Одновременно сигнал б поступает на вход 5 формировател  сигнала положени  5, на выходе которого формируетс  сигнал в, пропорциональный коэффициенту заполнени  и посто нной составл ющей сигнала б. При любой скорости ьращени  объекта, в

0 том числе переменной, уровень сигнала в взаимно-однозначно соответствует положению объекта вокруг оси OY. Сигнал в с выхода формировател  3 поступает на выход Обустройства и одновременно на вход

5 дифференцирующего устройства 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 формируетс  сигнал г, пропорциональный угловой скорости Q/ вращени  объекта вок- руг оси OY. Дифференцирующее устройство

0 выполн ют по одной из типовых известных схем, например, Б цифровом варианте в виде вычислител  первой пр мой или первой обратной разности.

Дл  дополнительного по снени  техни5 ческой сущности представленного решени  следует отметить, что процесс прецессионного вращени  объекта вокруг оси OY более медленный по сравнению с собственным вращением объекта вокруг оси ОХ. Поэтому

0 временные диаграммы сигналов а и б, фиг.З, следует воспринимать условно в части скорости изменени  степени асимметрии формы а и коэффициента заполнени  сигнала б.

5Ниже приводитс  описание принципа

действи  и особенностей функционировани  отдельных элементов устройства.

Детектор знака производной 2 работает следующим образом. Сигнал а (см.фиг.5)

0 поступает на информационный вход АЦП

6.1 сопоставлени  (другое название: АЦП

параллельного преобразовани ). Так как

АЦП не тактируетс , сигнал а проходит

каждый опорный уровень своего маршрута

5 пол  опорных уровней АЦП. При этом на выходе АЦП 6.1 формируетс  цифровой сигнал с единичными приращени ми при переключении состо ний в моменты равенства каждому опорному уровню маршрута сигна0 ла. Знак единичных приращений взаимнооднозначно соответствует знаку производной сигнала а. Дл  выделени  знака приращений-из бинарных сигналов двух младших разр дов АЦП путем пере5 множени  на элементе 6.2.3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируютс  квадратурные бинарные сигналы е и к. Триггеры 6.2.1, 6.2.2. Шмитта служат дл  устранени  дрожани  фронтов и повышени  помехоустойчи

вости. С выхода формировател  6.,2 квадратурные сигналы е и к поступают на вход детектора 6.3 фазы. При смене знака единичных приращений сигнала происходит смена взаимной фазы ±90° сигналов е и к и на выходе детектора б.З формируетс  бинарный сиг нал б, высокий уровень которого соответствует знаку плюс производной сигнала а а низкий - знаку минус. Одновременно положительный фронт сигнала б выдел ет положительный экстремум, а отрицательный фронт - отрицательный экстремум сигнала а, Таким образом, на выходе детектора 6 формируетс  бинарный сигнал с коэффициентом заполнени , пропорциональным фазовому сдвигу экстремума сигнала а на периоде и, Соответственно, взаимно-однозначным соответствием угловому положению объекта в плоскости прецессионного движени  вокруг оси OY. RC-цепь 6.4 служит дл  устранени  просечек. Важно, что при таком подходе детектор 6 выдел ет знак производной сигнала а по угловому перемещению , а не по времени. Это обеспечивает работу устройства во всех режимах, в том числе при переменной скорости вращени  вокруг оси ОХ.

Формирователь сигнала а (см.фиг.7) с выхода детектора знака производной поступает на входы блоков 13.5 управлени  счетчиками и на динамический вход триггера 12. Состо ни  триггера 12 переключаютс  по положительным фронтам бинарного сигнала а. С пр мого выхода триггера 12 бинарный сигнал б поступает на вход выборки адреса демультиплексора 11, вход строби- ровани  четных периодов сигнала а блока 13 управлени  счетчиком, и на входы формировател  15, 16 коротких импульсов сброса счетчиков 18, 19 импульсов. С инверсного выхода триггера 12 бинарный сигнал в поступает на вход стробировани  нечетных периодов сигнала а блока 14 управлени  счетчиком и на вход выборки адреса цифре- вого мультиплексора 22. С выхода генератора 10 счетные импульсы эталонной частоты поступают на вход демультиплексора 11 и затем в соответствии с логикой управлени  демультиплексора сигналом б поступают с его выходов в нечетных полупериодах на вход блока 14 управлени  счетчиком, а в четных - на вход блока 13 (сигналы д и г соответственно). Структура блоков 13, 14 выполнена в варианте обеспечивающем со- пр жение с реверсивными счетчиками импульсов серий 155, 555. Счетчик 19 работает в нечетных полупериодах в интервалах, где бинарный сигнал а имеет высокий уровень , в режиме суммирующего счета, а в

