Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор принципов построения и методов коррекции метрологических характеристик оптоэлектронных цифровых преобразователей угла 12
1.1 Общая классификация и сравнительный анализ принципов построения ОЦПУ 12
1.2 Принципы конструктивной интеграции кодовых элементов с волоконно-оптическим интерфейсом
1.2.1 ВОЦПУ на основе зеркально- отражательных систем считывания.. 13
1.2.2 ВОЦПУ на основе систем считывания, работающих в проходящем свете 18
1.3 Методы коррекции инструментальных погрешностей ВОЦПУ 22
1.3.1 Коррекция погрешностей, вызванных нестабильностью излучателя и внешними воздействиями на ВОЛС 22
1.3.2 Коррекция погрешности нелинейности аналоговых сигналов в ВОЦПУ методом функиональной фильтрации 25
1.3.3 Коррекция инструментальной погрешности методом вспомогательных измерений 28
1.3.4 Коррекция дополнительных погрешностей ВОЦПУ с использованием тестового метода измерений 31
1.3.5 Кодирующие и корректирующие устройства на основе узкопосных интерференционных светофильтров 33
1.4 Выводы по главе 1 39
2 Принципы построения и алгоритмы функционирования ВОЦПУ с упреждающей коррекцией показаний 41
2.1 Принципы построения и алгоритмы функционирования ВОЦПУ с коррекцией погрешности от неравномерности ввода излучения в ВОЛС 41
2.1.1 Общая постановка задачи исследований 41
2.1.2 Анализ погрешности от неравномерности ввода излучения в ВОЛС43
2.1.3 Конструкция и алгоритмы работы ВОЦПУ с коррекцией погрешности неравномерности ввода излучения 45
2.2 ВОЦПУ с упреждающей коррекцией порогов срабатывания компараторов 49
2.2.1 Принцип построения и алгоритм функционирования ВОЦПУ с упреждающей коррекцией порогов срабатывания компараторов 49
2.2.2 Определение номеров изменяющихся разрядов в коде Грэя при смещении чувствительного элемента 53
2.2.3 Определение значений управляющих кодов ПАП
2.3 Комбинированная коррекция инструментальных погрешностей ВОЦПУ и оценка структурно-динамических требований к ЭМ ВОЦПУ 61
2.4 Определение общего быстродействия алгоритма автокоррекции ВОЦПУ и требований к разрядности ПАП и АЦП
2.4.1 Определение общего быстродействия алгоритма автокоррекции ВОЦПУ 63
2.4.2 Определение требований к разрядности ПАП 65
2.5 Выводы по главе 2 67
3 Математическое моделирование ВОЦПУ с упреждающей коррекцией 68
3.1 Постановка задачи исследований 68
3.2 Анализ пространственного взаимодействия оптических шкал с использованием формализма ЛВПР
3.2.1 Преобразование Радона при анализе изображений 70
3.2.2 Получение функции модуляции излучения с использованием формализма ЛВПР 71
3.3 Получение функции модуляции излучения на основе формализма ЛВПР с учётом инструментальных погрешностей 78
3.3.1 Определение области СЭ 79
3.3.2 Определение области кодового элемента КЭ 81 3.3.3 Вычисление функции модуляции излучения с учётом комплекса
инструментальных погрешностей 84
3.4 Ортогональное дискретное представление оптических шкал для получения функции модуляции с использованием преобразования Радона 87
3.5 Программные инструменты синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ВОЦПУ с произвольной системой кодирования информации 90
3.6 Выводы по главе 3 93
4 Анализ метрологических характеристик, конструктивно- технологические, схемотехнические особенности и результаты экспериментальных исследований ВОЦПУ 95
4.1 Метод оценки достоверности выходного кода ВОЦПУ 95
4.1.1 Способ оценки достоверности преобразования ВОЦПУ с использованием их обобщенной математической модели 96
4.1.2 Анализ погрешности контроля достоверности ВОЦПУ 100
4.2 Аппаратные основы ВОЦПУ и база проведения натурного эксперимента 103
4.2.1 Описание конструкции оптико-механического модуля преобразователя углаПУФ-ВП-8 104
4.2.2 Реализация корректирующего электронного модуля ВОЦПУ 108
4.3 Экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и устройств 112
4.3.1 Экспериментальные исследования электронного модуля в составе преобразователя ПУФ-ВП-8 112
4.3.2 Применение разработанного КЭМ в составе двух- отсчётного ВОЦПУ 117
4.4 Экспериментальная проверка эффективности применения корректирующего блока в составе двухотсчетного преобразователя 129
4.5 Выводы по главе 4 133
Заключение и выводы по результатам работы 134
Список сокращений 136
Список использованной литературы 1
- Принципы конструктивной интеграции кодовых элементов с волоконно-оптическим интерфейсом
- Анализ погрешности от неравномерности ввода излучения в ВОЛС43
- Преобразование Радона при анализе изображений
- Экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и устройств
