RU2644994C1

RU2644994C1 - Angular-motion transducer

Info

Publication number: RU2644994C1
Application number: RU2017111837A
Authority: RU
Inventors: Михаил Петрович Колосов; Андрей Янович Гебгарт
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос")
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2018-02-15

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: angular-motion transducer, made in the form of a photoelectric autocollimator, comprises a lens, in the focal plane of which an array radiation receiver is mounted, connected to the electronic unit with its output, a beam splitter located in front of the array radiation receiver, an illuminator with a light source designed to illuminate the signal mask with a transparent stroke mounted in front of the beam splitter in the focal plane of the lens, and a double mirror, representing a controlled object - BR-180° prism facing the lens with the transparent front face. The front face of the prism is covered with a mirror coating made in the form of a symmetrically located circle. The illuminator is provided with an additional light source, a beam splitter and aperture diaphragms optically conjugated to the front face of the prism by means of a condenser. The first diaphragm is made in the form of a circular transparent hole, and the second one is made in the form of a transparent ring. Image diameter of the first aperture diaphragm is less than the diameter of the mirror coating circle and the inner image diameter of the transparent ring of the second diaphragm is more than the circle diameter of the mirror coating.

EFFECT: increasing accuracy of the sensor angular measurements while ensuring its small weight and dimensions.

3 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в станкостроении, приборостроении, робототехнике, в частности, различных углоизмерительных устройствах, устанавливаемых и работающих на космических аппаратах (КА), предназначенных для точного определения направления осей КА на астроориентир в приборной системе координат.The proposed device relates to the field of measuring technology and can be used in machine tool building, instrument making, robotics, in particular, various angle measuring devices installed and operating on spacecraft (SC), designed to accurately determine the direction of the axis of the SC to an astro-landmark in the instrument coordinate system.

В настоящее время для решения задачи индикации положения осей КА получили распространение современные звездные приборы - измерители углов трехосной ориентации, которые определяют угловые координаты не отдельной звезды, а углы трехосной ориентации в приборной системе координат относительно мировой системы координат (см., например, Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Логос, стр. 156-160).Currently, to solve the problem of indicating the position of the spacecraft axes, modern stellar instruments have become widespread - measuring the angles of triaxial orientation, which determine the angular coordinates of not a single star, but the angles of triaxial orientation in the instrument coordinate system relative to the world coordinate system (see, for example, V. Fedoseev I., Kolosov MP Optoelectronic devices for orientation and navigation of spacecraft. - M.: Logos, pp. 156-160).

Задачу определения (измерения) трехосной ориентации одного твердого тела относительно другого можно решать по-разному:The problem of determining (measuring) the triaxial orientation of one solid relative to another can be solved in different ways:

- использовать два разных датчика угла поворота: один обычный двумерный фотоэлектрический автоколлиматор с матричным приемником излучения (МПИ) (см., например, Бондаренко И.Д. Принципы построения фотоэлектрических автоколлиматоров. - Мн.: Изд. «Университетское», 1984, стр. 5-9, 21-24), а другой датчик угла поворота для решения одномерной задачи измерения плоского угла (см. Дукаревич Ю.Е., Дукаревич М.Ю. «Абсолютный преобразователь угла (варианты), патент РФ №2419067, публ. 20.05.2011);- use two different rotation angle sensors: one ordinary two-dimensional photoelectric autocollimator with a matrix radiation detector (MPI) (see, for example, Bondarenko I.D. Principles for constructing photoelectric autocollimators. - Mn .: Universitetskoye Publishing House, 1984, p. 5-9, 21-24), and another angle sensor for solving the one-dimensional problem of measuring a flat angle (see Dukarevich Yu.E., Dukarevich M.Yu. “Absolute angle transducer (options), RF patent No. 2419067, publ. 05/20/2011);

- использовать специализированный прибор для определения трехосной ориентации одного твердого тела относительно другого.- use a specialized device to determine the triaxial orientation of one solid relative to another.

В настоящее время получили распространение датчики угла поворота (ДУП) (фотоэлектрические цифровые преобразователи угла), использующие кодовые и растровые преобразования (см., например, Преснухин Л.Н. и др. «Фотоэлектрические преобразователи информации». - М.: Машиностроение, 1974, стр. 301-304), но эти датчики не обеспечивают высокой угловой чувствительности и минимальных габаритных параметров.At present, rotation angle sensors (DUP) (photoelectric digital angle converters) using code and raster transformations (see, for example, Presnukhin LN et al. “Photoelectric information converters”) are widely used. - M .: Mashinostroenie, 1974 , pp. 301-304), but these sensors do not provide high angular sensitivity and minimum overall parameters.

Известен измеритель угла, выполненный в соответствии с новой концепцией измерения, основанный на определении углового положения изображения оптической марки на светочувствительной матрице цифровой камеры с использованием алгоритмов обработки изображений и специальных алгоритмов обработки данных (Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. «Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования», Оптический журнал, 2012, т. 79, №6, стр. 52-58), что делает актуальной задачу уменьшения габаритов таких датчиков при одновременном увеличении их точности.Known angle meter, made in accordance with the new measurement concept, based on determining the angular position of the image of the optical mark on the photosensitive matrix of a digital camera using image processing algorithms and special data processing algorithms (Korolev A.N., Lukin A.Ya., Polishchuk G. .S. "A new concept of angle measurement. Model and experimental studies", Optical journal, 2012, v. 79, No. 6, pp. 52-58), which makes the task of reducing the dimensions of such sensors relevant while simultaneously lichenie their accuracy.

