Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор существующих джойстиков, анализ их конструкций и принципов работы чувствительных элементов джойстиков 9
1.1 Типы манипуляторов для ввода информации и предъявляемые к ним эргономические требования 9
1.2 Анализ методов построения джойстиков и устройств, их реализующих
1.2.1 Потенциометрические джойстики 19
1.2.2 Тензорезистивные джойстики 25
1.2.3 Джойстики на основе магнитных чувствительных элементов 29
1.2.4 Оптические джойстики 33
1.2.5 Сравнение различных типов джойстиков
1.3 Формулировка задачи исследования 42
1.4 Выводы по первой главе 44
ГЛАВА 2. Математическое моделирование оптических министиков
2.1 Анализ принципа действия оптических министиков 46
2.2 Математическая модель цифрового оптического министика
2.2.1 Модель однокоординатного министика 53
2.2.2 Трехмерная математическая модель двухкоординатного оптического министика 57
2.2.3 Расчет выходного сигнала министиков с разным числом фотоприемников 71
2.3 Исследование влияния деформации упругодеформируемого
элемента 76 Стр.
2.4 Выводы по второй главе 78
ГЛАВА 3. Разработка структуры и алгоритмов функционирования оптических министиков, методов и алгоритмов исследования характеристик оптических министиков 80
3.1 Разработка структуры и алгоритмов работы оптического министика 80
3.1.1 Разработка структуры оптического министика 80
3.1.2 Разработка алгоритмов функционирования оптического министика
3.2 Разработка алгоритмов работы полиморфного переключателя 87
3.3 Разработка методов исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков 3.3.1 Метод исследования функции преобразования министика 93
3.3.2 Метод исследования эксплуатационного ресурса министика 97
3.4 Выводы по третьей главе 100
ГЛАВА 4. Техническая реализация и экспериментальные исследования оптических министиков и средств управления на их основе 101
4.1 Техническая реализация оптических министиков 101
4.2 Разработка оборудования для экспериментального исследования характеристик оптических министиков
4.2.1 Разработка оборудования для исследования функции преобразования оптических министиков 103
4.2.2 Разработка оборудования для исследования эксплуатационного ресурса оптических министиков 110 Стр.
4.3 Экспериментальное исследование характеристик оптических министиков 115
4.4 Проверка математической модели на адекватность 122
4.5 Исследование эксплуатационного ресурса оптических министиков 128
4.6 Применение оптических министиков в средствах управления техникой
4.6.1 Разработка полиджойстиков на основе оптических министиков 130
4.6.2 Разработка программного обеспечения полиджойстиков для использования в качестве устройства ввода вычислительной техники 132
4.7 Выводы по четвертой главе 134
Общие выводы и заключение 137
Список использованных источников
- Джойстики на основе магнитных чувствительных элементов
- Модель однокоординатного министика
- Разработка методов исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков
- Разработка оборудования для исследования эксплуатационного ресурса оптических министиков
Введение к работе
Актуальность темы. Современная робототехника и беспилотные транспортные средства чрезвычайно быстро совершенствуются и усложняются. Для управления ими уже недостаточно возможностей традиционных устройств ввода - тумблеров, переключателей, регуляторов и даже обычных джойстиков. Они обладают недостаточной функциональностью, содержат большое количество деталей, обладают избыточной материалоемкостью. Сенсорные экраны и панели (тачпады) усложняют управление вслепую и неприменимы в условиях перегрузок и вибраций.
Одним из подходов к решению проблемы управления является применение ми- нистиков (микроджойстиков). Министик представляет собой небольшой двухкоординатный джойстик, который управляется не кистью руки, а отдельным ее пальцем. Малый размер позволяет размещать несколько министиков на панели или ручке управления. Скорость и точность движения пальцев в 5-7 раз быстрее, чем кисти руки, это позволяет намного быстрее и точнее формировать управляющие воздействия.
