Датчик углового положения

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2069308
Дата публикации: 
Среда, Ноябрь 20, 1996


Использование: в измерительной технике, для измерения углового и линейного положения объекта в трехмерном пространстве. Сущность изобретения: измеритель содержит корпус, внутри которого находится контролируемый объект, причем обращенные друг к другу поверхности корпуса и контролируемого объекта имеют сферическую форму и отражающее покрытие, расположенные в трех взаимно ортогональных полостях интерферометры, каждый из которых состоит из двух источников когерентного излучения, светоделителя и двух фотоприемников, выходы которых подключены на входы вычислительного блока, причем каждому источнику излучения соответствует свой фотоприемник, оптическая ось одного источника излучения направлена так, что его луч отражается только от отражающей поверхности корпуса, тогда как луч другого источника излучения отражается от поверхностей и корпуса, и контролируемого объекта. Интерферометр в датчике углового положения измеряет одну из трех взаимно ортогональных проекций угловой скорости контролируемого объекта относительно корпуса путем измерения смещения частоты (длины волны) излучения при отражении от поверхности движущегося контролируемого объекта (эффект Доплера) с последующим вычислением их взаимного углового положения путем интегрирования измерянной угловой скорости вычислительным блоком и измеряет угловую скорость корпуса относительно инерциального пространства путем измерения смещения частоты изучения при отражении от поверхности движущегося корпуса с последующим вычислением углового положения корпуса в инерциальном пространстве и угловых уходов контролируемого объекта относительно инерциального пространства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

, ,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Предлагаемое изобретение относится к разделу измерительной техники и может быть использовано для измерения линейного и углового положения объекта в трехмерном пространстве.

Известен интерферометр Саньяка [1] измеряющий угловую скорость корпуса относительно инерциального пространства. Недостатком известного интерферометра Саньяка являются низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у него возможности измерять угловое положение контролируемого объекта относительно корпуса и инерциального пространства.

Известен трехкомпонентный емкостной датчик взаимного углового положения сфер сферического гиростабилизатора AIRS [2] содержащий три пары обкладок конденсаторов, выполненных в виде колец и размещенных напротив друг друга на корпусе прибора и контролируемом объекте (платформе) в трех взаимно ортогональных плоскостях. Недостатком данного датчика угла являются низкие функциональные возможности вследствие невозможности измерения линейного положения контролируемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является кольцевой лазерный гироскоп [3] измеряющий угловую скорость корпуса прибора относительно инерциального пространства и содержащий источник излучения, светоделитель, волноводный контур, фотоприемник и блок обработки сигнала фотоприемника. Недостатком такого лазерного гироскопа являются низкие функциональные возможности вследствие отсутствия у него возможности измерять угловое положение контролируемого объекта относительно корпуса и инерциального пространства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

1. Поставленная цель достигается тем, что датчик углового положения, содержащий корпус, источник излучения, светоделитель, волноводный контур, фотоприемник и блок обработки сигнала фотоприемника, дополнительно снабжен вторым источником излучения и вторым фотоприемником, волноводный контур образован обращенными друг к другу и имеющими сферическую форму отражающими поверхностями корпуса и контролируемого объекта, блок обработки сигналов фотоприемников выполнен в виде вычислительного блока, оптические оси источников излучения направлены так, что луч одного из них отражается только от отражающей поверхности корпуса, а луч второго отражается от поверхностей и корпуса, и контролируемого объекта.

2. Поставленная цель достигается тем, что вычислительный блок датчика углового положения по пункту 1 содержит шесть (по числу фотоприемников) интегрирующих блоков, электрически связанных с выходами интерферометров и состоящих из реверсивного счетчика и дифференцирующего блока, сигнал через который идет со счетного входа реверсивного счетчика на его управляющий вход, тактирующее устройство, выход которого связан со всеми элементами вычислительного блока, оперативно-запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, соединенный с выходами интегрирующих блоков, оперативно-запоминающего устройства и постоянного запоминающего устройства через входные порты шинами данных, а с выходом вычислительного блока через выходной порт, входные и выходной порты также соединены с микроконтроллером шинами управления и адреса.