С указанной точки зрения наибольший интерес представляет малогабаритный датчик угла (патент РФ №2419067, публ. 20.05.2011), содержащий контрольный элемент, закрепленный на контролируемом объекте, источник света, сигнальную маску с прозрачной щелью, расположенной в фокальной плоскости объектива, и приемный узел, включающий объектив, в фокальной плоскости которого установлена приемная матрица, выходом подключенная к персональному компьютеру, осуществляющему определение угла разворота контрольного элемента по пространственному положению изображения светящейся щели относительно приемной матрицы, либо содержащий контрольный элемент, закрепленный на контролируемом объекте, состоящий из сигнальной маски с зеркальным штрихом, и приемный узел, включающий осветитель с источником света для подсветки сигнальной маски, и приемный объектив, строящий изображение зеркального штриха в плоскости приемной матрицы, выход которой подключен к персональному компьютеру или контроллеру, осуществляющему определение угла разворота контрольного элемента по пространственному положению изображения зеркального штриха относительно приемной матрицы.From this point of view, a small-sized angle sensor (RF patent No. 2419067, publ. 05.20.2011) containing a control element mounted on a controlled object, a light source, a signal mask with a transparent slit located in the focal plane of the lens, and a receiving unit are of most interest. including a lens in the focal plane of which a receiving matrix is installed, connected to a personal computer by output, which determines the angle of rotation of the control element by the spatial position of the image pressing the luminous slit relative to the receiving matrix, or containing a control element mounted on the monitored object, consisting of a signal mask with a mirror stroke, and a receiving unit, including a illuminator with a light source to illuminate the signal mask, and a receiving lens that builds a mirror image in the receiving plane matrix, the output of which is connected to a personal computer or controller, which determines the angle of rotation of the control element by the spatial position of the image the ratio of the mirror stroke relative to the receiving matrix.

В данном техническом решении формулируется подход к измерению углов, основанный на использовании двумерных матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для решения одномерной задачи измерения плоского угла. Такой подход позволяет уменьшить размеры измерительного устройства (датчика угла поворота) перпендикулярно оси его вращения и существенно снизить погрешность измерения за счет высокого уровня усреднения большого количества одиночных отсчетов.This technical solution formulates an approach to measuring angles based on the use of two-dimensional matrix photodetector devices (MFPs) to solve the one-dimensional problem of measuring a flat angle. This approach allows us to reduce the size of the measuring device (angle sensor) perpendicular to the axis of its rotation and significantly reduce the measurement error due to the high level of averaging of a large number of single samples.

К недостаткам вышеуказанного технического решения следует отнести:The disadvantages of the above technical solutions include:

- погрешность измерения положения энергетического центра изображения на матрице из-за шумов и других факторов, присущих МФПУ, составляющая долю от размера пикселя (приведенное в патенте РФ №2419067 значение погрешности в 0,03 от размера пикселя можно рассматривать как предельное); с учетом того, что количество строк (столбцов) МФПУ также ограничено, существенно повысить точность такого типа малогабаритных датчиков угла поворота (на основе МФПУ) не представляется возможным;- the error in measuring the position of the energy center of the image on the matrix due to noise and other factors inherent in the MFP, making up a fraction of the pixel size (the error value of 0.03 of the pixel size given in RF patent No. 2419067 can be considered the limit); taking into account that the number of rows (columns) of the MFP is also limited, it is not possible to significantly increase the accuracy of this type of small-sized angle-of-rotation sensors (based on the MFP);

- расфокусировку изображения на МФПУ, связанную с изменением расстояния между контролируемым объектом (сигнальной маской) и измерительным блоком, приводящую к соответствующему ухудшению точности датчика.- defocusing the image on the MFP associated with a change in the distance between the controlled object (signal mask) and the measuring unit, leading to a corresponding deterioration in the accuracy of the sensor.

В настоящее время среди известных датчиков угла поворота такого типа для решения одномерной задачи определения плоского угла наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, описанное в патенте РФ №2569072, 17.09.2013, выбранное в качестве прототипа, в котором устранены вышеуказанные недостатки аналогаCurrently, among the known rotation angle sensors of this type for solving the one-dimensional problem of determining a flat angle, the closest to the claimed technical essence and the achieved result is the technical solution described in RF patent No. 2569072, September 17, 2013, selected as a prototype, which eliminated the above disadvantages of the analogue

Известный прототип содержит осветитель с маской, измерительный блок, включающий МФПУ, оптически сопряженное с маской, и светоделитель, расположенный между объективом и МФПУ, при этом маска установлена перед светоделителем в фокальной плоскости объектива, МФПУ подключено к электронному блоку, а кроме вышеуказанного устройство содержит контролируемый объект, установленный с возможностью поворота относительно измерительного блока, на котором закреплен дополнительный оптический элемент, выполненный в виде двойного зеркала с прямым углом между его зеркалами, обращенными к объективу, причем ребро между зеркалами двойного зеркала перпендикулярно оптической оси объектива, а ось поворота контролируемого объекта и плоскость симметрии двойного зеркала параллельны оптической оси объектива.The known prototype contains a lighter with a mask, a measuring unit including an MFP that is optically paired with a mask, and a beam splitter located between the lens and the MFP, the mask is installed in front of the beam splitter in the focal plane of the lens, the MFP is connected to the electronic unit, and in addition to the above, the device contains a controllable an object mounted with the possibility of rotation relative to the measuring unit, on which an additional optical element is mounted, made in the form of a double mirror with a right angle m between its mirrors facing the lens, and the edge between the mirrors of the double mirror is perpendicular to the optical axis of the lens, and the axis of rotation of the controlled object and the plane of symmetry of the double mirror are parallel to the optical axis of the lens.

Недостатком прототипа является то, что он так же, как и аналог, решает одномерную задачу измерения плоского угла.The disadvantage of the prototype is that it, like the analogue, solves the one-dimensional problem of measuring a flat angle.

