Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Макеев, Петр Владимирович

• Макеев, Петр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Макеев, Петр Владимирович

Введение

Глава 1. Измерительные преобразователи линейных перемещений с многоэлементными фотоприемниками.

Основные особенности

1.1. Обобщенная функциональная схема измерителя перемещений

1.1.1. Форма светового сигнала

1.1.2. Дискретность координатных отсчетов

1.1.3. Избыток информации ФП

1.1.4. Необходимость блока обработки

1.2. Изображение источника света в плоскости ФП

1.3. Многоэлементные фотоприемники

1.3.1. Разрезной фотодиод

1.3.2. Фотопотенциометры

1.3.3. Функциональные ФР и ФД

1.3.4. Приборы с зарядовой инжекдией (ПЗИ)

1.3.5. Многоэлементные приемники на термоупругом эффекте (ТУП)

1.3.6. Приборы с зарядовой связью

Глава 2. Формульные алгоритмы

2.1. Математическая модель ИП с многоэлементным ФП

2.2. Шумы, характерные для ЛПЗС

2.3. Методы оценивания. Метод взвешивания

2.4. Метод полусуммы

2.5. Интерполяционные алгоритмы

Глава 3. Разработка алгоритма обработки измерительной информации

3.1. Следящий алгоритм оценивания

3.2. Вычисление рассогласования

3.3. Синтез параметров алгоритма оценивания

3.3.1. Линеаризация алгоритма оценки

3.3.2. Линеаризация алгоритма с двумя параметрами и х

3.4. Исследование свойств следящего алгоритма

3.4.1. Свойства следящего алгоритма с оценкой по координате

3.4.2. Свойства следящего алгоритма с оцениванием по координате и по амплитуде

3.5. Моделирование работы алгоритма оценивания

Глава 4. Процедуры моделирования и оценивания параметров 91 4.1. Основные характеристики ИП

4.2.1. Статическая характеристика.

4.2.2. Оптимизация параметров ИП. 95 Основные результаты и выводы 109 Приложения 112 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике»

Тема диссертационной работы "Разработка алгоритмического обеспечения датчика перемещения на многоэлементном фотоприемнике" возникла из потребности решения теоретических и практических задач разработки и исследования автоматических систем управления перемещениями объектов управления. Настоящая работа проводилась в лаборатории адаптивной оптики и радиооптики кафедры автоматики и телемеханики СПбГИТМО (ТУ) в соответствии с основными направлениями ее деятельности и задумывалась как теоретическая и техническая модернизация образцов датчиков перемещений на многоэлеменых фотоприемниках (ФП).

При построении современных автоматических систем и устройств необходимо точно, с высокой степенью помехозащищенности, определять положение объекта управления (ОУ). Для этих целей используют измерительные преобразователи перемещений (датчики перемещений). Использование в автоматических системах низкоточных датчиков делает невозможным обеспечения требуемых от системы показателей работы. Для успешного решения проблемы высокоточного определения линейного перемещения ОУ в диапазоне 1 5 см рационально использовать оптический измерительный преобразователь (ИП), построенный на многоэлементном ФП.

Многоэлементность ФП обеспечивает избыточность измерительной информации, за счет которой можно определять положение ОУ точнее, чем линейный размер одного элемента ФП. Кроме того, оптический способ измерения позволяет повысить помехозащищенность оценивания положения ОУ. Бурное развитие средств вычислительной техники представляет широкие возможности для алгоритмической обработки больших объемов измерительной информации с высоким быстродействием.

Разработка высокоточных датчиков, их изготовление и экспериментальное исследование является в настоящее время очень дорогостоящим. В связи с этим, приобретает особую актуальность разработка датчиков с широким применением компьютерного эксперимента.

В связи с выше сказанным, представляется актуальной работа по совершенствованию алгоритмических способов обработки измерительной информации в ИП линейных перемещений на многоэлементных ФП с целью повышения точности и помехозащищенности оценивания положения ОУ.