Разработкой и выпуском министиков занимаются российские и зарубежные организации, среди них Austria Microsystems AG, Eaton Electric, Sony, ООО «МИР», ООО «Г идраПак» и др. Известные министики, построенные на резистивном принципе, эффекте Холла и т.д., обладают рядом недостатков, среди которых относительно высокая стоимость, конструктивная сложность, большое количество деталей и т. д. Существующие министики, обладая отдельными высокими показателями, в то же время имеют серьезные недостатки, затрудняющие их широкое использование: невысокий ресурс, низкое качество и нестабильность выходного сигнала, большие габариты и вес, сложность в производстве или высокую стоимость. В связи с этим актуальна разработка министиков на новых принципах работы, сочетающая в себе преимущества существующих устройств и свободная от их основных недостатков.
В РГАТУ им. П. А. Соловьева совместно с ООО «НПП «Тензосенсор» проводились исследования возможности создания министиков на основе упругодеформируемых полимерных элементов, которые сочетали бы высокую точность и чувствительность с высокой надежностью, технологичностью в массовом производстве и низкой стоимостью. Большой вклад в развитие данного направления внесли Э. И. Семенов, В. М. Комаров, В. С. Никитин, А. Н. Ломанов. В. С. Никитиным была предложена концепция оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента, отраженная в патентах РФ на изобретения № 2594992 и №2596576. В настоящей диссертации рассмотрены вопросы создания работоспособных и эффективных министиков, использующих данный принцип работы.
Объектом исследования являются цифровые оптические министики на основе упругодеформируемого полимерного элемента для систем управления и средств вычислительной техники.
Предметом исследования являются оптическая схема, конструкция и алгоритмы обработки данных министика, а также методы исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков.
Цель работы - создание оптических министиков, превосходящих существующие министики по основным эксплуатационным характеристикам, путем теоретиче-
ских и экспериментальных исследований различных конструктивных схем министи- ков, разработки конструкций и алгоритмов обработки данных министиков.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
-
Исследование принципа действия министика, разработка его математической модели и исследование его работы в зависимости от конструктивных параметров министика.
-
Разработка структуры и алгоритмов функционирования министиков и их техническая реализация.
-
Разработка методов, алгоритмов и параметров качества для исследования основных эксплуатационных характеристик министиков, техническая реализация методов с помощью специально разработанного оборудования.
-
Экспериментальное исследование характеристик оптических министиков, анализ полученных результатов и проверка модели на адекватность.
-
Внедрение оптических министиков в средства управления.
При выполнении работы использованы следующие методы исследования: математическое моделирование, численное интегрирование, регрессионный анализ, статистический анализ.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена корректно полученными данными теоретических расчетов и экспериментальных исследований оптических министиков, которые показали адекватность разработанной модели и работоспособность созданных министиков.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
разработана математическая модель двухкоординатного оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента;
-
предложен метод измерения функции преобразования министика - зависимости полезного сигнала министика от величины отклонения управляющей рукоятки министика;
-
предложен метод исследования эксплуатационного ресурса оптического ми- нистика путем циклического воздействия эксплуатационной нагрузкой;
-
предложены усовершенствованные схемы оптических министиков на основе упругодеформируемого полимерного элемента.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
-
разработана программа для моделирования оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента;
-
разработаны программно-аппаратные средства для исследования функции преобразования оптического министика;
-
разработаны программно-аппаратные средства для исследования эксплуатационного ресурса оптических министиков путем циклического воздействия эксплуатационной нагрузкой;
-
разработан оптический министик усовершенствованной конструкции на основе упругодеформируемого элемента;
-
разработаны полиджойстики на основе усовершенствованных оптических министиков, предназначенные для управления различной техникой.
Реализация результатов. Научные и практические результаты работы использованы в ООО «НПП «Тензосенсор», в Рыбинском государственном авиационном техническом университете им. П. А. Соловьева (г. Рыбинск), ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, ООО «Оптико-Электронные Системы». Оптические мини- стики в составе полиджойстиков используются в управлении вооружением новейшего боевого робототехнического комплекса «Вихрь», разработанном в 2016 году в АО «Научно-технический центр «Импульс-2» (г. Севастополь).
Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, были использованы при выполнении работ по программе Минобрнауки России (уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57914X0087).
