Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Елкин, Евгений Александрович

• Елкин, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Елкин, Евгений Александрович

Введение.

ГЛАВА 1. Исследование существующих методов хранения направления.

1.1 Классические гироскопы.

1.2 Новые типы гироскопов.

1.3 Гироскопы с воздушной опорой.

1.4 Поплавковые гироскопы.

1.5 Динамически настраиваемые гироскопы.

1.6 Кольцевые лазерные гироскопы.

1.7 Волоконно-оптические гироскопы.

1.8 Волновые твердотельные гироскопы.

1.9 Вибрационные гироскопы.

1.10 Микромеханические гироскопы.

1.11 Неконтактные гироскопы.

1.12 Необходимость нового метода хранения направления.

1.13 Исследуемая оптико-электронная система хранения направления в плоской системе координат.

1.13.1 Вращающийся маховик и связанная с ним независимая система координат.

1.13.2 Система опорного канала.

1.13.3 Система измерительного канала.

Выводы по главе 1:.

ГЛАВА 2. Математическое моделирование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат.

2.1 Методика построения математической модели.

2.1.1 Расчет передаточной функции анализатора изображения.

2.1.2 Передаточная функция рабочего отверстия.

2.1.3 Расчет передаточной функции объектива.

2.1.4 Передаточная функция сканирующей системы.

2.2 Передаточная функция системы опорного канала.

Выводы по главе 2:.

ГЛАВА 3. Исследование работы оптико-электронной системы хранения направления в зависимости от внешних и внутренних факторов, влияющих на точность измерений.

3.1 Определение угловой ошибки измерения при повороте основания.

3.2 Ошибка измерительного канала.

3.3 Влияние наклона основания в вертикальной плоскости на скорость вращения маховика.

3.4 Угловое поле поворота основания.

Выводы по главе 3:.

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование работы оптико-электронной системы хранения направления для контроля параметров железнодорожных путей.

4.1 Измерение параметров железнодорожного пути.

Выводы по главе 4:.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат»

Задача хранения направления на подвижных объектах наиболее часто встречается в геодезии, навигации и в тяжелом машиностроении. В последнем случае из-за отсутствия приемлемых технических решений поставленные цели достигаются геодезическими измерениями.

К сожалению, современный уровень развития навигационно-измерительных систем не позволяет обеспечить всех заинтересованных в высокоточных результатах. Это связано как с дороговизной самих вычислительных систем и периферийного оборудования, так и с рядом сложностей и систематических ошибок, которым сопутствует измерительный процесс.

Для удовлетворения потребностей различных организаций, в задачи которых входит хранения направления в той или иной области, целесообразна разработка альтернативной оптико-электронной системы, принципы работы которой должны принципиально отличаться от использующихся сегодня методов, а некоторые недостатки, им свойственные, - устранены.

Целью работы является разработка оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат, основанного на отказе от традиционного физического хранения. При этом оно может храниться в виде результатов угловых расчетов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Выполнен аналитический обзор литературных и патентных источников известных методов навигации, хранения и определения положения, проведен их анализ, выявлены частные и общие недостатки;

2) Разработана и исследована модель оптико-электронной системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении изменений положения контролируемого основания;

3) Разработаны методики расчета, получены аналитические зависимости, учитывающие связь массогабаритных параметров устройства с точностью измерений, возможных погрешностей;

4) Проведен анализ и расчет параметров работы исследуемой системы применительно к контролю характеристик' железнодорожного пути, точность результатов которого превышает используемые сегодня методы.

Выбранное направление исследования является актуальным.

Актуальность исследований обусловлена потребностью в создании принципиально новой системы хранения направления, основанной на виртуальном измерении углового положения контролируемого основания.

Из рассмотренных свойств гироскопов различного типа, как устройств, решающих задачу хранения направления, следует, что у каждого есть недостатки, ему присущие. Между тем, у всех типов гироскопов общий недостаток - это интегрируемость ошибки измерения курса со временем, что делает невозможной работу гироскопического устройства в течение длительного периода времени.

Общим при традиционном методе хранения курса гироскопическим устройствами, использующимися сегодня, является создание направления на подвижном основании физическими элементами этих устройств, а также сохранение их положения в независимой от подвижного основания системе координат (инерциальной или связанной с землей).