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Оптоэлектронные цифровые преобразователи угловых перемещений (ОЦПУ) широко используются в современных системах управления и контроля, что обусловлено такими их достоинствами, как высокая точность, быстродействие и технологичность. Однако при решении целого ряда прикладных задач, особенно в области аэрокосмической техники, наряду с указанными, выдвигаются требования высокой помехозащищенности и надежности при работе в условиях воздействия внешних факторов (электромагнитных помех, температуры, вибраций и др.) и минимальных массо-габаритных показателей. Здесь следует отметить, что микроминиатюризация радиоэлектронных компонентов уже не приводит к существенному выигрышу в массогабаритных показателях бортовой РЭА, так как основной вклад в этот показатель вносят масса и габариты традиционного электрического интерфейса (проводниковых каналов передачи). Поэтому потенциально в наибольшей степени всем указанным требованиям удовлетворяют ОЦПУ со встроенными волоконно-оптическими каналами связи (ВОЦПУ), погонная масса которых на порядок меньше их проводных аналогов. Однако практика разработки и конструирования таких преобразователей показывает, что для обеспечения заданной механической прочности и минимальных энергетических потерь в оптических линиях связи чувствительные элементы ВОЦПУ необходимо изготавливать из тонких металлических материалов толщиной 50-100 мкм. Такая конструкция обеспечивает приемлемый уровень энергетических потерь при передаче излучения из передающего волокна в приемное через рабочий зазор преобразователя. Однако изготовление таких кодовых дисков, например, методами фотолитографии, сопровождается значительными технологическими погрешностями (~10 мкм), что при диаметре кодового диска 50 мм приводит к погрешности воспроизведения уровней квантования порядка 14'. Это обстоятельство ограничивает информационную емкость на уровне 8-10 бит, что не соответствует современным требованиям к точности авиационных датчиков угла. Другой, не менее важной, проблемой при создании ВОЦПУ является неравномерность непосредственного ввода излучения от полупроводниковых излучателей в волоконно-оптические линии связи, которая может достигать 15-20%.Указанный фактор также заметно увеличивает суммарную погрешность преобразования.
Вопросы разработки методов автокоррекции цифровых измерительных преобразователей нашли отражение в трудах таких ученых, как В.И Бусурин, В.М Гречишников, Н.И. Гинятуллин, В.Г. Домрачев, Е.А. Зак, Г.И Леонович, Н.И.Лиманова, Н.Е. Конюхов, В.М. Шляндин, и др. Сведения о зарубежных разработках ВОЦПУ содержатся, в основном, в патентных источниках и обзорах зарубежной радиоэлектроники и отражают лишь общие принципы их построения, не затрагивая методы их научного обоснования. При этом следует выделить труды Д. Бейли, Э. Райта, Э.Удда, Дж. Фрайдена, Т. Окоси, П. Чео.
Однако имеющиеся наработки в области автокоррекции инструментальных погрешностей ВОЦПУ основаны на введении аппаратурной и временной избыточности, что значительно усложняет конструкцию, снижает быстродействие и надежность изделий. В связи с этим представляет научный и практический интерес разработка новой методики коррекции показаний ВОЦПУ, основанных на использовании упреждающих корректирующих воздействий на электронную схему
обработки сигналов, заблаговременно формируемых с учетом текущего значения выходного кода и обеспечивающих требуемые показатели точности быстродействия и достоверности получаемой информации. Реализация указанной методики позволяет не только повысить точность ВОЦПУ в одноотсчётном исполнении, но и значительно расширить возможности создания высокоточных двух - и более отсчетных преобразователей за счет снижения требований к допустимой ошибке рассогласования отсчетов.
На основании изложенного тема диссертационной работы, посвященная теоретическому и экспериментальному обоснованию и внедрению ВОЦПУ с упреждающей коррекцией выходного кода представляется актуальной, имеющей важное значение для науки и практики.
Область исследований - волоконно-оптические цифровые преобразователи угловых перемещений с абсолютным отсчетом.
Объект исследований - методы и технические средства упреждающей коррекции инструментальной погрешности ВОЦПУ.
Цель работы - разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование методики упреждающей коррекции инструментальных погрешностей ВОЦПУ, обеспечивающих существенное повышение точности и достоверности выходного кода.
Для достижения поставленной цели работе было необходимо решить следующие задачи:
провести классификацию и сравнительный анализ принципов построения и методов коррекции метрологических характеристик ВОЦПУ;
разработать принципы реализации упреждающей коррекции инструментальных погрешностей;
провести обзор и сравнительный анализ методов математического моделирования ВОЦПУ;
разработать методику получения функции модуляции излучения в ВОЦПУ с использованием формализма локального веерного преобразования Радона (ЛВПР);
разработать унифицированные алгоритмы и компьютерные программы для моделирования функции преобразования ВОЦПУ и оценки их метрологических характеристик;
разработать методику оценки достоверности преобразования по обобщенной математической модели ВОЦПУ и определить необходимое соотношение между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователей, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования;
разработать корректирующий электронный модуль на основе микроконтроллера и провести экспериментальные исследования эффективности предложенных методов упреждающей автокоррекции на реальных образцах ВОЦПУ.