3. Поставленная цель достигается тем, что микроконтроллер вычислительного блока датчика углового положения по п.2 содержит устройство управления, арифметико-логическое устройство и сверхоперативное запоминающее устройство, связанные между собой и с выходами микроконтроллера шинами управления, адреса и данных, а также с тактирующим устройством вычислительного блока.

Сущность изобретения заключается в следующем. Интерферометр в датчике углового положения измеряют одну из трех взаимно ортогональных проекций угловой скорости контролируемого объекта относительно корпуса путем измерения смещения частоты (длины волны) излучения при отражении от поверхности движущегося контролируемого объекта (эффект Доплера) с последующим вычислением их взаимного углового положения путем интегрирования проекции измеренной угловой скорости вычислительным блоком и измеряет проекцию угловой скорости корпуса относительно инерциального пространства путем измерения смещения частоты излучения при отражении от поверхности движущегося корпуса с последующим вычислением углового положения корпуса в инерциальном пространстве и угловых уходов контролируемого объекта относительно инерциального пространства.

Использование интерферометров, волноводного контура, вычислительного блока и отдельных его элементов в измерительной технике известно. Однако их использование в совокупности для измерения углового положения объекта в трехмерном пространстве, а также использование двух оптических трактов в одном волноводном контуре не известно, о чем свидетельствует проведенный патентный поиск. Таким образом, использование совокупности известных в отдельности признаков приводит к положительному эффекту, проявившемся в расширении функциональных возможностей, в связи с чем изобретение обладает существенными отличиями.

Функциональная схема предложенного датчика углового положения изображена на фиг.1. На фиг.2 изображена функциональная схема вычислительного блока. На фиг. 3 изображена функциональная схема микроконтроллера. Датчик углового положения содержит (см. фиг.1) корпус 1, внутри которого находится контролируемый объект 2, причем обращенные друг к другу поверхности корпуса 1 и контролируемого объекта 2 имеют сферическую форму и отражающее покрытие, интерферометр 3, который состоит из двух источников 4 и 5 когерентного излучения, светоделителя 6 и двух фотоприемников 7 и 8, выходы которых подключены на входы вычислительного блока 9, причем каждому источнику излучения соответствует свой фотоприемник, оптическая ось источника 4 излучения направлена так, что его луч отражается только от отражающей поверхности корпуса 1, тогда как луч источника 5 излучения отражается от поверхностей и корпуса 1, и контролируемого объекта 2.

Вычислительный блок 9 содержит два интегрирующих блока 10, электрически связанных с выходами фотоприемников 7 и 8 интерферометра 3 и состоящих из реверсивного счетчика 11 и дифференцирующего блока 12, сигнал через который идет со счетного входа реверсивного счетчика 11 на его управляющий вход, тактирующее устройство 13 (например, кварцевый генератор), выход которого связан со всеми элементами вычислительного блока 9, оперативно-запоминающее устройство 14 и постоянное запоминающее устройство 15, микроконтроллер 17, соединенный с выходами интегрирующих блоков 10, оперативно-запоминающего устройства 14 и постоянного запоминающего устройства 15 через входные порты 16 шинами 18 данных, а с выходом вычислительного блока 9 через выходной порт 21, входные 16 и выходной 21 порты также соединены с микроконтроллером 17 шинами 19 и 20 управления и адреса соответственно. Микроконтроллер 17 содержит устройство 22 управления, арифметико-логическое устройство 23 и сверхоперативное запоминающее устройство 24, связанные между собой и с выходами микроконтроллера 17 шинами управления 19, адреса 20 и данных 18, а также с тактирующим устройством 13 вычислительного блока 9.