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на IX Международной научно-практической конференции «Wschodnie Partnerstwo - 2015» (Przemysl, 2015 г.), на Первой Военно-научной конференции «Роботизация Вооруженных Сил Российской Федерации» (г. Кубинка Московской области, 2016 г.), на Третьем Всероссийском конкурсе научно-технических проектов «Инновационная радиоэлектроника», приуроченном к XV Отраслевой научно-технической конференции радиоэлектронной отрасли «Перспективные рынки - взгляд в будущее» (г. Саратов, 2016 г.), на научном семинаре кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва, 2017 г.). Оптические министики демонстрировались на выставках Startup Village 2015-2016 гг., Иннопром- 2016.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ общим объемом 1,5 печатных листа, из которых 6 статей в научных журналах перечня ВАК, 3 статьи в научных журналах, цитируемых Web of Science, 2 доклада в сборниках материалов конференций, поданы две заявки на патент РФ на изобретение.
На защиту выносятся:
-
математическая модель оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента, позволяющая определять конструктивные параметры министика путем моделирования его работы;
-
усовершенствованная схема оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента, обеспечивающая лучшие характеристики разработанных министиков по сравнению с существующими;
-
принципы построения и алгоритмы работы средств контроля эксплуатационных параметров оптических министиков на основе упругодеформируемого полимерного элемента, которые позволяют исследовать существующие и разрабатываемые министики и определять их применимость для управления объектами.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, приложений на 1 63 страницах, содержит 77 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников из 1 16 наименований.
Диссертация выполнена на кафедре вычислительных систем Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева совместно с ООО «Научно-производственное предприятие «Тензосенсор».
Джойстики на основе магнитных чувствительных элементов
В свою очередь, аналоговые джойстики могут содержать как аналоговые датчики, так и цифровые, оптические, магнитные и их комбинации.
Аналоговый джойстик с резистивным датчиком конструктивно содержит потенциометр (резистор) и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Преимущества таких джойстиков в том, что нет особых требований к механике. Основными недостатками являются требовательность к качеству питания и АЦП, а также то, что сам датчик при этом недостаточно долговечен.
Аналоговый джойстик с энкодером конструктивно содержит один или несколько энкодеров. Преимущества таких джойстиков в том, что задается очень четкий ход, датчик имеет высокий ресурс. Основным недостатком является то, что для обеспечения достаточного количества шагов дискретности нужен дорогой высокоточный энкодер или качественный редуктор (мультипликатор).
Аналоговый джойстик с оптическим датчиком конструктивно аналогичен оптической мыши и совмещает высокую точность с высокой надежностью. Его недостатком является сравнительно небольшой ход ручки.
Аналоговый джойстик с магнитным датчиком конструктивно может содержать один или несколько магниторезистивных датчиков либо датчиков, принцип действия которых основан на эффекте Холла или на принципе левитации. Несомненное преимущество таких джойстиков – их долговечность.
По количеству степеней свободы джойстики подразделяются на: - одномерные: ручка такого джойстика способна отклоняться по одной координате; - двухмерные: ручка такого джойстика отклоняется по двум координатам в плоскости X-Y; - трёхмерные: ручка такого джойстика отклоняется по двум координатам в плоскости X-Y и поворачивается вокруг своей оси.
По способу подключения джойстики классифицируются как подключаемые через специализированные порты, так и через порт USB. Современные джойстики, представляющие собой законченное устройство бытового или полупрофессионального назначения, оснащаются универсальным интерфейсом USB, посредством которого они могут быть подключены к ПК или приставке. Устаревшие джойстики могли подключаться через специализированный интерфейс или через игровой порт.
Джойстики профессионального назначения, предназначенные для встраивания в человеко-машинные интерфейсы управления, оснащаются специализированными интерфейсами передачи данных. Среди них наиболее популярны RS-485, CAN, TWI, SPI.
По размеру джойстики подразделяются на собственно джойстики или ручные джойстики, обхват управляющей ручки которых производится рукой, и пальчиковые джойстики, воздействие на управляющую ручку которых производится иногда несколькими, а чаще одним пальцем руки. Иные названия для пальчиковых джойстиков – миниджойстики, микроджойстики или министики.
Преимуществом аналоговых ручных джойстиков является большой ход ручки и, как следствие, высокая точность задания положения. Для дискретных джойстиков это неактуально.
