RU2147727C1

RU2147727C1 - Method measuring parameters of movement of object and device for its realization

Info

Publication number: RU2147727C1
Application number: RU98108044A
Authority: RU
Inventors: В.А. Ерошин; Д.В. Зырянов; В.М. Макаршин; А.В. Плюснин; В.А. Самсонов; Ю.Л. Якимов
Original assignee: Научно-исследовательский институт механики МГУ им.М.В.Ломоносова
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2000-04-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed method can be used to measure orientation angles and angular velocity of bodies. If body flies through measurement zone rays of lasers lying in two mutually perpendicular planes hit mirror surface of body and being reflected from it outline oscillograms on two semi-transparent screens that are recorded with the use of photographic and cine cameras. EFFECT: expanded number of measured parameters and more exact definition of direction of vector of velocity of object. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной техникe, а именно к методам измерения параметров движения тел с помощью оптических квантовых генераторов. Такие бесконтактные методы могут использоваться для определения углов ориентации и угловой скорости твердых тел, движущихся с большой скоростью (100-500 м/с). The invention relates to measuring technique, and in particular to methods for measuring the parameters of the motion of bodies using optical quantum generators. Such non-contact methods can be used to determine the orientation angles and angular velocity of solids moving at high speed (100-500 m / s).

Известен cпособ определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью и устройство для его осуществления (а.с. N 1486775 от 23 ноября 1987 г., кл. G 01 P 3/36). Способ позволяет определить угол поворота твердого тела при погружении в жидкую среду при помощи устройства, разработанного для измерения угловых параметров. Указанный способ позволяет определять углы поворота и угловую скорость твердого тела с зеркальной поверхностью только при плоском движении, когда вертикальная плоскость, проходящая через геометрическую траекторию (т. е. линию, по которой тело двигалось бы в воздухе после выхода из канала ствола при отсутствии аэродинамических сил и силы тяжести), является плоскостью симметрии. Таким образом, этот способ не позволяет достоверно определять углы ориентации и угловую скорость тела в общем случае движения. Недостатком изложенного метода является также то обстоятельство, что не представляется возможным определить "уход" центра масс тела с геометрической траектории и можно определить только одну компоненту вектора угловой скорости модели. There is a known method for determining the motion parameters of an object with a mirror surface and a device for its implementation (a.s. N 1486775 of November 23, 1987, class G 01 P 3/36). The method allows to determine the angle of rotation of a solid when immersed in a liquid medium using a device designed to measure angular parameters. This method allows you to determine the angles of rotation and the angular velocity of a solid with a mirror surface only in plane motion, when a vertical plane passing through a geometric path (i.e., the line along which the body would move in the air after leaving the bore in the absence of aerodynamic forces and gravity), is a plane of symmetry. Thus, this method does not allow to reliably determine the orientation angles and the angular velocity of the body in the general case of motion. The disadvantage of the described method is also the fact that it is not possible to determine the "departure" of the center of mass of the body from the geometric path and it is possible to determine only one component of the angular velocity vector of the model.

Предлагаемое изобретение позволяет измерять углы поворота твердого тела при погружении в жидкую среду в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Этим методом можно определять параметры движения тел при наклонном входе в жидкость с большой скоростью. По найденным параметрам движения (углам входа и атаки, угловой скорости до и после взаимодействия с жидкостью, положению центра масс модели) можно определить главный вектор и главный момент сил, действующих на тело со стороны жидкости. The present invention allows to measure the rotation angles of a solid when immersed in a liquid medium in two mutually perpendicular planes. Using this method, it is possible to determine the parameters of the motion of bodies at an inclined entry into the fluid at high speed. Based on the found motion parameters (entry and attack angles, angular velocity before and after interaction with the liquid, position of the center of mass of the model), we can determine the main vector and the main moment of forces acting on the body from the side of the liquid.

Предлагаемая методика значительно расширяет возможности известных бесконтактных оптических методов, где измерительными элементами (датчиками) являются сами свободно летящие модели. The proposed technique significantly expands the capabilities of known non-contact optical methods, where free-flying models themselves are the measuring elements (sensors).

На фиг. 1 изображено устройство для определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью. Устройство содержит лазер 1 с узлом юстировки (не показан), линзу 2, предназначенную для фокусировки луча лазера 1, объект 3 с плоским зеркалом на свободном торце, экран 4 с находящейся позади него фотокамерой (не показана). Лазер 1 располагается таким образом, чтобы плоскость, проходящая через его подающий луч и ось канала ствола пневмопушки 5, была перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через ось канала ствола. На некотором расстоянии от поверхности воды 6 объект, летящий со скоростью V₀, входит в зону измерения, луч лазера 1 попадает на зеркало объекта и отражается на полупрозрачный экран 4. Описанная им линия регистрируется находящейся позади экрана фотокамерой (не показана). Устройство также содержит лазер 7 с узлом юстировки (не показан), линзу 8, предназначенную для фокусировки луча лазера 7, отраженного от зеркальной поверхности объекта 3, установленное таким образом, чтобы ось канала ствола была в одной вертикальной плоскости с падающим лучом лазера 7, а также систему регистрации, выполненную в виде последовательно располагаемых по направлению отраженного луча полупрозрачного экрана 9, установленного по нормали к отраженному лучу, и фотокамеру (не изображена).In FIG. 1 shows a device for determining the motion parameters of an object with a mirror surface. The device comprises a laser 1 with an adjustment unit (not shown), a lens 2 intended for focusing the laser beam 1, an object 3 with a flat mirror at the free end, a screen 4 with a camera located behind it (not shown). The laser 1 is positioned so that the plane passing through its feed beam and the axis of the bore of the air gun 5 is perpendicular to the vertical plane passing through the axis of the bore. At a certain distance from the surface of the water 6, an object flying at a speed of V ₀ enters the measurement zone, the laser beam 1 hits the mirror of the object and is reflected on the translucent screen 4. The line described by it is recorded by a camera (not shown) located behind the screen. The device also includes a laser 7 with an alignment unit (not shown), a lens 8, designed to focus the beam of the laser 7 reflected from the mirror surface of the object 3, mounted so that the axis of the barrel is in the same vertical plane with the incident beam of the laser 7, and also a registration system made in the form of a translucent screen 9 sequentially arranged in the direction of the reflected beam, mounted normal to the reflected beam, and a camera (not shown).