В то же время создание единого малогабаритного устройства трехосной ориентации, совмещающего в себе функции автоколлиматора и датчика угла поворота, весьма привлекательно и особенно актуально для бортовой аппаратуры КА, к которой предъявляются требования по минимизации габаритно-массовых характеристик и достижению высоких точностей.At the same time, the creation of a single small-sized device of triaxial orientation, combining the functions of an autocollimator and a rotation angle sensor, is very attractive and especially relevant for spacecraft onboard equipment, which is required to minimize overall mass characteristics and achieve high accuracy.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание принципиально нового малогабаритного высокоточного прибора для определения трехосной ориентации одного твердого тела относительно другого (далее - ДУП трехосной ориентации) при обеспечении отсутствия расфокусировки изображения.The problem to which the invention is directed is the creation of a fundamentally new small-sized high-precision device for determining the triaxial orientation of one solid body relative to another (hereinafter - DUP triaxial orientation) while ensuring the absence of image defocusing.

Данная задача решается за счет того, что в заявленном датчике угла поворота, выполненном в виде фотоэлектрического автоколлиматора, содержащем объектив, в фокальной плоскости которого установлен матричный приемник излучения, выходом подключенный к электронному блоку, светоделитель, расположенный перед матричным приемником излучения, осветитель с источником света, предназначенный для подсветки сигнальной маски с прозрачным штрихом, установленной перед светоделителем в фокальной плоскости объектива, и двойное зеркало, представляющее собой контролируемый объект - призму БР-180°, обращенную прозрачной входной гранью к объективу, при этом на входную грань призмы нанесено зеркальное покрытие, выполненное в виде симметрично расположенного круга, осветитель снабжен дополнительным источником света, светоделителем и апертурными диафрагмами, оптически сопряженными с входной гранью призмы посредством конденсора, причем первая диафрагма выполнена в виде круглого прозрачного отверстия, а вторая имеет вид прозрачного кольца, при этом диаметр изображения первой апертурной диафрагмы меньше диаметра круга зеркального покрытия, а внутренний диаметр изображения прозрачного кольца второй диафрагмы больше диаметра круга зеркального покрытия.This problem is solved due to the fact that in the inventive rotation angle sensor, made in the form of a photoelectric autocollimator containing a lens, in the focal plane of which there is a matrix radiation detector, connected to the electronic unit by an output, a beam splitter located in front of the radiation matrix receiver, a illuminator with a light source , designed to illuminate the signal mask with a transparent stroke installed in front of the beam splitter in the focal plane of the lens, and a double mirror, representing a controlled object — the BR-180 ° prism facing the transparent entrance face to the lens, while the entrance face of the prism is coated with a mirror, made in the form of a symmetrically arranged circle, the illuminator is equipped with an additional light source, a beam splitter and aperture diaphragms optically paired with the input face prisms by means of a condenser, the first diaphragm made in the form of a round transparent hole, and the second has the form of a transparent ring, while the diameter of the image of the first aperture diam fragments are smaller than the diameter of the circle of the mirror coating, and the inner diameter of the image of the transparent ring of the second diaphragm is larger than the diameter of the circle of the mirror coating.

Состав конструктивных элементов, их взаимное расположение, взаимодействие, форма и соотношение образуемых геометрических фигур, а также материал, применяемый в виде слоя, наносимого на конструктивные элементы, характеризуют объект - устройство в целом и обуславливают его воспроизводимость, а также обеспечивают достижение технического результата.The composition of structural elements, their mutual arrangement, interaction, shape and ratio of the formed geometric shapes, as well as the material used as a layer applied to the structural elements, characterize the object - the device as a whole and determine its reproducibility, as well as ensure the achievement of a technical result.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, выражается в повышении точности угловых измерений малогабаритного ДУП трехосной ориентации контролируемого объекта при обеспечении его малых массы и габаритов, что достигается благодаря формированию двух оптических независимых функциональных каналов с общей визирной линией. При этом один канал (угла поворота) измеряет угол поворота призмы БР-180° вокруг общей визирной линии, а другой канал (автоколлимационный) определяет углы отклонения к входной грани призмы БР-180° относительно общей визирной линии устройства.The technical result provided by the given set of features is expressed in increasing the accuracy of angular measurements of a small DUP of the triaxial orientation of the controlled object while ensuring its small mass and dimensions, which is achieved due to the formation of two optical independent functional channels with a common sight line. In this case, one channel (rotation angle) measures the angle of rotation of the BR-180 ° prism around the common sight line, and the other channel (autocollimation) determines the deviation angles to the input face of the BR-180 ° prism relative to the overall sight line of the device.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг. 1 - общий вид датчика угла поворота;in FIG. 1 is a general view of a rotation angle sensor;

на фиг. 2 - вариант выполнения сетки на маске;in FIG. 2 - an embodiment of a grid on a mask;

на фиг. 3 - варианты сеток на маске.in FIG. 3 - options for grids on the mask.