Научной новизной обладают следующие результаты диссертации:
- методика повышения точности волоконно-оптических цифровых преобразователей
угла, основанная на упреждающей программно - аппаратной корректировке амплитуд
и/или порогов компарирования сигналов фотоусилителей с учетом текущего значения
выходного натурального двоичного кода N, номеров изменяющихся разрядов в кодовых
комбинациях j\r ± 1 кода Грея и направления возможного вращения вала из текущего
положения в сторону увеличения или уменьшения показаний;
методика получения функции модуляции излучения в ОЦПУ с использованием формализма ЛВПР;
разработанные алгоритмы и компьютерные программы синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ОЦПУ с произвольной системой кодирования информации;
методика определения необходимого соотношения между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователя, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования.
Методы исследований
При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, Булевой алгебры, элементы теории геометрической оптики, элементы теории обработки изображений, теории погрешностей.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждена результатами численного моделирования и экспериментальных исследований макетных образцов ВОЦПУ, созданных с использованием разработанных методов и технических средств упреждающей коррекции.
Реализация результатов работы
Разработанные в диссертационной работе методика получения математической модели пространственного взаимодействия плоских геометрических объектов на основе формализма ЛВПР и соответствующие программные модули внедрены:
ОАО «УКБП» в разработку кодовых преобразователей с маской кода Грэя для указателей высоты ВМЦ-10, скорости УСВИЦ-250 и УСВИЦ-350, а также кодовых преобразователей для датчиков аэродинамических углов перспективных летательных аппаратов;
в учебный процесс СГАУ по дисциплинам «Схемотехника волоконно-оптических устройств», «Метрология и радиоизмерения», а также при выполнении дипломного проектирования по специальности «Радиотехника».
Указанные материалы включены в электронное учебное пособие «Метрологическое обеспечение разработки и испытания преобразователей информации» для аспирантов, проходящих подготовку по специальности 05.13.05 -«Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления».
Практическая значимость результатов диссертации
Разработанные методики и технические средства коррекции позволяют на порядок снизить инструментальную погрешность ВОЦПУ, а при создании двух и более отсчетных преобразователей - снизить требования к допустимой погрешности рассогласования отсчетов.
Разработанные программные средства могут быть использованы на начальных этапах проектирования новых изделий для получения прогнозных оценок технических возможностей волоконно-оптических энкодеров с произвольной топологией кодовых шкал и чувствительных элементов, а также в реальном производстве для контроля точности оптических шкал.
На защиту выносятся :
- методика и программно-алгоритмические средства упреждающей коррекции
выходного кода ВОЦПУ;
методика получения функции модуляции излучения в ВОЦПУ с использованием формализма ЛВПР;
алгоритмы и компьютерные программы синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ВОЦПУ с произвольной системой кодирования информации;
методика оценки достоверности преобразования по обобщенной математической модели ВОЦПУ и определения необходимого соотношения между количеством разрядов образцового и поверяемого преобразователя, исходя из заданной погрешности определения достоверности преобразования;
результаты теоретического и экспериментального анализа эффективности упреждающей коррекции метрологических характеристик ВОЦПУ.
Апробация материалов диссертации проводилась на следующих научно-технических конференциях:
16-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференция студентов и аспирантов: Микроэлектроника и информатика - 2009, Москва, 2009 г.;
Всероссийской научно - технической конференции «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций, Самара, 2010 г.;
международной конференции с элементами научной школы «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010)», Самара, 2010 г.;
- международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и
управления в технических системах», Пенза, 2011 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 13 научных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 работы опубликованы в издании, входящим в международную базу цитирования «Scopus».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и перечня используемых источников. Работа изложена на 149 стр. машинописного текста, включающего 71 рисунок, 4 таблицы.
Принципы конструктивной интеграции кодовых элементов с волоконно-оптическим интерфейсом
Результирующая погрешность ВОЦПУ в значительной степени определяется нестабильностью элементов аналоговой части. К ним относятся: источник излучения (ИИ), ВОЛС, фотоприемник и нормирующий усилитель. Согласно общей концепции построения ВОЦПУ, все электронные компоненты располагаются в едином электронном блоке, что позволяет обеспечить для них сравнительно комфортные условия эксплуатации: температура 20 +10С, практически полное отсутствие радиации и механических воздействий. Это позволяет с помощью известных схемотехнических и конструктивно -технологических приемов практически исключить влияние нестабильности электронных компонентов на метрологические характеристики ВОЦПУ. Поэтому основным источником дополнительных погрешностей является временная и температурная деградация излучателя и внешние факторы, воздействующие на ВОЛС, среди которых наиболее существенными является температура, радиация, вибронагрузки, изгибы, временное старение, влажность и ряд других. Все перечисленные факторы приводят к уменьшению коэффициента передачи ВОЛС и увеличению инструментальной погрешности ВОЦПУ.
Одним из наиболее эффективных приемов уменьшения указанной погрешности является автостабилизация амплитудных значений электрических сигналов на входах разрядных компараторов [25].