Целью работы является разработка алгоритмических способов повышения точности ИП за счет использования дополнительной измерительной информации, получаемой с многоэлементного ФП, а также процедур оценивания качества проектируемых ИП.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен анализ структуры ИП с многоэлементным ФП и выделены основные особенности преобразования информации в процессе измерения;

- определены факторы, влияющие на погрешность ИП;

- разработана математическая модель процесса измерения перемещения ИП с многоэлементным ФП, учитывающая основные особенности процесса;

- разработан следящий алгоритм оценивания перемещения светового пятна относительно области чувствительных элементов ФП;

- произведен анализ динамики; получены условия сходимости и времени сходимости следящего алгоритма, а также установившиеся значения рассогласования;

- разработан алгоритм градуировки ИП с многоэлементным ФП , базирующийся на оценивании параметров статистической характеристики, представляемой степенным полиномом;

- разработаны программы и произведена проверка разработанных процедур оценивания параметров и градуировки ИП путем моделирования процесса высокоточных измерений линейных перемещений при различных условиях функционирования.

На защиту выносятся:

- математическая модель ИП линейных перемещений на многоэлементном ФП (ЛПЗС);

- функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и результаты исследования их свойств;

- следящий алгоритм оценивания положения энергетического центра (центра "тяжести") светового пятна по выходному сигналут ФП;

- градуировочный алгоритм ИП;

- подход к выбору параметров проектируемого ИП на базе моделирования градуировочного эксперимента и алгоритм его проведения.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются различные многоэлементные ФП и их основные особенности. Также рассмотрена форма оптического сигнала, формируемая на ФП. Для построения высокоточного датчика выбран наиболее подходящий ФП -линейный прибор с зарядовой связью (ЛПЗС) типа ТЬютэоп ТНХ7812В, с большим количеством элементов (8640) и малыми размерами элементов (7x7 мкм).

Вторая глава посвящена разработке математической модели ИП с ЛПЗС и анализу, на ее основе, точностных свойств наиболее широко используемых алгоритмов оценивания положения центра тяжести светового пятна. Показано, что получения высокоточной и помехозащищенной оценки положения светового пятна на многоэлементном ФП встает задача разработать новый алгоритм оценивания.

В третей главе приведено описание и исследование свойств разработанного алгоритма оценивания положения центра тяжести светового пятна, а также приведено сравнение работы с часто применяемыми методами оценивания.

В четвертой главе решается задача построения процедуры градуировки ИП и определение итоговой погрешности. В работе предложен алгоритм, направленный на снижение затрат на проведение градуировки.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая моделировать работу ИП;

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и исследованы свойства функционалов;

3. На базе предложенных функционалов разработан следящий алгоритм оценивания, позволяющий повысить точность ИП;

4. Разработан подход к градуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Макеев, Петр Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель измерительного преобразователя на линейном приборе с зарядовой связью (ЛПЗС), позволяющая при заданных параметров ИП ( параметрах геометрии светового пятна, заданном количестве элементов ФП и их чувствительности, а также известных параметров шумов) сформировать вектор отсчетов (выходной сигнал) ФП.

2. Предложены функционалы для определения рассогласования величин оцениваемых параметров и,практически, не оказывающих взаимного влияния.

3. Разработан следящий алгоритм оценивания,позволяющий производить оценивание положения центра тяжести светового пятна на многоэлементном ФП с точностью более 1% линейного размера элемента, при уровне шумов до 1%.

4. Разработан подход к градуировке ИП, базирующийся на оперативном контроле уровня достигнутой погрешности и прогнозе времени окончания процедуры градуировки.

5. Разработан алгоритм и программа, на пакете "Ма^аЪ", моделирования процесса измерения выходных перемещений ИП с многоэлементным ФП (ЛПЗС), реализующая работу следящего алгоритма.

6. Разработан алгоритм и программа, на пакете "МаОаЬ", моделирования процесса градуировки ИП с оперативным контролем достигнутого уровня погрешности.