Контролируемый объект 2 может находиться относительно корпуса 1 в поплавковом либо любом другом подвесе, а также поддерживаться в центральном относительно корпуса 1 положении благодаря центрирующим устройствам, в качестве которых может быть использован магниторезонансный подвес, состоящий из трех взаимно ортогональных электрических обмоток и усилителя [4, 5]
Лучи источников 4 и 5 излучения делятся светоделителем 6 на два луча каждый, одни из которых (опорные) падают на фотоприемные поверхности фотоприемников 7 и 8 (источник 4 излучения оптически связан с фотоприемником 7, а источник 5 с фотоприемником 8), другие (измерительные) движутся по волноводному контуру, образованному обращенными друг к другу отражающими поверхностями корпуса 1 и контролируемого объекта 2 (см. фиг.1), причем измерительный луч источника 4 излучения отражается только от внутренней поверхности корпуса 1, а луч источника 5 от обращенных друг к другу поверхностей как корпуса 1, так и контролируемого объекта 2. На светоделителе 6, выполняющем в данном случае роль смесителя излучения, измерительные и опорные лучи каждого оптического тракта соединяются и падают на фотоприемные поверхности фотоприемников 7 и 8, образуя на них интерференционные картины вследствие когерентности излучения источников 4 и 5.

При отсутствии углового движения контролируемого объекта 2 относительно корпуса 1 и углового движения корпуса 1 относительно инерциального пространства частоты (длины волн) измерительных лучей остаются постоянными, что равносильно постоянству длин оптических путей измерительных лучей, поэтому разность длин оптических путей измерительных и опорных лучей в каждом оптическом тракте интерферометра 3 остается постоянной и интерференционные картины на фотоприемных поверхностях фотоприемников 7 и 8 не изменяются.

При наличии углового движения контролируемого объекта 2 относительно корпуса 1 вокруг оси чувствительности интерферометра, которая перпендикулярна плоскости интерферометра, длина волны измерительного луча источника 5 будет в соответствии с эффектом Доплера [6] изменяться (увеличиваться или уменьшаться в зависимости от направления движения) при отражении от наружной поверхности контролируемого объекта 2 пропорционально его угловой скорости движения относительно корпуса 1 и в соответствии с эффектом Саньяка [1] при отражении от внутренней поверхности корпуса 1 пропорционально угловой скорости корпуса 1 относительно инерциального пространства. Изменение длины волны измерительного луча источника 5 равносильно изменению оптической длины его пути по волноводному контуру, что приводит к изменению разности оптических длин путей измерительного и опорного лучей источника 5 когерентного излучения, что, в свою очередь, приводит к изменению интерференционной картины на фотоприемной поверхности фотоприемника 8. Каждому изменению оптической длины измерительного луча на длину волны излучения источника 5 соответствует электрический импульс на выходе фотоприемника 8. Таким образом, количество импульсов N8 с выхода фотоприемника 8 будет пропорционально сумме двух угловых скоростей угловой скорости W1 корпуса 1 относительно контролируемого объекта 2 и угловой скорости W2 корпуса 1 относительно инерциального пространства:


где

коэффициенты пропорциональности.

Аналогично будет изменяться длина волны измерительного луча источника 4 (пропорционально угловой скорости W2 корпуса 1 относительно инерциального пространства), интерференционная картина на фотоприемной поверхности фотоприемника 7 и сигнал на его выходе при движении корпуса 1 относительно инерциального пространства количество импульсов N7 на выходе фотоприемника 7 будет пропорционально угловой скорости W2 корпуса 1 относительно инерционного пространства:


где

коэффициенты пропорциональности.