Преимуществом микроджойстиков является скорость управления. Дело в том, что движения пальцами в 5-7 раз быстрее, чем движения кисти руки. Малые размеры микроджойстиков позволяют размещать несколько штук на одной ручке управления, что позволяет управлять объектами с большим количеством степеней свободы.
В общем случае, деление джойстиков по размеру достаточно условное. Исходя из определения, переход джойстиков из одной категории в другую определяется минимизированием габаритных размеров и монтажной глубины.
Иногда более малый по геометрии джойстик может являться составным элементом более большого джойстика. Например, игровой джойстик конструктивно содержит так называемую «хатку» (hat switch, сокращенно HAT) – миниджойстик, который позволяет компактно разместить от 4 до 8 кнопок. Миниджойстик «hat switch» используется для навигации по меню и управления обзором.
По области применения джойстики классифицируются на бытовые и промышленные.
В бытовой сфере джойстики нашли применение в ПК и игровых приставках, для управления различными радио- и электромоделями, в устройствах, так или иначе сопутствующих повседневной жизнедеятельности (телевизоры, мобильные телефоны и пр.). В медицинских целях джойстики используются на колясках с электроприводом для удобства перемещения людей с ограниченными возможностями.
В промышленной сфере в настоящее время джойстики используются практически повсеместно. Это различные автоматизированные системы управления (АСУ), станки с телеметрическими устройствами, крановое и погрузочное оборудование, пульты дистанционного управления (ПДУ) различного транспорта, станочное оборудование, медицинское оборудование и пр.
Немаловажное значение в системе «оператор – джойстик» играют эргономические показатели качества.
Основные эргономические требования, предъявляемые к разрабатываемым и изготавливаемым в настоящее время манипуляторам, используемым в различных областях науки и техники, отражены во многих руководящих документах, например в [1 – 15]. Анализ руководящих документов показывает, что эргономические показатели характеризуют систему «человек – изделие» (в частности «человек – джойстик») и учитывают, в общем случае, комплексное влияние на оператора гигиенических, антропометрических, физиологических и психофизиологических, а также психологических свойств, присущих различным производственным и бытовым процессам. Эргономические показатели, относящиеся к вышеуказанным группам, схематично показаны на Рисунке 1.2. Эргономический показатель качества изделия количественно характеризует одно или несколько эргономических свойств изделия, используемых для определения его соответствия эргономическим требованиям.
Модель однокоординатного министика
В схеме с 4 фотоприемниками они располагаются на равном удалении от центра под углом 90 градусом друг к другу, то есть непосредственно на координатных осях X и Y. В этом случае расчет производится по формулам x = ADC3-ADC1 (2.59) y = ADC4-ADC2 (2.60) Для реальных фотоприемников необходимо ввести коэффициенты, определяющие положение рукоятки. x = (ADC3-ADC30)-(ADC1-ADC10) (2.61) y = (ADC 4-ADC 40)-(ADC2-ADC20) (2.62) где ADC10, ADC20, ADC30, ADC40 - значения АЦП при нейтральном положении рукоятки министика. Расчет положения рукоятки министика с шестью фотоприёмниками Рисунок 2.15. Схема министика с шестью фотоприёмниками. На Рисунке 2.15 представлена схема министика с одним светоизлучателем и шестью фотоприёмниками. Как и в предыдущем решении, фотоприёмники находятся на одной окружности, в равном удалении друг от друга. В центре окружности расположен источник света. Если, как в предыдущем примере, представить значения АЦП, считанные с фотоприёмников, как длины векторов, начала которых расположены в точках расположения фотоприёмников, а направления совпадают с направлениями на источник света, а ось Y провести в направлении, противоположном вектору с длиной ADC1 (см. Рисунок 2.16), то для суммы полученных векторов J\{x\,y\), /2(х2,у2), /3(хЗ,уЗ), /4(х4,у4), /5(x5,y5), /6(x6,y6) можно записать: T\ + f2 + f3 + f4 + j5 + f6 = (x\ + x2 + x3 + x4 + x5 + x6, у\ + у2 + уЗ + у4 + у5 + уб) (2.63) Зная углы между векторами и их модули, запишем: jri = 0 x2 = -ADC2xsm(60) x3 = -ADC3xsm(60) х4 = 0 x5 = ADC5xsin(60) jc6 = ZX76xsin(60) y\ = -ADC\ y2 = -ADC2xsm(30) y3 = ADC3xsm(30) y4 = ADC4 y5= ADC5 xsin(30) y6 = -ADC6xsm(30) (2.64) Подставляя (8) в (7), получаем проекции результирующего вектора на оси X и Y: х = (ADC6 + ADC5-ADC3-ADC2) х sin(60) (2.65) у = ADC4-ADCI + (ADC3 -ADC2 + ADC5 -ADC6) х sin(30) (2.66) Для реальных фотоприемников требуется ввести коэффициенты, определяющие нейтральное положение рукоятки министика: x = ((ADC6 - ADC60) + (ADC5 - ADC50) -(ADC3-ADC30)-(ADC2-ADC20))xsm(60) y = (ADC4 - ADC40) - (ADC\ - ADC\ 0) + ((ADC3 - ADC30) - (2.68) -(ADC2 - ADC20) + (ADC5 - ADC50) - (ADC6 - ADC60)) x sin(30) где ADC 10, ADC20, ADC30, ADC40, ADC50, ADC60 - значения АЦП при нейтральном положении рукоятки министика.