Рис. 4.2 Типовая статическая характеристика датчика перемещений. т т+1 т+2 т> измерительных

Рис. 4.4 Динамика оценки погрешности прибора серцй

Начало

Выбор параметров А, (3,1М, уровень шумов

Выбор параметров алгоритма обработки I

Модель измерений I да

Коррекция выбранных паоаметоов нет

Коррекция выбранных параметров

Проверка диапазона ¿/>=/ нет

Вычисление математической модели статической характеристики а,Ь,с нет

Проверка гипотезы по критерию %2

Заданная погрешность достижима? нет

Заданная погрешность достигнута?

1 да г

Выход

Рис. 4.3 Алгоритм градуировки

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Макеев, Петр Владимирович, 2000 год

1. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов.-Л.Машиностроение. Ленинградское отделение, 1986. с.

2. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов/ Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Полыпиков. -Спб.: Политехника , 1991.

3. Андреев А.Л.,Ишанин Г.Г., Мусяков В.Л., Полыпиков Г.В. Выбор и расчет схем включения позиционно-чувствительных и многоэлементных фотоприемников. Учебное пособие. Л. : Ленинградский институт точной механики и оптики, 1987.

4. Данилов Д.В., Пашков B.C. Оптимальная оценка координат изображений точечных излучателей // Оптико-электронные приборы и системы// 1997.Вып.96.

5. Пашков B.C., Степовой A.B., Данилов Д.В. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с матричными фотоприемниками методами компьютерного моделирования. // Оптико-электронные приборы и системы// 1997.Вып. 97.

6. Тритепков М.А. Сравнительный анализ одноэлементных , матричных и мозаичных фотоприемников при приеме оптических сигналов точечных источников. // Сб. статей «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы»

7. Под ред. Власенко A.A. и Федотова Я.А. М., 1978.

8. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик. Фортран и Паскаль. Томск : МП « РАСКО «. 1991.

9. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука, 1982.

10. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ / Справочник. -М.: Физматлит, 1989.

11. Дьяконов В.П. Справочник по применению системы PC MatlAB. М.: Физматлит. 1993.1.. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью . М.: Радио и связь, 1991.

12. Пашков B.C., Тидеман H.A. Исследование алгоритмов оценкикоординат изображения точечных излучателей в оптико-электронных приборах с многоэлементными фотоприемниками.// Известия ВУЗов СССР. Приборостроение. N 4. 1988.

13. Андреев А.Л., Кузнецов В.И., Пашков B.C. Использование метода конечных разностей при обработке сигнала в телевизионном измерителе координат на ПЗС. // Техника средств связи. Серия Техника телевидения. -1984. Вып. 6.

14. Коляда В.В. Устройство с цифровым отсчетом на основе ПЗС И ГШ для измерения положения лазерного пучка. // Тезисы докл. IV Всесоюзного совещания « Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе». Барнаул, 1987.

15. Баев А.П. Разработка и исследование измерительных устройств с ПЗС-формирователями видеосигнала для системы контроля деформаций радиотелескопа. Дисертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.-Л.,1988

16. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации.М.,1986.

17. Астапов Ю.М., Васильев Д.В.,Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988.

18. Боков В.Л., Новиков Ю.В., Пашков B.C., Тидеман H.A. Исследование точностных характеристик оптико-электронных приборов с многоэлементными фотоприемниками. Л. Известия ВУЗов. Приборостроение. Т 32,1989 11.

19. Ивакин И.Р. и др. Интерполяционные алгоритмы определения центра изображения объекта с помощью ПЗС. // Техника средств связи. Серия Техника телевидения. 1986. - Вып.4.

20. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ. М.: Наука, 1980.

21. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984.

22. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. М.: Статистика, 1979.

23. Суевалов Л.Ф. Справочник по расчетам судовых автоматических систем.-Л:. Судостроение, 1989.