Чтобы определить угловую скорость W1 контролируемого объекта 2 относительно корпуса 1, необходимо из (1) вычесть (2):


При неподвижном в инерциальном пространстве корпусе 1 угловая скорость W3 контролируемого объекта 2 относительно инерциальной системы координат будет равна угловой скорости W1 корпуса 1 относительно объекта 2: W2=0 ⇒ W3=W1.
При угловом движении корпуса 1 относительно инерциального пространства с угловой скоростью W2 угловую скорость W3 контролируемого объекта 2 относительно инерциального пространства можно определять как разность


Сигнал с выходов фотоприемников 4 и 5 поступает в интегрирующие блоки 10 вычислительного блока 9. Определение направления углового движения контролируемого объекта 2 относительно корпуса 1 может быть осуществлено за счет использования в качестве фотоприемников 7 и 8 нескольких (двух или более) совмещенных боковыми сторонами фотоэлементов. В качестве фотоприемников 7 и 8 можно также использовать фотопотенциометр. При движении по его поверхности в одну сторону электрический сигнал с его выхода будет нарастать, в другую - уменьшаться. Сигнал с выхода фотоприемников 7 и 8 поступает на вход реверсивного счетчика 11 вычислительного блока 9 и через дифференцирующий блок 12 на его управляющий вход. В качестве дифференцирующего 12 блока можно использовать последовательно соединенные конденсатор и сглаживающий фильтр [7] Благодаря этому при движении интерференционных линий по фотоприемной поверхности фотоприемников 7 и 8 в одну сторону соответствующие им импульсы будут суммироваться реверсивным счетчиком 11, при движении в другую сторону - вычитаться.

Вычислительный блок 9 вычисляет проекцию угловой скорости W1 внутренней сферы 2 относительно наружной 1 по формуле (3) и вычисляет проекцию взаимного углового положения контролируемого объекта 2 и корпуса 1 (в координатах х, y, z системы координат Oxyz, связанной с корпусом 1), интегрируя указанные значения проекций угловой скорости по времени:


а также определяет проекцию угловой скорости W2 корпуса 1 относительно инерциального пространства (по формуле (2)) с последующим вычислением углового положения корпуса 1 в инерциальном пространстве путем интегрирования по времени проекции угловой скорости W2 корпуса 1 относительно инерциальной системы координат (аналогично выражению (5)), определяет проекцию угловой скорости W3 объекта 2 относительно инерциального пространства по формуле (4) и путем их интегрирования по времени (аналогично выражению (5)) угловые уходы контролируемого объекта 2 относительно инерциального пространства.

Алгоритм вычисления углового положения объекта хранится в ПЗУ 15. ОЗУ 14 предназначено для хранения результатов вычислений. Входной (выходной) порт 16 (21) [8] представляет собой буферный регистр, хранящий в себе код до поступления в него по шине 19 управления команды на выдачу кода, а по шине 20 адреса адреса данного порта, чтобы именно он выполнил команду на выдачу кода. Устройство 22 управления [8, стр. 98 107] представляет собой совокупность следующих элементов: счетчика команд, дешифратора команд, счетчика микрокоманд, дешифратора микрокоманд, формирователя управляющих импульсов и формирователя кода адреса.

Арифметико-логическое устройство 23 [8, стр. 89 91] представляет собой набор логических элементов и регистров, в которые поступают код операции и два операнда для произведения над ними арифметических и логических действий в соответствии с кодом операции. Сверхоперативное запоминающее устройство 24 [8, стр. 91 94] предназначено для кратковременного хранения промежуточных результатов вычисления и поступающих в микроконтроллер 17 кодов по шине 18 данных.