Она содержит регулирующий элемент РЭ, включенный параллельно или последовательно в цепь источника излучения ИИ (например, лазерного диода со встроенным световодом), который через разъемный оптический соединитель РОСІ связан с центральным световодом (и+7)-лучевого F-ответвителя (где п — число точек считывания информации). Выходные сигналы Y - ответвителя подводятся к рабочим РОСр (1.. п). Световоды ответных частей РОСр (1..п) подключены через РОСк (1..п) и фотоприемники ФШ ... ФПп к преобразователям ток - напряжение ПТН1 ... ПТНп. Дополнительный, (и+7)-й, волоконно-оптический канал подключен к корректирующему фотоприемнику ФИп+1 и соответсующему ПТНп+1. Дополнительный канал находится в одинаковых условиях эксплуатации с информационными каналами ВОЛС и поэтому в равной с ними степени воспринимает все внешние эксплуатационные факторы, в том числе и изменение мощности источника излучения. Особенность этого канала состоит в том, что оптическая связь между излучающим и приемным световодом не нарушается в процессе вращения кодового элемента (КЭ), и поэтому сигнал на выходе ПТН п+1 всегда соответствует амплитудному значению сигналов, формируемых в информационных каналах. Выход ПТН п+1 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя. На его второй вход подается опорное напряжение иОП, величина которого равно номинальному значению Амплитуды информационных сигналов в нормальных условиях эксплуатации. При воздействии внешних факторов (температуры, радиации, вибраций, изгибов и др.) на ВОЛС, одновременно с информационными, изменяется сигнал на выходе ПТНп+1. Разностный сигнал AU = Ueblx-Uon усиливается и воздействует на РЭ таким образом, что излучатель увеличивает мощность излучения и возвращает ивых к номинальному значению. При этом
Uem = 0. Поскольку коэффициент передачи излучения по каждому каналу Y-ответвителя не зависит от мощности входного сигнала, то автоматически восстанавливается номинальное выходное напряжение и на выходах всех информационных каналов.
На рисунке 1.7 а,б представлены примеры реализации канала автостабилизации напряжения с последовательным и параллельным включением регулирующего элемента, в качестве которого применен транзисторный ключ.
Согласно данным [21,23,25,32,34] погрешность регулирования не превышает 0,45 %. Таким образом, рассмотренные схемы автостабилизации позволяют с высокой точностью поддерживать амплитудные значения напряжения во всех информационных каналах ВОЛС. Поскольку контур отрицательной обратной связи охватывает также излучатель, фотоприемники и фотоусилитель, то это позволяет отстроиться от температурных и временных флуктуации параметров этих элементов.
Однако, при использовании светоизлучающих диодов (СИД), даже 50 %-го запаса по мощности излучения может не хватить для отработки комплексного воздействия дестабилизирующих факторов. Поэтому в данной схеме лучше использовать лазерные диоды с номинальной мощностью 50 ... 100 мВт, а в начальной точке (точке покоя) обеспечивать мощность излучения на уровне « 10 % от номинальной, что позволяет компенсировать 10-ти кратное уменьшение мощности на выходе ВОЛС.
Коррекция погрешности нелинейности аналоговых сигналов в ВОЦПУ методом функциональной фильтрации
Существенное ограничение по допустимой разрешающей способности интерполяционных каналов ВОЦПУ вносят искажения сигналов, связанные с влиянием инструментальных ошибок. Для повышения линейности и разрешающей способности сигнала можно воспользоваться методом функциональной фильтрации 3-фазной системы искаженных сигналов треугольной формы, формируемых с помощью трех идентичных по структуре волоконно-оптических каналов (рисунок 1.8 а) [25,78].
Анализ погрешности от неравномерности ввода излучения в ВОЛС43
Для реализации адаптивной коррекции в составе преобразователя используется аналоговый коммутатор (АК), управляемый в соответствии с программой, записанной в памяти микроконтроллера (МК). Алгоритм работы МК включает два режима: 1 - режим упреждающей настройки и 2- режим преобразования. Выбор режима осуществляется переключателем режимов (ПР) -положение «1» или «2» соответственно.
В первом режиме осуществляется контроль работоспособности устройства и самонастройка его каналов преобразования по каждому разряду. Для этого вал ВОЦПУ устанавливается в положение 0, что соответствует гарантированной засветке приёмных световодов на всех кодовых дорожках.