Предлагаемое изобретение (датчик угла поворота), представленное на фиг. 1, состоит из сигнальной маски 1 с нанесенной сеткой, содержащей прозрачный штрих (см. фиг. 2, вид D), неподвижного измерительного блока 2, выполненного в виде фотоэлектрического автоколлиматора, включающего контролируемый подвижный объект 3, представляющий собой призму БР-180°. На входную грань призмы 3 нанесено зеркальное покрытие, выполненное в виде симметрично расположенного круга 3', остальная часть входной грани имеет просветляющее покрытие 3'' (см. фиг. 2, вид А). Кроме того, в блок 2 входит светоделитель 4, расположенный между объективом 5 и МПИ 6 за сигнальной маской 1, установленной перед светоделителем 4 в фокальной плоскости объектива 5. Матрица МПИ 6, выходом подключенная к электронному блоку 7, оптически сопряжена с сигнальной маской 1, поэтому МПИ 6 совмещен с фокальной плоскостью объектива 5, при этом сигнальная маска 1 установлена так, что ее ось симметрии перпендикулярна оптической оси датчика и совмещена с центром светоделителя 4, а рисунок сигнальной маски 1 всегда содержит прозрачный штрих (см. фиг. 2, вид D). Сигнальная маска освещается осветителем 8, в котором размещены дополнительно светоделитель 9 и две апертурные диафрагмы 10, 11 с соответствующими подсветками 12, 13. Апертурные диафрагмы оптически сопряжены с входной гранью призмы посредством конденсора 14, причем диафрагма 11 выполнена в виде круглого прозрачного отверстия (см. фиг. 2, вид С), а диафрагма 10 в виде прозрачного кольца (см. фиг. 2, вид В). При этом диаметр изображения прозрачного отверстия меньше диаметра круглого зеркального слоя 3' на входной грани призмы 3, а внутренний диаметр изображения прозрачного кольца больше диаметра круглого зеркального слоя 3'.The present invention (rotation angle sensor) shown in FIG. 1, consists of a signal mask 1 with a grid applied, containing a transparent bar (see Fig. 2, view D), a stationary measuring unit 2, made in the form of a photoelectric autocollimator, including a controlled movable object 3, which is a BR-180 ° prism. A mirror coating made in the form of a symmetrically arranged circle 3 'is applied to the input face of the prism 3, the rest of the input face has a 3' 'antireflection coating (see Fig. 2, view A). In addition, block 2 includes a beam splitter 4 located between the lens 5 and MPI 6 behind the signal mask 1 installed in front of the beam splitter 4 in the focal plane of the lens 5. The matrix MPI 6, which is connected to the electronic unit 7 by output, is optically coupled to the signal mask 1, therefore, the MPI 6 is aligned with the focal plane of the lens 5, while the signal mask 1 is set so that its axis of symmetry is perpendicular to the optical axis of the sensor and aligned with the center of the beam splitter 4, and the figure of the signal mask 1 always contains a transparent stroke (see Fig. 2, view D). The signal mask is illuminated by a lighter 8, which additionally contains a beam splitter 9 and two aperture diaphragms 10, 11 with corresponding illuminations 12, 13. Aperture diaphragms are optically coupled to the input face of the prism by means of a condenser 14, and the diaphragm 11 is made in the form of a round transparent hole (see Fig. 2, view C), and the diaphragm 10 in the form of a transparent ring (see Fig. 2, view B). Moreover, the diameter of the image of the transparent hole is less than the diameter of the circular mirror layer 3 'on the input face of the prism 3, and the inner diameter of the image of the transparent ring is larger than the diameter of the circular mirror layer 3'.

По составу признаков измерительный блок 2 аналогичен обычному фотоэлектрическому автоколлиматору. Светоделитель 4 может быть выполнен в виде светоделительной куб-призмы, светоделительная плоскость которой расположена под углом 45° к оптической оси объектива 5.In terms of features, measuring unit 2 is similar to a conventional photoelectric autocollimator. The beam splitter 4 can be made in the form of a beam splitting cube-prism, the beam splitting plane of which is located at an angle of 45 ° to the optical axis of the lens 5.

Конструкция подсветок 12, 13 представляет собой, например, источники излучения с молочным стеклом.The design of the backlight 12, 13 is, for example, radiation sources with milk glass.

В состав электронного блока 7 входит персональный компьютер с монитором.The electronic unit 7 includes a personal computer with a monitor.

Кроме вышесказанного на фиг. 1 приведена система координат (СК) XYZ - это СК измерительного блока 2. Ось X проходит через общую визирную линию измерительного блока 2, а плоскость, образованная осями YZ, параллельна матрице пикселей МПИ 6.In addition to the foregoing in FIG. Figure 1 shows the coordinate system (SK) XYZ is the SK of the measuring unit 2. The X axis passes through the common line of sight of the measuring unit 2, and the plane formed by the YZ axes is parallel to the pixel matrix MPI 6.

Таким образом, предлагаемое изобретение (датчик угла поворота) представляет собой двухканальную систему. Канал I (автоколлимационный канал) состоит из следующих элементов: 13, 11, 9, 14, 1, 4, 5, 3', 5, 4, 6, 7. В канал II (угла поворота) входят элементы 12, 10, 9, 14, 1, 4, 5, 3'', 5, 4, 6, 7.Thus, the present invention (angle sensor) is a two-channel system. Channel I (autocollimation channel) consists of the following elements: 13, 11, 9, 14, 1, 4, 5, 3 ', 5, 4, 6, 7. Channel II (rotation angle) includes elements 12, 10, 9 , 14, 1, 4, 5, 3``, 5, 4, 6, 7.

Описанное устройство предназначено для решения задачи определения трехосной ориентации призмы БР-180° относительно неподвижного измерительного блока 2. То есть канал II производит измерение угла поворота γ ребра призмы БР-180° относительно СК XYZ при ее повороте вокруг оси X, а канал I измеряет углы δ, ε, где δ - угол поворота нормали к входной грани призмы 3 вокруг оси Y, ε - угол поворота нормали к входной грани призмы 3 вокруг оси Z. СК YZ - это СК матрицы пикселей МПИ. Ее начало расположено в центре матрицы пикселей МПИ и через него проходят оптическая ось объектива 5 и визирная ось датчика угла поворота.The described device is designed to solve the problem of determining the triaxial orientation of the BR-180 ° prism relative to the stationary measuring unit 2. That is, channel II measures the angle of rotation γ of the BR-180 ° prism relative to the XYZ SC when it is rotated around the X axis, and channel I measures the angles δ, ε, where δ is the angle of rotation of the normal to the input face of the prism 3 around the Y axis, ε is the angle of rotation of the normal to the input face of the prism 3 around the Z axis. SK YZ is the SK matrix of pixels MPI. Its beginning is located in the center of the matrix of pixels MPI and through it pass the optical axis of the lens 5 and the target axis of the angle sensor.