Микроконтроллер 17 работает следующим образом [8, стр.107 138] Счетчик команд устройства 22 управления при начале каждого очередного цикла работы прибавляет единицу к номеру предыдущей команды и посылает по шине 18 данных код адреса очередной команды в ПЗУ 15, по шине 19 управления управляющий импульс на выдачу из ПЗУ 15 кода из ячейки, номер которой послан в ПЗУ 15 по шине 18 данных, а по адресной шине 20 адрес порта 16 ПЗУ 15, поэтому идущий по шине 18 данных код адреса попадает только в ПЗУ 15. Затем формирователь управляющих импульсов устройства 22 управления выдает очередной импульс в шину 19 управления на выдачу очередной команды из порта 16 ПЗУ 15, а формирователь кода адреса адрес порта 16 ПЗУ 15. Эта команда поступает в дешифратор команд устройства 22 управления. Каждой команде соответствует определенная последовательность микрокоманд, коды которых формирует дешифратор команд. Отдельные микрокоманды, если их коды идут подряд, могут формироваться счетчиком микрокоманд. Микрокоманды поступают в дешифратор микрокоманд, который совместно с формирователем управляющих импульсов выдает в шину 19 управления последовательность управляющих импульсов, а формирователь кода адреса в шину 20 адреса соответствующую последовательность адресов элементов, которым предназначены данные управляющие импульсы.

По поступлению в сверхоперативное запоминающее устройство 24 из интегрирующих блоков 10 кодов, характеризующих угловую скорость корпуса относительно инерциального пространства и сумму этой же угловой скорости с угловой скоростью контролируемого объекта 2 относительно корпуса 1, устройство 23 управления по записанному в ПЗУ 15 алгоритму отправляет эти коды в ячейки ОЗУ 14 и начинает вычислять проекции углового и линейного положения объекта в трехмерном пространстве. Полученный результат из регистра сверхоперативного запоминающего устройства 24 отправляется в заданную ячейку оперативного запоминающего устройства 14 и в выходной порт 21 (потребителю информации).

Использование предложенного датчика углового положения позволит расширить функциональные возможности за счет дополнительного оснащения вторым источником излучения и вторым фотоприемником, использования в качестве волноводного контура обращенных друг к другу и имеющих сферическую форму отражающих поверхностей корпуса и контролируемого объекта, выполнения блока обработки сигналов фотоприемников в виде вычислительного блока, а также направления оптических осей источников излучения так, что луч одного из них отражается только от отражающей поверхности корпуса, а луч второго источника излучения отражается от поверхностей и корпуса, и контролируемого объекта.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Датчик углового положения, содержащий корпус и интерферометр, состоящий из оптически связанных источника излучения, светоделителя, волноводного контура, фотоприемника и блока обработки сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что он снабжен еще двумя интерферометрами, идентичными первому и расположенными так, что их оптические оси взаимноортогональны, а каждый интерферометр дополнительно снабжен вторым источником излучения и вторым фотоприемником, волноводный контур каждого интерферометра образован обращенными друг к другу и имеющими сферическую форму отражающими поверхностями корпуса и контролируемого объекта, блок обработки сигналов фотоприемника выполнен в виде вычислительного блока, оптические оси источника излучения направлены так, что луч одного из них отражается только от отражающей поверхности корпуса, а луч второго от поверхности корпуса и контролируемого объекта.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что вычислительный блок содержит интегрирующие блоки по числу фотоприемников интерферометра, электрически связанные с выходами интерферометров и состоящие из реверсивного счетчика и дифференцирующего блока, сигнал через который идет со счетного входа реверсивного счетчика на его управляющий вход, тактирующее устройство, выход которого связан со всеми элементами вычислительного блока, оперативно-запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, соединенный с выходами интегрирующих блоков, оперативно-запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство через входные порты шинами данных, а с выходом вычислительного блока через выходной порт, входной и выходные порты также соединены с микроконтроллером шинами управления и адреса.

3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что микроконтроллер вычислительного блока содержит устройство управления, арифметико-логическое устройство и сверхоперативное запоминающее устройство, связанные между собой и с выходами микроконтроллера шинами управления, адреса и данных, причем устройство управления с арифметико-логическим устройством и сверхоперативным запоминающим устройством, арифметико-логическое устройство со сверхоперативным запоминающим устройством, а также с тактирующим устройством вычислительного блока.