Далее, в соответствии с программой, записанной в МК (алгоритм программы приведён на рисунке 2.4а), управляющий код Nmn на входе цифро-аналогового преобразователя (ПАП) обнуляется, а ко входу АЦП подключается выход с БФУ первого канала (рисунок 2.3). После этого МК начинает постепенное увеличение управляющего кода на ПАП. Пропорционально выходному сигналу ЦАП с помощью блока регулировки тока накачки (БРТН) СИД увеличивает мощность оптического излучения (простейшие варианты построения БРТН приведены в [23]). В результате увеличивается мощность оптического излучения, вводимого в нулевой (первый) канал, а следовательно, и уровень напряжения на выходе фотоусилителя соответствующего канала. АЦП преобразует это напряжение в код, который сравнивается с кодом номинальной амплитуды NHOM, хранящимся в памяти данных МК. Код NHOM заносится в контроллер при программировании. Как только значение кода, хранящегося в МК, и выходного кода АЦП становятся равными между собой, т.е. NJ[WI=NHOM значение управляющего кода ЦАП Nwn заносится в оперативную память (ОЗУ) МК. После этого ко входу АЦП по очереди подключаются последующие выходы БФУ, для которых вышеописанный процесс повторяется. В результате для каждого канала ВОЦПУ определяются значения управляющих кодов NjI]/m на входе ЦАП, при которых амплитуды сигналов разрядных фотоусилителей равны номинальному значению. Во втором режиме преобразователь работает циклами, реализуя алгоритм развёртывающего преобразования для каждого значения измеряемого угла. В течении каждого цикла происходит последовательное во времени определение значений разрядных цифр выходного кода (алгоритм программы изображён на рисунке 2.46).
В этом случае управляющие коды, хранящиеся в ОЗУ МК, поочередно выдаются на вход ЦАП, выходной сигнал которого задает мощность излучателя, соответствующую формированию сигнала номинальной амплитуды в данном разряде.
Одновременно с этим АЦП оцифровывает напряжения с выходов соответствующих фотоусилителей. Полученные таким образом коды сигналов Nj АЦП сравниваются с кодом порога сравнения ЛГ шу, хранящимся в памяти данных МК и в соответствии с выражением: - пРи NJAm NJmy а1 = (2 Ю) [1,при NJAm Njmy формируются значения разрядных цифр а} кода Грэя. Значения разрядных цифр, определённых в цикле опроса всех сигналов сигналов с БФУ всех разрядов «собираются» в общий цифровой инверсный код Грэя, преобразуемый с помощью МК в двоичный позиционный код измеряемого ВОЦПУ угла. После выдачи кода начинается новый измерительный цикл.
Принцип построения и алгоритм функционирования ВОЦПУ с упреждающей коррекцией порогов срабатывания компараторов
Другой вариант коррекции погрешности, возникающей вследствие инструментальных погрешностей изготовления и сборки оптико-механического блока основан на упреждающей коррекции порогов срабатывания компараторов [89].
ОММ такого ВОЦПУ аналогичен по конструкции преобразователю, описанному в разделе 2.1.3. Он также вырабатывает оптический сигнал в двоичном инверсном коде Грэя. Структурная схема ВОЦПУ с упреждающей коррекцией второго типа приведена на рисунке 2.5. В дополнение к ОММ ВОЦПУ, изображённому на рисунке 2.3, в ОММ данного преобразователя дополнительно присутствует блок и коммутации сигналов и компарирования (БККС), состоящий из п компараторов и 2-х аналоговых коммутаторов.
Структурная схема ВОЦПУ с коррекцией на основе упреждающей подстройки порогов срабатывания компараторов
Исходной информацией для данного алгоритма автокоррекции является массив погрешностей смены выходного кода AN[i], получаемых на поверочной установке и занесённых в виде цифровых кодов в память МК ЭМ [89]. В этом случае эталонный и поверяемый ВОЦПУ устанавливаются на оптической делительной головке (ОДГ) со сквозным валом (см. рисунок 2.6).
Выходные сигналы обоих ВОЦПУ подключаются к персональному компьютеру (ПК) или непосредственно к МК. Разрядность эталонного преобразователя п2 больше разрядности настраиваемого преобразователя пх на заданную величину An = n2-nl. Пусть N0 и N2 - выходные коды настраиваемого и эталонного преобразователей. Приведённый к разрядности эталонного преобразователя код Л получается из выходного кода настраиваемого преобразователя N0 путём дополнения «недостающих» Ал разрядов нулевыми битами справа (рисунок 2.7 ). Тогда абсолютная погрешность настраиваемого преобразователя:
Формирование абсолютной погрешности при поверке При этом в качестве кода адреса при записи значений погрешностей в МК используется код номера уровня квантования / (/ = 0,2"1 -1), получаемый преобразованием из выходного инверсного кода Грэя. Сущность упреждающей коррекции заключается в заблаговременной подстройке порогов срабатывания двух компараторов, формирующих комбинации « G -1» или « G +1» в инверсном коде Грэя, соответствующих числам «N-1» или «TV + l» выходного кода ВОЦПУ, при движении чувствительного элемента (кодового диска) из произвольного положения в сторону уменьшения или увеличения выходного кода N. Соответственно в процессе вращения чувствительного элемента происходит сдвиг координат смены выходного кода таким образом, что разность между идеальной координатой смены выходного кода и реальной сводится к нулю (минимуму) [89].