При реализации способа определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью устройство работает следующим образом. Oбъект 3 с зеркальной поверхностью выстреливают из пневмопушки 5 для сообщения ему скорости V₀. Двигаясь к жидкой среде 6 под углом к ее поверхности, объект 3 начинает взаимодействовать с обоими лазерными лучами начиная с момента входа в область измерения. За время взаимодействия (экспозиции) происходит весь процесс внедрения объекта 3 в жидкую среду 6. Оба лазерных луча проходят от одного края зеркальной поверхности объекта 3 до другого по хордам, близким к горизонтальному и вертикальному диаметрам зеркала.When implementing the method of determining the motion parameters of an object with a mirror surface, the device operates as follows. Object 3 with a mirror surface is fired from an air gun 5 to communicate with it a speed of V ₀ . Moving to the liquid medium 6 at an angle to its surface, the object 3 begins to interact with both laser beams from the moment it enters the measurement region. During the interaction (exposure), the entire process of introducing object 3 into the liquid medium 6 takes place. Both laser beams pass from one edge of the mirror surface of object 3 to the other along chords close to the horizontal and vertical diameters of the mirror.

Отраженные лучи записываются на фотопленку с помощью системы регистрации, выполненной в виде последовательно располагаемых по обоим направлениям отраженных лучей лазеров 1 и 7 полупрозрачных экранов 4 и 9, установленных по нормали к обоим отраженным лучам, и фотокамер, находящихся позади экранов. При расшифровке осциллограмм (фиг. 2, 3) измеряют параметры двух отраженных лучей на экранах 4 и 9 и по ним определяют параметры движения объекта. Reflected rays are recorded on film using a recording system made in the form of semitransparent screens 4 and 9 arranged sequentially in both directions of the reflected rays of the laser 1 and 7, mounted normal to both reflected rays, and cameras located behind the screens. When decoding the waveforms (Fig. 2, 3), the parameters of two reflected rays are measured on screens 4 and 9 and the parameters of the object’s motion are determined from them.

Последовательность операций при проведении измерения следующая:
1. По фотографиям осциллограмм (обоих следов отраженных лучей лазеров 1 и 7), полученным в результате эксперимента, определяются величины {x_2s,y_2s}, {x_3s,y_3s}, y_2s', x_3s' (фиг. 1-3).The sequence of operations during the measurement is as follows:
1. From the photographs of the oscillograms (both traces of the reflected rays of lasers 1 and 7) obtained as a result of the experiment, the values {x _2s , y _2s }, {x _3s , y _3s }, y _2s ', x _3s ' are determined (Fig. 1 -3).

Найденные значения {x_2s,y_2s}{x_3sy_3s} подставляются в известную систему уравнений, которая устанавливает связь между параметрами движения тела и измеренными величинами. Находятся компоненты вектора нормали к зеркальному торцу модели

{n_x1,n_y1,n_z1} в неподвижной системе координат.The found values {x _2s , y _2s } {x _3s y _3s } are substituted into the well-known system of equations, which establishes a connection between the parameters of the body’s motion and the measured values. The components of the normal vector to the mirror end face of the model are found

{n _x1 , n _y1 , n _z1 } in a fixed coordinate system.

2. В результате обработки опытных данных находятся скорости разверток осциллограмм:

и

(фиг. 2, 3).2. As a result of processing the experimental data, the sweep speeds of the oscillograms are found:

and

(Fig. 2, 3).

3. По известным формулам находятся проекции вектора угловой скорости на оси неподвижной системы координат

4. Производится определение координат центра зеркальной поверхности заднего торца тела в момент прохождения плоскости зеркала через точку пересечения падающих лучей лазера с геометрической траекторией (осью канала ствола).3. According to well-known formulas, projections of the angular velocity vector on the axis of the fixed coordinate system are found

4. The coordinates of the center of the mirror surface of the rear end of the body are determined at the moment the mirror plane passes through the point of intersection of the incident laser beams with the geometric path (axis of the bore).

5. Уточняются значения углов входа и атаки в момент касания тела со свободной поверхностью жидкости. 5. The values of the entry and attack angles at the moment of contact of the body with the free surface of the liquid are specified.

Claims

1. The method of determining the motion parameters of an object with a mirror surface, namely, that this surface is irradiated with a laser beam directed along an axis that, together with the direction of movement of the object lies in a plane perpendicular to the vertical plane, the reflected radiation is recorded, its parameters are measured and determine the parameters of the movement of the object, characterized in that the mirror surface is illuminated with an additional laser beam directed along the axis, which together with the direction of movement of the object lies in oskosti perpendicular to the plane of the first beam.

2. A device for measuring the motion parameters of an object with a mirror surface, containing a laser and a registration system, characterized in that a second laser and a second registration system are implemented in it, made in the form of a translucent screen and a camera, while the laser beams lie in mutually perpendicular planes.

3. The device according to claim 2, characterized in that it is additionally introduced several lasers with the possibility of alternating inclusion, the rays of which lie in mutually perpendicular planes.