Если линейный размер матрицы пикселей МПИ равен А×А, то угловое поле канала I (автоколлиматора) будет 2W×2W, а максимальные значения углов δ_max=ε_max=W/2. Для максимального значения угла γ физических ограничений нет (γ≥360°).If the linear size of the matrix of pixels of the MPI is equal to A × A, then the angular field of channel I (autocollimator) will be 2W × 2W, and the maximum angles δ _max = ε _max = W / 2. For the maximum value of the angle γ, there are no physical restrictions (γ≥360 °).

На фиг. 3 представлены три варианта сеток предлагаемого устройства (варианты 1, 1', 1''). Вариант 1 (фиг. 3) представляет одиночную прозрачную щель (такую же, как в прототипе). Этот вариант наиболее удобен при работе канала II (угла поворота) устройства. Однако при работе канала I (автоколлимационного канала) необходимо определять положение центроиды (центра тяжести) изображения указанной одиночной прозрачной щели на матрице МПИ. Это изображение имеет относительно большую площадь и перекрывает большое количество пикселей матрицы МПИ, что приводит при определении положения центра тяжести этого изображения к нерациональным временным затратам. Вариант 1' (фиг. 3) помимо одиночной прозрачной щели имеет прозрачную точечную диафрагму, изображение которой на матрице занимает примерно 2×2 или 3×3 пикселя. Алгоритм обработки изображений для этой сетки несколько усложняется. При работе канала II (угла поворота) устройства обеспечивается опознание и виртуальное исключение электрических сигналов изображения прозрачной точечной диафрагмы, а при работе канала I (автоколлимационного канала) на растре пикселей МПИ вокруг изображения прозрачной точечной диафрагмы организуется виртуальное окно, с помощью которого происходит определение координат центра тяжести изображения указанной диафрагмы. Изображение одиночной прозрачной щели всегда расположено вне указанного виртуального окна. Вариант 1'' (фиг. 3) выполнен в виде прозрачного креста, длина штрихов которого меньше длины штриха в варианте 1, но при этом суммарная длина штрихов больше длины штриха в варианте 1. Ширина штрихов прозрачного креста для их опознания (различения) может быть разной. Вариант 1'' позволяет увеличить измеряемые углы δ, ε, где, как отмечено выше, δ - угол поворота нормали к входной грани призмы 3 вокруг оси Y, ε - угол поворота нормали к входной грани призмы 3 вокруг оси Z. Алгоритм обработки изображения этой сетки также несколько усложняется. При работе канала II (угла поворота) устройства обеспечивается опознание и раздельное измерение угла поворота каждого штриха креста с последующим вычислением общего угла поворота креста γ. При работе канала I (также как в варианте 1) необходимо определять положение центроиды (центра тяжести) изображения указанного прозрачного креста на матрице МПИ 6. Таким образом, в зависимости от условий и решаемых задач вид сетки может быть разным. В дальнейшем для простоты и наглядности изложения будем рассматривать сетку варианта 1 (фиг. 3).In FIG. 3 presents three options for the grids of the proposed device (options 1, 1 ', 1' '). Option 1 (Fig. 3) is a single transparent gap (the same as in the prototype). This option is most convenient when working channel II (angle of rotation) of the device. However, during the operation of channel I (the autocollimation channel), it is necessary to determine the position of the centroid (center of gravity) of the image of the indicated single transparent gap on the MPI matrix. This image has a relatively large area and overlaps a large number of pixels in the MPI matrix, which leads to irrational time costs when determining the position of the center of gravity of this image. Option 1 '(Fig. 3), in addition to a single transparent slit, has a transparent point aperture, the image of which on the matrix occupies about 2 × 2 or 3 × 3 pixels. The image processing algorithm for this grid is somewhat complicated. During operation of channel II (rotation angle) of the device, recognition and virtual exclusion of electrical signals of the image of the transparent point diaphragm is provided, and when channel I (auto-collimation channel) operates on the MPI pixel raster, a virtual window is organized around the image of the transparent point diaphragm by which the center coordinates are determined gravity image of the specified aperture. The image of a single transparent slit is always located outside the specified virtual window. Option 1 '' (Fig. 3) is made in the form of a transparent cross, the length of the strokes of which is less than the length of the stroke in option 1, but the total length of the strokes is greater than the length of the stroke in option 1. The width of the strokes of the transparent cross for their identification (discrimination) can be different. Option 1 '' allows increasing the measured angles δ, ε, where, as noted above, δ is the angle of rotation of the normal to the input face of the prism 3 around the Y axis, ε is the angle of rotation of the normal to the input face of the prism 3 around the Z axis. The image processing algorithm of this grids are also somewhat complicated. During operation of channel II (rotation angle) of the device, identification and separate measurement of the rotation angle of each stroke of the cross is ensured, followed by calculation of the total angle of rotation of the cross γ. When channel I is operating (as well as in option 1), it is necessary to determine the position of the centroid (center of gravity) of the image of the indicated transparent cross on the MPI matrix 6. Thus, depending on the conditions and the tasks to be solved, the type of grid can be different. In the future, for simplicity and clarity, we will consider the grid option 1 (Fig. 3).

При работе канала I (автоколлимационного канала) по призме БР-180° бликов от нее не возникает. При работе канала II (угла поворота) по призме БР-180° от ее преломляющей поверхности появляются блики. Для их подавления на прозрачную часть входной грани призмы нанесено просветляющее покрытие. Если подсветка 12 излучает монохроматический свет с длиной волны λ, то наилучшим просветляющим покрытием является двухслойное с рабочей длиной волны λ. Современные двухслойные просветляющие покрытия технологичны и при работе на длине волны λ имеют минимальный коэффициент отражения. Для борьбы с остаточным влиянием бликов возможно применение известного метода амплитудной селекции.When channel I (autocollimation channel) operates along the BR-180 ° prism, glare from it does not arise. When channel II (rotation angle) is operating along the BR-180 ° prism, glare appears from its refracting surface. To suppress them, a transparent coating is applied to the transparent part of the input face of the prism. If the backlight 12 emits monochromatic light with a wavelength λ, then the best antireflection coating is a two-layer with a working wavelength λ. Modern two-layer antireflection coatings are technological and, when operating at a wavelength of λ, have a minimum reflection coefficient. To combat the residual effect of glare, the known method of amplitude selection is possible.