При вращении вала ОДГ фиксируются моменты совпадения кода поверяемого преобразователя со старшими разрядами образцового ВОЦПУ. При этом код, сформированный в An младших разрядах эталонного преобразователя, представляет собой цифровой эквивалент инструментальной погрешности в данной точке смены выходного кода, измеренный в квантах младшего разряда эталонного ЦПУ. Коды погрешностей, как уже отмечалось, фиксируются в памяти МК, причем в качестве адресного сигнала (индекса в массиве поправок) используется текущее значение выходного кода поверяемого (настраиваемого) преобразователя.
По полученным значениям кодов AN рассчитываются значения напряжений поправок, которые алгебраически суммируются с порогами срабатывания соответствующих компараторов кода Грэя, что и позволяет скомпенсировать инструментальные погрешности при реверсивном вращении измерительного вала ВОЦПУ. Поскольку две соседние комбинации в коде Грэя отличаются только в одном разряде, то для реализации упреждающей коррекции всякий раз необходимо знать номера только двух разрядов кода Грэя, один из которых изменяется при движении чувствительного элемента из текущего положения сторону увеличения, а другой - сторону уменьшения показаний. Таким образом, при появлении на выходе ВОЦПУ произвольного кода необходимо корректировать пороги только 2-х из Щ компараторов, что существенно упрощает схемотехническую и программную реализацию данного метода. Схемотехническая реализация устройства предполагает использование двух ЦАП, которые могут быть либо встроенными в МК (рисунок 2.5), либо внешними. Рассчитанные значения поправочных напряжений формируются на выходах ЦАПІ и ЦАП2 путем подачи на них управляющих кодов, значения которых получены с учетом текущего значения выходного кода, кодов погрешностей, крутизны сигналов в зоне компарирования, а также информационной ёмкости эталонного и поверяемого преобразователей. Подключение корректирующих напряжений ко входам компараторов осуществляется одним из двух аналоговых ключей АК1 или АК2 в зависимости от направления вращения вала, при этом в качестве управляющих кодов можно использовать двоичные коды номеров корректируемых разрядов. Блок схема алгоритма коррекции представлена на рисунке 2.8.
Преобразование Радона при анализе изображений
Для выпуклого многоугольника, матрица знаковых функций одинакова для всех точек, находящихся внутри СЭ,. Для точек, лежащих вне области СЭ,, получаемая матрица знаковых функций не совпадает с базовой хотя бы в одной позиции. Рассуждения, приведённые для секториального СЭ, будут справедливы и для КЭ.
В выше приведённых рассуждениях, мы подразумевали равномерное распределение излучения при вводе его в СЭ и следовательно некую нормированную яркость на монохромном изображении. В том случае, когда неравномерностью распределения излучения по площади СЭ пренебречь нельзя, выражение (3.7) можно с некоторым весовым коэффициентом, определяющим яркость каждого конкретного элементарного изображения - пикселя.
Ортогональное дискретное представление оптических шкал для получения функции модуляции с использованием преобразования Радона
В разделе 3.3 описан метод для получения функции модуляции излучения в ВОЦПУ с учётом комплекса инструментальных погрешностей, характерных для реальных эксплуатируемых ВОЦПУ. Согласно формуле (3.47) подсчёт осуществляется в дискретной радиальной сетке (дискретной полярной системе координат).
Устройства получения и оцифровки изображений (ПЗС-матрицы, сканеры) как правило, дают в качестве выходных значений прямоугольный массив, где каждый элемент имеет конечные размеры (AJC0, Ау0) и количество элементов на единицу реальной площади, определяющие площадь элементарного прямоугольника Sonp [72,88]. Фигура Q0 с площадью о имеет форму сектора кольца, ограниченного окружностями с радиусами (см. рисунок 3.9).: прямоугольной сеткой выразим площадь «радиального пикселя» 0 через Sonp -площадь прямоугольного «обычного» пикселя [88]. Площадь фигуры Q0:
Выражение (3.54) позволяет вычислять функцию модуляции, анализируя оцифрованные (смоделированные) изображения КЭ и СЭ, полученные с выхода сканеров или ПЗС матриц при моделировании характеристик реального ВОЦПУ, а также предварительной отбраковке КД.
Программные инструменты синтеза изображений кодовых элементов, моделирования функции преобразования и оценки метрологических характеристик абсолютных ВОЦПУ с произвольной системой кодирования информации
Для проверки приведённых в разделах 2 и настоящем разделе алгоритмов и методов в процессе написания настоящей работы были созданы и использованы макеты следующих программных инструментов: «DigitOpticalSensor» позволяет моделировать зависимость параметров выходного цифрового кода ВОЦПУ (достоверности, математического ожидания, дисперсии) и самого кода от наличия различных инструментальных погрешностей ОММ, и некоторых параметров ЭМ, в частности позволяет:
«DigitOpticalSensor» также позволяет моделировать алгоритмы коррекции [82,89,91], описанные в разделе 2. (с. 45,53,57 настоящей работы) Алгоритмы модуляции излучения КД (расчёт функции модуляции) [83,88,89] запрограммированы в соответствии с методиками, полученными в разделе 3. Экранные формы, иллюстрирующие некоторые из описанных возможностей данного инструментария показаны на рисунках 3.11 -3.13.