В реальном министике рукоятка и светоотражающая поверхность немного деформируются. Для исследования влияния деформации было проведено моделирование упругодеформируемого элемента в системе SolidWorks. Пакет SolidWorks предоставляет возможность статического анализа деформации. Линейный статический анализ рассчитывает силы перемещений, напряжения, нагрузки и реакции при воздействии приложенных нагрузок. Статический анализ в SolidWorks основан на следующих допущениях: - статическом - нагрузки прикладываются медленно и постепенно, пока не достигнут своих полных величин, поэтому пренебрегают инерционными силами и силами демпфирования; - допущении линейности - взаимоотношения между нагрузками и вызванными реакциями предполагаются линейными. По всему объему модели упругодеформируемого элемента цифрового министика была разбита равномерная сетка (Рисунок 2.16) на основе кривизны, состоящая из 9137 элементов, c общим количеством узлов - 14843.
В качестве крепления модели УДЭ была выбрана зафиксированная геометрия – нижняя грань УДЭ, прилегающая к печатной плате цифрового министика, и конические поверхности бобышек УДЭ (Рисунок 2.17). Внешней нагрузкой стала сила, действующая на верхнюю часть управляющей ручки цифрового министика, которая обеспечивает ее отклонение от первоначального положения на величину номинального диапазона отклонения рукоятки – 5 мм.
Далее было произведено моделирование нажатия с отклонением рукоятки от 1 до 5 мм с шагом 1 мм. Полученная деформированная деталь была разрезана, после чего были произведены измерения угла наклона и местоположения центра светового пятна. Результаты моделирования представлены на Рисунке 2.18.
Результаты моделирования показали, что деформация накладки вносит экспоненциальные изменения: угол наклона светоотражающей поверхности министика и смещение пятна меньше, чем в случае с жесткой накладкой. ( ( )). (2.69) где: – расстояние между центрами излучателя и светового пятна, Кдеф – коэффициент деформации, hk – расстояние от излучателя до светоотражающей поверхности, Hp – длина рукоятки, L - величина отклонения рукоятки.
Результаты второй главы диссертации заключаются в следующем: - была разработана математическая модель оптического министика для двухмерного (однокоординатного), а затем для трехмерного (двухкоординатного) случая; - были определены выражения для расчета координат выходного сигнала для министиков с разным числом оптических элементов; - проведено моделирование деформации упругодеформируемой накладки министика. Далее необходимо произвести проверку модели министика на адекватность, для чего нужно будет произвести моделирование министиков различных схем и сопоставить результаты моделирования с экспериментальным исследованием министиков. Для экспериментального исследования необходимо разработать структуру и алгоритмы работы министика, произвести техническую реализацию министиков, а также разработать методы и средства определения характеристик министиков. Это будет сделано в следующих главах диссертации.