Поскольку заявленный современный статический звездный прибор работает по группе звезд, находящихся в его угловом поле, то рассмотрена работа предлагаемого двухканального датчика угла поворота на примере определения во времени взаимной трехосной ориентации космического телескопа и звездного прибора астроориентации, размещенных на одном космическом аппарате (КА). При этом отметим, что при эксплуатации космического аппарата под влиянием ряда дестабилизирующих факторов деформация его геометрической схемы в ряде случаев может составлять единицы угловых минут. Например, при переходе КА с неосвещенной Солнцем части его орбиты на освещенную температура на поверхности КА изменяется более чем на 100°С. Или КА собирают на Земле в условиях силы тяжести, а эксплуатируют в невесомости, в результате чего при выводе их на орбиту они получают значительные и разнообразные механические воздействия. Это также может нарушать геометрическую схему КА. Стабильность геометрической схемы космического телескопа и звездного прибора астроориентации обеспечивается специальными конструктивными приемами. Например, призма БР-180° и измерительный блок соответственно жестко закреплены на космическом телескопе и звездном приборе астроориентации, или другой вариант - призма БР-180° и измерительный блок соответственно жестко закреплены на звездном приборе астроориентации и космическом телескопе. При номинальной геометрии ребро двойного зеркала перпендикулярно оптической оси объектива 5.Since the claimed modern static stellar device operates on a group of stars located in its angular field, the work of the proposed two-channel rotation angle sensor is considered by the example of determining in time the mutual triaxial orientation of a space telescope and a stellar astro-orientation device placed on one spacecraft (SC). It should be noted that during the operation of a spacecraft under the influence of a number of destabilizing factors, the deformation of its geometric pattern in some cases can be units of angular minutes. For example, when a spacecraft transitions from a part of its orbit that is not illuminated by the Sun to an illuminated temperature, the surface of the spacecraft changes by more than 100 ° С. Or spacecraft are collected on Earth under gravity, and exploited in zero gravity, as a result of which when they are put into orbit, they receive significant and diverse mechanical effects. It may also violate the geometric structure of the spacecraft. The stability of the geometrical scheme of the space telescope and the stellar astro-orientation device is ensured by special constructive techniques. For example, the BR-180 ° prism and the measuring unit, respectively, are rigidly fixed to the space telescope and the astroorientation star device, or another option, the BR-180 ° prism and the measuring unit, respectively, are rigidly attached to the astroorientation star device and the space telescope. With nominal geometry, the edge of the double mirror is perpendicular to the optical axis of the lens 5.

Датчик угла поворота работает следующим образом (фиг. 1). Каналы I, II работают попеременно. При работе автоколлимационного канала (канала I) свет (лучи) от подсветки 13, пройдя апертурную диафрагму 11, отразившись от светоделителя 9, пройдя конденсор 14, освещает сигнальную маску 1. Затем указанный свет (лучи), пройдя прозрачный штрих сигнальной маски 1, отразившись от светоделителя 4 и выйдя из объектива 5 в виде параллельного пучка лучей, освещает круглый зеркальный слой 3' на входной грани призмы 3. При этом ни один луч не попадает на прозрачную часть входной грани призмы БР-180° 3. Затем параллельные лучи, отразившись от зеркала 3', фокусируются объективом 5 и, пройдя куб-призму 4, строят на матрице пикселей МПИ изображение штриха сигнальной маски 1. При наклоне призмы БР-180° 3 (в том числе и при ее повороте на угол γ) координаты центра тяжести изображения штриха в СК YZ будут равныThe angle sensor works as follows (Fig. 1). Channels I, II operate alternately. When the autocollimation channel (channel I) is operating, the light (rays) from the backlight 13, passing through the aperture diaphragm 11, reflected from the beam splitter 9, passing through the condenser 14, illuminates the signal mask 1. Then the specified light (rays), passing through the transparent stroke of the signal mask 1, reflected from the beam splitter 4 and exiting the lens 5 in the form of a parallel beam of rays, illuminates the round mirror layer 3 'on the input face of the prism 3. In this case, no beam falls on the transparent part of the input face of the prism BR-180 ° 3. Then the parallel rays reflected from mirror 3 ', focus lens 5 and, having passed the cube-prism 4, build the image of the stroke of the signal mask 1 on the matrix of MPI pixels. When the prism BR-180 ° 3 is tilted (including when it is rotated through an angle γ), the coordinates of the center of gravity of the stroke image in SK YZ will be equal

где f' - фокусное расстояние объектива 5, а δ и ε - измеряемые углы, в силу их малости представленные в радианах.where f 'is the focal length of lens 5, and δ and ε are the measured angles, due to their smallness, are presented in radians.

Далее посредством электронного блока 7 по измеренным данным определяются координаты центроида изображения штриха сигнальной маски 1 на плоскости пикселей МПИ 6 в системе координат YZ по известным формулам определения центра тяжести изображения (см., например, Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Логос, 2007, стр. 122-123).Then, using the electronic unit 7, the coordinates of the centroid of the image of the stroke of the signal mask 1 on the pixel plane of the MPI 6 in the YZ coordinate system are determined using the well-known formulas for determining the center of gravity of the image (see, for example, Fedoseev V.I., Kolosov M.P. Optiko -electronic devices for orientation and navigation of spacecraft. - M .: Logos, 2007, pp. 122-123).

Затем вычисляются искомые углы δ, ε на основе формул (1).Then, the desired angles δ, ε are calculated based on formulas (1).