DigitOptical Sensor: графики выходных кодов поверяющего и настраиваемого преобразователей процессе моделирования
«CodeMaskAnyMapEditor» был создан в дополнение к DigitOptical Sensor для создания различных масок КД ВОЦПУ. Отметим, что данный программный инструмент позволяет создавать не только классические разметки КД (двоичного кода, кода Грэя (рисунок 3.14 а,б) и их инверсий) и изображения КД на их основе, но и произвольные маски двоичного кода КД под произвольную систему считывания. На рисунке 3.15 а, показано окно «CodeMaskAnyMapEditor» с маской КД произвольной топологии, а на 3.15 6 окно «DigitOpticalSensor» с загруженной синтезированной произвольной маской.
1 На основании проведенного сравнительного анализа существующих методов математического моделирования модуляции излучения в ВОЦПУ показано, что они не обеспечивают необходимой адекватности между объектом и моделью и не обеспечивают необходимой достоверности оценок технических возможностей исследуемых преобразователей.
2 В результате проведенных исследований впервые показана принципиальная возможность применения формализма локального веерного преобразования Радона на отрезке луча, ранее применявшегося только в теории обработки изображений, для получения функции модуляции излучения при взаимном перемещении оптических шкал различной конфигурации.
3 Разработана методика математического описания областей считывающих и кодовых элементов с учетом комплекса инструментальных погрешностей изготовления ВОЦПУ.
4 Впервые разработана методика получения функции модуляции излучения при взаимодействии кодовых и считывающих элементов с использованием дискретного ЛВПР с учетом инструментальных погрешностей изготовления ВОЦПУ.
5 Получено выражение, позволяющее представить площадь «радиального пикселя» через площадь «обычного» прямоугольного пикселя при моделировании ВОЦПУ на ЭВМ.
6 Формализм ЛВПР в совокупности с формулой, выражающей площадь «радиального пикселя» через площадь «обычного» прямоугольного пикселя имеет важное прикладное значение, так как позволяет работать не только со синтезированными изображениями, но и с изображениями реальных КЭ и СЭ, полученными (оцифрованными) с выходов сканеров или ПЗС матриц для оценки характеристик и предварительной отбраковке КД.
7 Предложенные методы могут быть распространены на широкий класс оптических кодирующих устройств. Их практическое применение возможно при математическом моделировании и оценке технических возможностей вновь создаваемых конструкций оптоэлектронных преобразователей информации различного назначения, в том числе при влиянии внешних эксплуатационных факторов.
8 Дальнейшее развитие работ в области математического моделирования модуляции излучения в ВОЦПУ связано с учетом в разработанных моделях неоднородности и нестационарности излучения, вызванное влиянием дифракционных эффектов и внешних эксплуатационных факторов. Однако рассмотрение этих вопросов выходит за рамки настоящей диссертационной работы.
Экспериментальная проверка разработанных алгоритмов и устройств
Сигналы ей/ формируются с помощью специальных отверстий в СД, фотоусилителей ФУ1 и ФУ2 и компараторов Кх я К2. В зонах У сигнал с = 1, а моменты переключения сигнала Ъ лежат вне зон переключения сигнала h. В этом случае коды ГО и ТО выдаются согласованно. При этом в зонах Д ,Д2 (сигнал с=0) возможны четыре основных варианта рассогласования ГО и ТО: моменты перехода младшего разряда ГО (сигнал \ ) из «О» в «1» и из «1» в «О» отстают от моментов перехода старшего разряда ТО из «1» в «О» (сигнал Ь); моменты перехода сигнала h2 из «О» в «1» и из «1»в «О» опережают моменты перехода из «1»в«0»; моменты перехода сигнала h3 из «О» в «1» отстают от моментов перехода сигнала b из «1» в «О», а переходы из «1» в «О» опережают моменты перехода сигнала b из «1» в «О» ; моменты перехода сигнала h4 из «О» в «1» опережают моменты перехода сигнала b из «1» в «О», а переходы из «1» в «О» отстают от моментов перехода сигнала b из «1» в «О» . Все остальные комбинации несогласованностей являются частными случаями отмеченных вариантов. При постоянном отставании моментов перехода старшего разряда ТО, в зонах Д и Д должен формироваться управляющий сигнал ух, обеспечивающий прибавление недостающей единицы в разрядную 126 сетку ГО. Этот сигнал формируется из вспомогательных сигналов b, g , g, hj и k\ по алгоритму: в зоне Д: yl =bgh а в зоне р2\ ух = bgi. Таким образом, общий управляющий сигнал у і, который обеспечивает при сигналах с=0 и у2=0 прибавление недостающей единицы к коду ГО, определяется логическими уравнениями: ryx=bghx+bghx,
Сигнал управления у2 при этом не формируется и равен «О». При полном опережении моментов перехода младшего разряда ГО из «О» в «1» и из «1» в «О» относительно моментов перехода старшего разряда ТО из «1» в «О» должен происходить процесс вычитания «лишней» единицы из кода ГО. Этим процессом управляет сигнал у2, который формируется по алгоритму: в зоне Д : у2= bgh2, а в зоне Д2 : у2 = bgh2.