24. Лебедев H.B. Измерение координат точечного объекта телевизионной камерой на ПЗС // Техника средств связи.Сер. Техника телевидения.■-М.-1978.вып.6

25. Приборы с зарядовой связью./Под ред. Хоувза М., Моргана Д,-М: .Энергоатом издат, 1981.

26. Кравцов Н.В., Стрельников Ю.В. Позиционно чувствительные датчики оптических систем.-М ,:Наука,1969.

27. Теория и расчет элементов приборов:Учебник для приборостроительных техников/ Ишанин Г.Г.,Панков Э.Д.,РадайкинВ.С., Потемин А.Э.-СПб. ¡Политехника, 1993

28. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах.Кн 1. Пер. с франц.-М.: Мир,1992.

29. Бойков В.И., Коровьяков А.Н.,Макеев П.В.Планирование градуировочных экспериментов на основе функции чувствительности //Известия ВУЗов. Приборостроение- Т.42.-1999.- №8.

30. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Статистический анализ данных на компьютере./Под ред. В.Э.Фигурного М.: ИНФРА -М, 1998.

31. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования.-М.: Наука, 1972

32. ИзерманР. Цифровые системы управления: Пер. с англ.~М.:Мир,1984.

33. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. -М.: Наука ,1976.

34. Рудзит Я.А., Плуталов В.Н.Основы метрологии точность и надежность в приборостроении.-М. Машиностроении, 1991.

35. Путятин Е.П., Аверин С.И.Обработка изображений в робототехнике.-М. Машиностроении, 1990.

36. Вавилов С.А.,Дегтярев В.Г. Теоретико-вероятностные принципы обработки измерительной информации. Учебное пособие.-СПб.:ИТМО.-1994.

37. Бойков В.И., Коровьяков А.Н.,Макеев П.В .Оценка качества градуировки измерительных устройств. //Юбил ейная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава 29-31 марта 2000 года.Программа докладов-СПб ИТМО(ТУ),2000.

38. Макеев П.В. Моделирование преобразователей информации на пакете Matlab. Труды молодых ученых и специалистов.Сборник научных статей. Выпуск 1. Часть 1.-СПб:СПбГИТМО(ТУ),2000.

39. Бойков В.И., Коровьяков А.Н. Оценка погрешностей многоканальных преобразователей информации// Изестия ВУЗов.Приборостроение.-т.41-1998.-Ж7.

40. Паспорт прибора Ф1ШП31Л-1, индивидуальный № 11-12-38, дата изготовления 07.1991.

41. Макеев П.В. Определение параметров алгоритма Деминга в задаче градуировки фото-электрического датчика перемещения.//XXX научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО.-СПб, 1999.

42. Расчет точности машин и приборов. Под общ. ред. Булатова В.П. и Фринлера.-СПб. Политехника ,1993.

43. Измерительные сканирующие приборы/ под ред.Розова Б.С.-М. '.Машиностроение, 1980.

44. Смирнов А.Я., Меньшиков Г.Г. Сканирующие приборы.-Л. .Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986.

45. Оптико-электронные приборы для научных исследований. Учебное пособие/ Новицкий Л.А., Гомелюк A.C., Зубарев В.Е., Прохоров А.М.-М. Машиностроение, 1986

46. Баев А.П. Принципы построения жДатчиков на ПЗС для систем пространственного слежения//Тез.докл.1У Всесоюзного совещания "Координатно-чувтвительные приемники и оптико-электронные устройствана их основе".-Барнаул, 1987.

47. Свечников С.В.,Смовак Г.А., Каганович Э.Б. Фотопотенциометры и функциональные фоторезисторы.-М.:Сов. радио,1978.

48. Deming W.E. Statistical Adjustment of Data. New York . Wiley, 1944

49. Проспект фирмы "Thomson. Linear Color CCD" (рекламный).

50. Проспект фирмы "Sony" (рекламный).

51. Barker H. A. The computer in control.// Measurement and Control, volume 29, February 1996 The Institute of Measurement and Control, London