Величины погрешностей измерений каналов I, II целесообразно делать соизмеримыми (равными). Погрешность измерений канала II определяется в основном параметрами МПИ (см. патент РФ №2419067, 20.05.2011, формулы (2), (3)).It is advisable to make the measurement errors of channels I and II commensurable (equal). The measurement error of channel II is determined mainly by the MPI parameters (see RF patent No. 2419067, 05.20.2011, formulas (2), (3)).

Погрешность измерений канала I (α) при выбранном МПИ определяется в основном величиной фокусного расстояния объектива 5 и погрешностью определения координаты энергетического центра изображения штриха на МПИ. Примем как в пат.№2419067, что погрешность измерений канала II α=0,2''(~0,000001 рад.), размер пикселя 3÷5 мкм, погрешность определения координаты энергетического центра изображения штриха на МПИ (μ) равна 0,03 от размера пикселя (0,03×0,003 = 0,00009 мм, 0,03×0,005 = 0,00015 мм). Фокусное расстояние объектива 5 определяется выражением f'=μ/2α. Откуда для пикселя размером 3 мкм f'=45 мм, а для пикселя размером 5 мкм f'=75 мм. Таким образом, определенные значения f' для соответствующих размеров пикселей обеспечивают равенство погрешностей измерений каналов I и II. В ряде случаев (например, при значительном расстоянии между призмой БР-180° и измерительным блоком 2) угловое поле автоколлиматора необходимосущественно уменьшать, увеличивая значение f', определенное по вышеприведенному выражению.The measurement error of channel I (α) for the selected MPI is mainly determined by the focal length of the lens 5 and the error in determining the coordinates of the energy center of the image of the line on the MPI. We assume, as in Pat. No. 2419067, that the measurement error of channel II is α = 0.2 '' (~ 0.000001 rad.), The pixel size is 3 ÷ 5 μm, the error in determining the coordinates of the energy center of the line of the image of the bar on the MPI (μ) is 0 , 03 of the pixel size (0.03 × 0.003 = 0.00009 mm, 0.03 × 0.005 = 0.00015 mm). The focal length of the lens 5 is determined by the expression f '= μ / 2α. Whence for a pixel of 3 μm f '= 45 mm, and for a pixel of 5 μm f' = 75 mm Thus, certain values of f 'for the respective pixel sizes ensure the equality of the measurement errors of channels I and II. In a number of cases (for example, with a significant distance between the BR-180 ° prism and the measuring unit 2), the angular field of the autocollimator must be substantially reduced by increasing the value of f 'determined by the above expression.

Будем считать, что все систематические ошибки датчика угла поворота выявлены и исключены на этапе калибровки (с точностью используемых эталонных устройств). Поэтому точность измерений канала I этого датчика определяется заданной величиной α.We assume that all systematic errors of the angle sensor are detected and excluded at the calibration stage (with the accuracy of the reference devices used). Therefore, the measurement accuracy of channel I of this sensor is determined by a given value of α.

Следует отметить, что в пространстве между объективом 5 и призмой БР-180° организован параллельный ход лучей, что, соответственно, обеспечивает реализацию нечувствительности (нерасстраиваемости) датчика угла поворота (в режиме автоколлиматора) к изменению расстояния между контролируемым объектом 3 и измерительным блоком 2. При этом указанный параллельный ход лучей обеспечивает также нерасстраиваемость датчика угла поворота к смещениям контролируемого объекта 3 относительно измерительного блока 2 и, в частности, к эксцентриситету оси вращения контролируемого объекта 3 относительно блока 2.It should be noted that in the space between the lens 5 and the BR-180 ° prism a parallel beam path is organized, which, accordingly, ensures the implementation of the insensitivity (non-adjustability) of the rotation angle sensor (in the auto-collimator mode) to a change in the distance between the controlled object 3 and the measuring unit 2. Moreover, the specified parallel beam path also ensures the non-alignment of the angle sensor to the displacements of the controlled object 3 relative to the measuring unit 2 and, in particular, to the eccentricity of the axis of rotation eniya controlled object 3 relative to the block 2.

При работе канала угла поворота (канала II) свет (лучи) от подсветки 12, пройдя соответствующую апертурную диафрагму 10, дополнительный светоделитель 9 и конденсор 14, освещает сигнальную маску 1. Затем указанный свет (лучи), пройдя прозрачный штрих сигнальной маски 1, отразившись от светоделителя 4 и выйдя из объектива 5 в виде параллельного пучка лучей, освещает входную грань призмы БР-180° 3. При этом ни один луч не попадает на зеркало 3'. Далее параллельные лучи, отразившись от двойного зеркала, фокусируются объективом 5 и, пройдя куб-призму 4, строят на матрице пикселей МПИ изображение штриха сигнальной маски 1. При повороте призмы БР-180° 3 на угол γ изображение штриха повернется на МПИ на угол 2γ=ϕ. С помощью электронного блока 7 производится определение координаты x_0j, энергетического центра каждой части изображения штриха в каждой строке матрицы пикселей МПИ 6. Таким образом, количество измерений равно количеству строк МПИ (или при большем угле - количеству его столбцов). Далее по алгоритму, представленному в патенте РФ №2419067, в электронном блоке 7 производится вычисление угла γ по формуле γ=ϕ/2, где ϕ - угол поворота изображения штриха на МПУ 6.When the channel angle of rotation (channel II), the light (rays) from the backlight 12, passing the corresponding aperture diaphragm 10, an additional beam splitter 9 and the condenser 14, illuminates the signal mask 1. Then the specified light (rays), passing a transparent stroke of the signal mask 1, reflected from the beam splitter 4 and exiting the lens 5 in the form of a parallel beam of rays, illuminates the input face of the prism BR-180 ° 3. Moreover, not a single beam hits the mirror 3 '. Next, parallel rays, reflected from the double mirror, are focused by the lens 5 and, having passed the cube-prism 4, build the image of the stroke of the signal mask 1 on the matrix of pixels MPI = ϕ. Using the electronic unit 7, the coordinate x _{0j is} determined, the energy center of each part of the line image in each row of the matrix of pixels MPI 6. Thus, the number of measurements is equal to the number of rows of MPI (or at a larger angle - the number of columns). Further, according to the algorithm presented in the patent of the Russian Federation No. 2419067, in the electronic unit 7, the angle γ is calculated by the formula γ = ϕ / 2, where ϕ is the angle of rotation of the bar image on MPU 6.