5

0

0

0 5 0 5

5

0

5

интервалах, где сигнал а имеет низкий уровень, в режиме вычитающего счета. Счетчик 18 работает в аналогичном режиме в четных полупериодах сигнала б. На регистрах 20, 21 начальных условий счета устанавливают в двоичном дополнительном коде коды нулевого уровн  сигнала. Поэтому значени  алгебраической суммы импульсов в конце нечетного периода сигнала а на выходе счетчика 19 и в конце каждого четного периода сигнала а на выходе счетчика 18 пропорциональны коэффициенту заполнени  бинарного сигнала а и, соответственно, угловому положению вращающегос  объекта вокруг оси OY. В нечетных полупериодах сигнала б (т.е. нечетных периодах сигнала а) сигнал на выходе счетчика 18 сохран ет свое значение, а затем счетчик сбрасываетс  в ноль коротким импульсом сигнала р и весь цикл повтор етс . В четных периодах сигнала а сохран ет свое значение сигнал на выходе счетчика 19, затем счетчик 19 сбрасываетс  в ноль коротким импульсом сигнала с и цикл повтор етс . Сигнал с выхода счетчика 18 поступает на первую линию информационных входов цифрового мультиплексора 22, с выхода счетчика 19 на вторую линию. Так как мультиплексор 22 по входу выборки адреса управл етс  противофазно инверсным сигналом в, на его выходе с запаздыванием на период формируетс  ступенчатый сигнал с уровнем каждой ступеньки , соответствующий предшбствую- щим периодам сигнала а, когда на выходах счетчиков 18, 19 импульсов сохран ютс  алгебраические суммы, пропорциональные коэффициенту заполнени  сигнала а. Сигнал с выхода мультиплексора 22 поступает на вход четырехквадрантного ЦАП 23, на выходе которого формируетс  ступенчатый сигнал т аналогового вида. Фильтр 24 служит дл  фильтрации ступенек . Блок 18 установки служит дл  установки триггера 12 и счетчиков 18, 19 в однозначно заданное состо ние при включении Упит и выполн етс  по типовым известным схемам. Описанный выше пример конкретного цифрового выполнени  формировател  сигнала положение характеризуетс  высоким быстродействием выделени  сигнала положени  (всего за один период сигнала а). Такой вариант выполнени  формировател  целесообразно использовать дл  контрол  динамических характеристик и в системах управлени  скоростными объектами. В статике и в режимах малых угловых скоростей прецессионного движени  объекта формирователь сигнала положени  может быть выполнен в виде

простого пассивного фильтра низкой частоты или интегратора на базе операционного усилител .

На фиг.8 представлен чертеж, по сн ю щий процесс модул ции формы и изменени  симметрии сигнала на выходе фотоприемника в соответствии с угловым разворотом объекта вокруг оси OY. Дл  лучшего воспри ти  и с целью минимального заполнени  чертежа и исключени  много кратных наложений треугольников на чертеже показано обратное относительное движение: неподвижным показан элемент пространственного модул тора на фоне пол  подвижных линейных световых потоков подсветки. Угол а разворота объекта вокруг оси OY, положение экстремума сигнала а на периоде и коэффициент заполнени  сигнала б (см. также фиг.З) и, соответственно, уровень сигнала положени  св заны соотношением:

а arctg (1 - К),(1)

где К- число, характеризующее положение экстремума сигнала а и коэффициент заполнени  сигнала б.

Так как область значений аргумента функции arctg (1 - К) ограничена условием О К 1, соотношение (1) с весьма малыми отклонени ми приближаетс  к пропорциональной зависимости.

Таким образом, как следует из приведенного описани , предложенное устройство позвол ет производить двумерные измерени  с использованием только одного датчика и одного сигнала-переносчика. При

Ю

15

35

20

25

30

этом достигаютс  и дополнительные полезные технические свойства: высокое быстро- , действие, дистанционность и практически полное отсутствие возмущающего воздействи  на объект.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  дистанционного определени  углового положени  и угловой скорости вращающегос  объекта с двум  степен ми свободы, содержащее блок подсветки объекта световым потоком, закрепленный на объекте светоконтрастный пространственный модул тор, оптически сопр женный с блоком подсветки и объектом фотоприемник и дифференцирующий блок, отличающеес  тем, что, с целью расширени  его функциональных возможностей за счет одновременного измерени  скорости вращени , угловой скорости и угла прецессии, введены последовательно соединенные детектор знака производной сигнала и формирователь сигнала положени , выход которого соединен с входом дифференцирующего блока, причем вход детектора знака производной сигнала соединен с выходом фотоприемника, выход детектора знака производной сигнала соединен с входом преобразовател  частота-напр жение, выход которого  вл етс  выходом сигнала угловой скорости вращени  объекта, выход формировател  сигнала положени   вл етс  выходом сигнала угла прецессии, а выход дифференцирующего блока  вл етс  выходом сигнала угловой скорости прецессии.

   Фиэ.1

   фиг.2

   -JT//2

   О+Я//2+Ж/6 urit/

   Фиг. 5

   neatrw

   }&)

   I n-du -at -wag Щ iv-rwig

   swoj

   05Q21M

   a IJ l-Jl lJnjnjn

   пинии пинии

   п

   т

   П

   П

   --шг

   W

   ШГ

   иииг

   тши

   Ш

   П нт Они глин глин..,,.

   ШГ

   ТШГ

   1ШГ

   п

   пиши.. П ни|1 П ПШи РТИ ГТ1

   4т

   Јтг 4тг

   Редактор

   Составитель М. Иванов Техред М.Моргентал

   urt

   --(jjt

   пинии

   мнит

   ГТ

   T

   ГТ.

   иииг

   тши

   rtft

   ufi

   uft

   uf-Ь

   -л/

   Т1Ш

   ШШГ

   1Ш1Г

   «г

   X

   1

   пзг

   ufЈ

   Фиг.7

   В Фие.д

   Корректор Н. Ревска