Разработка методов исследования эксплуатационных характеристик оптических министиков
Точность показаний представляет собой разброс значений полезного сигнала при заданной и неизменной величине отклонения рукоятки министика. Для оценки точности показаний применяется значение среднеквадратического отклонения измеренных показаний в точке с заданным отклонением рукоятки. Относительное значение вычисляется по формуле =СКО/ X , (3.9) где – относительное отклонение показаний министика по данной координате, СКО – среднеквадратическое отклонение показаний министика по данной координате, X – диапазон значений (амплитуда) функции преобразования по данной координате.
Нелинейность представляет собой отклонение кривой функции преобразования исследуемого министика от прямой линии. Для оценки нелинейности при помощи метода наименьших квадратов строится аппроксимирующая функция прямой линии вида X=kx+b. Далее нелинейность NL вычисляется по формуле NL =X–XРАСЧ/X, (3.10) где Х – фактическое значение показаний министика по данной координате в данной точке; ХРАСЧ – вычисленное при помощи аппроксимирующей функции; X – диапазон значений (амплитуда) функции преобразования министика по данной координате. Гистерезис представляет собой различие значений выходного сигнала при одинаковом значении отклонения рукоятки, но разных направлениях его изменения. Наличие гистерезиса связано со свойствами материала упругодеформируемого элемента. Гистерезис G показаний оценивается по формуле: G=XПР-XЛ/ X, (3.11) где XПР - значение показаний министика по данной координате в данной точке при перемещении рукоятки вправо; XЛ – при перемещении влево; X – диапазон значений (амплитуда) функции преобразования по данной координате.
Основным воздействием, которое испытывает министик во время работы, является нажатие на его рукоятку. Поэтому ресурс министика может быть определен количеством нажатий на рукоятку до отказа министика.
Отказом министика является разрушение его конструкции или значительное изменение функции преобразования министика, делающее невозможным дальнейшее использование министика для управления объектом.
Экспериментальное исследование ресурса министика может быть осуществлено имитацией эксплуатационной нагрузки путем многократного отклонения рукоятки министика нажатием на ее свободный конец в горизонтальном направлении. Основной сложностью исследования является длительность процесса исследования: ресурс министика может составлять несколько миллионов отклонений до его отказа. Для тестирования могут быть применены два подхода: - уменьшение числа отклонений; - ускорение процесса тестирования. Для уменьшения числа нажатий исследование проводят в более жестких условиях, чем реальные условия эксплуатации. Для министика это может быть повышенная температура, агрессивная внешняя среда, повышенный диапазон отклонения рукоятки. При данном подходе важно рассчитать степень ужесточения тестовых условий, чтобы обеспечить адекватность исследования, что является сложной задачей.
Более простым подходом является ускорение процесса тестирования. В этом случае для тестирования необходимо использовать оборудование, позволяющее с высокой скоростью оказывать воздействие на министик. Исследование эксплуатационных характеристик министиков планируется осуществлять путем их автономного тестирования циклической нагрузкой. Для проведения указанных исследований необходимо имитировать длительную работу (в течение нескольких десятков часов) министиков в предельных режимах.
Принцип тестирования заключается в многократном циклическом отклонении рукоятки министика от центрального положения в разных направлениях с одновременной регистрацией показаний министика.
Для тестирования был определен следующий алгоритм, представленный на Рисунке 3.13. В процессе исследований необходимо определить: - прочность конструкции министика и упругодеформируемого элемента; - зависимость показаний министика от количества нажатий. Прочность конструкции министика и упругодеформируемого элемента определяется визуальным осмотром министика после проведения испытаний. Министик не должен иметь повреждений конструкции: отрыва упругодеформирумого элемента от основания, разрывов упругодеформируемого элемента, отрыва рукоятки упругодеформируемого элемента от поверхности.
Зависимость показаний министика от количества нажатий может быть оценена через коэффициент изменения показаний Kи, который может быть рассчитан как среднеквадратическое отклонение показаний министика до испытаний и после испытаний в одной и той же точке с заданными параметрами отклонения рукоятки (величиной отклонения L и углом поворота ). (3.12) где Kи – коэффициент изменения показаний после ресурсных испытаний; X1 – значение показаний министика в заданной точке до проведения исследований эксплуатационного ресурса; X2 … Xn-1 – значения показаний министика в заданной точке во время исследований эксплуатационного ресурса (дополнительно); Xn – значение показаний министика в заданной точке после завершения исследований эксплуатационного ресурса; X – диапазон значений (амплитуда) функции преобразования министика.