Общий управляющий сигнал у2 определяется выражением: y2=bgh2+bgh2; Сигнал управления ух при этом не формируется и равен «О». Кроме того, во всех случаях должно выполняться условие:
Если в момент перехода сигнала А3 из «О» в «1» отстает от момента перехода сигнала Ъ из «1» в «О», а момент перехода сигнала Иъ из «1» в «О» опережает моменты перехода сигнала Ъ из «1» в «О», то должны формироваться управляющие сигналы ух и у2, обеспечивающие в зоне Д - вычитание единицы, а в зоне Д2 - суммирование единицы с кодом ГО. Таким образом, при сигнале управления с = О в зоне Д должен формироваться сигнал у2 = bgh3, а в зоне Д - сигнал ух = bgh3. При этом общее выражение для управляющих сигналов принимает вид:
Если момент перехода h4 из «О» в «1» происходит раньше перехода сигнала Ъ из «1» в «О», а момент перехода сигнала h4 из «1» в «О» отстает от момента перехода сигнал Ъ из «1» в «О» должен формироваться управляющий сигнал, обеспечивающий в зоне Д прибавление единицы к коду ГО, а в зоне Д вычитание единицы из кода ГО. При сигнале управления с = 0 в зоне Д формируется сигнал ух = bgh4, который обеспечивает прибавление единицы к коду ГО, а в зоне Д формируется сигнал у2 = bgh, обеспечивающий вычитание единицы из кода ГО. Общее выражение управляющего сигнала в этом случае принимает вид:
Сигналы у1=\ и у2 = 1 существуют только при наличии рассогласования между ТО и ГО, а при любых других сочетаниях сигналов h,h,b,b и g,g сигналы уг=0 и у2 = 0. После проведения согласования сигналы ух и у2 также становятся равными 0 и на выходе преобразователя формируется согласованный код.
Анализ выражений (4.26) и (4.27) показывает, что они являются частными случаями выражений (4.24) - (4.25), которые описывают все возможные случаи согласования отсчетов. С учетом вышеизложенного выражение для формирования согласованного кода 2-х отсчётного ВОЦПУ предстанет в виде:
Достоинствами рассмотренного преобразователя по сравнению с ПУФ-ВП-8 являются более высокий коэффициент информационной загрузки волоконно-оптического канала передачи данных и более высокая суммарная разрядность, а следовательно точность измерения угловых перемещений.
Однако экспериментальный макетный образец на основе ПУФ-ВП-13 показал, что на практике стабильная работа ТО достигается при отбрасывании 2-х младших битов ТО. Таким образом, реальная разрядность такого ВОЦПУ составляет 14 бит и коэффициент загрузки кзв =1,4 бит/световод.
Экспериментальная проверка эффективности применения корректирующего блока в составе двухотсчетного преобразователя
В следуемом образце ПУФ-ВП-13 был использован бракованный кодовый диск, погрешность изготовления которого заведомо превышала допустимую погрешность рассогласования отсчетов, равную 1/4 периода старшего разряда точного отсчета. Это обстоятельство привело к несогласованной выдачи кодов грубого и точного отсчетов, а следовательно к неработоспособности преобразователя в целом. Основной целью эксперимента являлось обеспечение штатного функционирования преобразователя за счёт коррекции погрешности изготовления кодового диска канала грубого отсчета.
Как видно из рисунков 4.22 - 4.24, исследуемый ПУФ-ВП-13 содержит оптико-механический модуль (ОММ), оптический кабель и плату электронного модуля. Выходы приемных световодов оптического кабеля разведены по соответствующим фотоприемникам, расположенным внутри отверстий многоканального оптического соединителя как показано на рисунке 4.24,6. Входы 8-канального АЦП корректирующего блока подключены проводниками через входной разъем XI (см. рисунок 4.18) к выходам фотоусилителей каналов грубого (ГО) и точного (ТО) отсчетов. Сигналы точного отсчета оцифровываются в АЦП и преобразуются в код точного отсчета в соответствии с (4.1) и (4.2). Выходные сигналы фотоусилителей ГО после реализации алгоритма коррекции преобразуются в код ГО.
Проведенные экспериментальные исследования на установке, описанной в разделе 4.3.1 показали, что до коррекции инструментальная погрешность ГО превышала 1/4 кванта старшего разряда ТО, равную 0,703125, и составляла 1,266..1,31. В результате выполнения алгоритма коррекции кода ГО удалось снизить инструментальную погрешность до 0,0089 (составляет 1,3 процента от 1/4 кванта старшего разряда ТО), что привело к штатному функционированию схемы согласования отсчетов и формированию истинной последовательности значений выходного кода, чего не наблюдалось до подключения КЭМ. Результаты обработки массивов погрешностей, полученных до и после коррекции приведены на рисунках 4.25 и 4.26. Если достоверность кода ГО до использования коррекции составила 0,793, то после коррекции она составила 0,984.