Как показали проведенные исследования, по известной программе расчетов оптических систем Zemax при наклоне в единицы угловых минут призмы БР-180° 3 (нормали к входной грани призмы 3) при ее вращении угол поворота изображения штриха сигнальной маски на МПИ ϕ практически никак не отличается от величины 2γ. Зависимость величина ϕ для двойного зеркала в обобщенном виде приведена в известной книге Г.В. Погарева («Юстировка оптических приборов»). Призма БР-180° является частным случаем двойного зеркала, у которого угол между его отражающими гранями равен 90°. Для малых углов γ указанная зависимость для призмы БР-180° вырождается в формулу ϕ=2γ sin (90°-υ), где υ - угол поворота нормали к входной грани призмы БР-180° относительно оси X. Для рассматриваемой задачи υ<10', γ<10'. При υ=10' величина ϕ=2γ×0,999997, что при γ=10' ϕ=19,99994'=19'59,9964''. Таким образом, полученное значение ϕ практически никак не отличается от величины 2γ.As the studies showed, according to the well-known program for calculating optical systems Zemax when the slope of the angular minute units of the prism BR-180 ° 3 (normal to the input face of the prism 3) when it is rotated, the angle of rotation of the image of the stroke of the signal mask on the MPI ϕ practically does not differ from 2γ. The dependence ϕ for a double mirror is summarized in a well-known book by G.V. Pogareva ("Adjustment of optical devices"). The BR-180 ° prism is a special case of a double mirror, in which the angle between its reflecting faces is 90 °. For small angles γ, this dependence for the BR-180 ° prism degenerates into the formula ϕ = 2γ sin (90 ° -υ), where υ is the angle of rotation of the normal to the input face of the BR-180 ° prism relative to the X axis. For the problem under consideration, υ <10 ', γ <10'. For υ = 10 ', the quantity ϕ = 2γ × 0.999997, which for γ = 10', ϕ = 19.99994 '= 19'59.9964' '. Thus, the obtained value of ϕ practically does not differ from the value 2γ.

Как было отмечено в описании прототипа, в пространстве между объективом 5 и призмой БР-180° организован параллельный ход лучей, что, соответственно, обеспечивает реализацию нечувствительности (нерасстраиваемости) датчика угла поворота в режиме канала II к изменению расстояния между контролируемым объектом 3 и измерительным блоком 2. При этом указанный параллельный ход лучей обеспечивает также нерасстраиваемость датчика угла поворота к смещениям контролируемого объекта 3 относительно измерительного блока 2 и, в частности, к эксцентриситету оси вращения контролируемого объекта 3 относительно блока 2.As noted in the description of the prototype, in the space between the lens 5 and the BR-180 ° prism, a parallel beam path is organized, which, accordingly, ensures the implementation of the insensitivity (non-adjustment) of the rotation angle sensor in channel II mode to the change in the distance between the controlled object 3 and the measuring unit 2. In this case, the parallel path of the rays also ensures the non-alignment of the angle sensor to the displacements of the controlled object 3 relative to the measuring unit 2 and, in particular, to the eccentricity the axis of rotation of the controlled object 3 relative to the block 2.

Современная элементная база оптоэлектроники обеспечивает высокое быстродействие подобных оптико-электронных приборов (единицы миллисекунд). Поэтому можно считать, что предлагаемое двухканальное устройство работает практически в реальном масштабе времени.The modern element base of optoelectronics provides high-speed performance of such optoelectronic devices (units of milliseconds). Therefore, we can assume that the proposed two-channel device operates in almost real time.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает:Thus, the proposed device provides:

- новые функциональные возможности (решение задачи определения трехосной ориентации одного объекта относительно другого в реальном масштабе времени);- new functionality (solving the problem of determining the triaxial orientation of one object relative to another in real time);

- существенное повышение точности угловых измерений при решении задачи определения трехосной ориентации;- a significant increase in the accuracy of angular measurements in solving the problem of determining the triaxial orientation;

- надежную работу прибора при эксплуатации, т.к. устройство имеет свойство нерасстраиваемости;- reliable operation of the device during operation, as the device has the property of non-upsetability;

- небольшие массогабаритные характеристики (один прибор меньше двух);- small overall dimensions (one device less than two);

- расширение области применения датчика угла поворота.- expanding the scope of the angle sensor.

Claims

A rotation angle sensor made in the form of a photoelectric autocollimator containing a lens in the focal plane of which a matrix radiation detector is installed, connected to the electronic unit by an output, a beam splitter located in front of the radiation matrix detector, a illuminator with a light source, designed to illuminate the signal mask with a transparent stroke, mounted in front of the beam splitter in the focal plane of the lens, and a double mirror, which is a controlled object - a prism BR-180 °, facing a transparent entrance face to the lens, characterized in that the entrance face of the prism is coated with a mirror, made in the form of a symmetrically arranged circle, the illuminator is equipped with an additional light source, a beam splitter and aperture diaphragms optically coupled to the input face of the prism by means of a condenser, the first diaphragm being made in in the form of a round transparent hole, and the second has the form of a transparent ring, while the diameter of the image of the first aperture diaphragm is less than the diameter of the circle of the mirror coating, and the inner diameter of the image of the transparent ring of the second diaphragm is larger than the diameter of the circle of the mirror coating.