Разработка оборудования для исследования эксплуатационного ресурса оптических министиков
Для исследования характеристик были определены следующие параметры эксперимента: - отклонение рукоятки: -5..+5 мм с шагом 0,5 мм; - направление отклонения: влево (+5..-5 мм), вправо (-5..+5 мм); - угол поворота основания: 0..180с шагом 22,5; - число замеров показаний в точке: 6. Всего было исследовано по 10 экспериментальных образцов министиков на основе светодиодов. Министиков с 4 низкопрофильными VCSEL-лазерами в связи с техническими возможностями было изготовлено 5 образцов. Для дальнейших исследований использовались усредненные показания министиков одинаковых типов.
Результаты исследования функции преобразования министиков различных оптических схем по оси X (угол поворота 0) представлены на Рисунке 4.13. Результаты исследования функции преобразования министиков различных оптических схем по оси Y (угол поворота 90) представлены на Рисунке 4.14. Для возможности сравнения графики функций наложены друг на друга.
Обработка показаний и оценка качества полезного сигнала министиков была произведена по формулам (3.7..3.11), определенным в главе 3. Для расчетов и аппроксимации использовался пакет MS Excel. Результаты расчетов приведены в Таблице 4.1.
В результате исследований было установлено, что основная причина нелинейности характеристики министика – закрывание крайних оптоэлектронных элементов упругодеформируемым элементом, а также изменение деформации УДЭ из-за высоких элементов. На основании этого в конструкцию министика были внесены доработки: - крайние оптоэлектронные элементы были развернуты радиально, вдоль направлений отклонения рукоятки министика; - микроконтроллер и иные элементы, не относящиеся к оптической системе министика, были убраны из оптической камеры.
Министик доработанной конструкции был подвергнут испытаниям на стенде со следующими параметрами: - отклонение рукоятки: -5..+5 мм с шагом 0,5 мм; - направление отклонения: влево (+5..-5 мм), вправо (-5..+5 мм); - угол поворота основания: 0..180с шагом 22,5; - число замеров показаний в точке: 6. Лучевая диаграмма министика представлена на Макс. разброс значений 0,5% Результаты эксперимента: - министик с общим приёмником и 4 радиально расположенными светодиодами обеспечивает высокую линейность характеристики во всем диапазоне отклонений рукоятки; - функция преобразования министика симметрична во всем диапазоне отклонений рукоятки. Конструкция исследованных министиков с усовершенствованной схемой проста, технологична, не требует дорогостоящих компонентов. Таким образом, конструкция министика с общим приёмником и 4 радиально расположенными светодиодами может быть признана удачной, а министики - могут быть использованы в человеко-машинных интерфейсах вычислительной техники и систем управления.
В главе 2 была разработана математическая модель оптического министика. Для подтверждения адекватности модели необходимо произвести ее проверку. Проверка модели на адекватность может производиться разными способами [103], самые распространенные из которых: - по средним значениям откликов модели и системы; - по дисперсиям отклонений откликов модели от среднего значения откликов системы; - по максимальному значению относительных отклонений откликов модели от откликов системы.
Для проверки адекватности модели будет использован третий способ. Для расчета относительных отклонений используется выражение: (4.1) где – экспериментальное значение в точке с заданным отклонением рукоятки министика; – рассчитанное по модели значение в точке с заданным отклонением рукоятки министика, пропорциональное амплитуде значений министика; – амплитуда значений министика. Так как измерительная схема министика обеспечивает линейное преобразование интегральной освещенности фотоприемника в число, то значения освещенности, полученные в главе 2, пропорциональны экспериментальным значениям с коэффициентом преобразования (4.2) где – амплитуда экспериментальных значений министика; 123 – амплитуда значений модели. Соответственно, рассчитанное по модели значение будет определяться выражением (4.3) где – рассчитанное по модели значение в точке с заданным отклонением рукоятки министика; Сравнение экспериментальных и расчетных значений для различных типов министиков приведено на Рисунках 4.16–4.23. Для удобства визуального сравнения графики наложены друг на друга.