Научная новизна работы заключается в разработке и исследовании принципиально новой оптико-электронной системы, в основе работы которой лежит идея отказа от традиционного физического хранения.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы послужили труды в области навигации и проведении геодезических измерений. Также в работе использованы материалы, опубликованные в периодических изданиях, доклады российских и международных конференций.

Положения, выносимые на защиту:

1) Обоснование целесообразности построения оптико-электронной системы хранения направления в плоской системе координат.

2) Принцип работы системы. Хранение направления реализуется виртуально через результаты периодических угловых измерений.

3) Алгоритм построения математической модели системы.

4) Анализ и расчет возможных ошибок системы хранения направления. Возможные пути их компенсации.

5) Практическая реализация предложенного метода для контроля параметров железнодорожных путей.

Структура диссертационной работы:

Диссертационная работа изложена на 101 странице печатного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Елкин, Евгений Александрович

Выводы по главе 4:

Учитывая перечисленные в первой главе недостатки современных гироскопов и их точности, можно утверждать, что точность данного метода не будет выше точности элементов, на которых он реализован.

Предложенный метод хранения направления может стать альтернативой существующим методам определения геометрических параметров рельсовой колеи, работающих по принципу непрерывного определения углового положения вагона-путеизмерителя. Применение в составе оборудования скоростного вагона-путеизмерителя интегрированной системы предложенного метода позволяет обеспечить измерение геометрических параметров пути в практически неограниченном диапазоне изменения скорости движения, точную локализацию места измерения, ориентации (крен, уклон и курсовой угол) и динамики движения объекта.

Для определения ошибки предложенного метода хранения направления и сравнения ее с допустимыми сегодня значениями проведем расчет для одной плоскости - плоскости тангажа. Очевидно, что для плоскости крена результаты будут аналогичные.

Разработанный метод контроля рельсового пути может заполнить существующий пробел в данной отрасли и открыть новое информационное поле для исследований и конкретных применений.

Бесхордовый инерциальный метод, позволяющий измерять неровности рельсовых нитей в продольной и вертикальной плоскостях, обладает научной и технической новизной.

Заключение

Проведен анализ современных средств хранения направления, определены их принципиальные и неустранимые источники погрешностей. Доказана актуальность создания нового метода, лишенного этих недостатков.

Разработана модель оптико-электронной системы хранения направления, в основе работы которой лежит принципиально новый подход виртуального хранения направления.

Проведен подробный анализ работы системы, разработана ее математическая модель, определены и рассчитаны значения возможных погрешностей измерений.

Получены расчетные формулы, позволяющие проектировать устройство, ориентируюсь на конкретную область применений.

Рассчитаны возможные ошибки системы, приведены их аналитические и графические зависимости. Проведен анализ их влияния на работу системы.

В качестве эксперимента выполнен расчет применения системы для контроля параметров железнодорожных путей согласно требований, предъявляемых для данного вида измерений. Эксперимент показал хорошие результаты, позволяющие сделать вывод о рациональности применения системы в данной области техники.

Результаты экспериментального исследования компьютерного макета системы подтвердили правильность теоретических расчетов.

В целом были достигнуты все поставленные перед работой цели и получены ожидаемые результаты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Елкин, Евгений Александрович, 2009 год

1. Агурок И.П., Родионов С.А. Использование оптической передаточной функции для вычисления функции концентрации энергии. Оптико-мех. промышленность. 1985 - №8 - С. 19-21.

2. Алиев Т. М., Тер-Хачатуров В. А. Измерительная техника. М.: Высшая школа, 1991.

3. Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В. Основные краевые задачи переноса оптического изображения в активной ОЭС через случайно-неровную поверхность раздела сред// Оптика атмосферы, 1992. Т.5, N8. С.843-851.

4. Бессекерский В. А., Фабрикант Е. А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968.

5. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М. Наука, 1970. -856 с.

6. Бромберг П.В. Теория инерциальной навигации. М.: Наука, 1979.

7. Булгаков Б. В. Прикладная теория гироскопов. М.: Гостехиздат, 1978.

8. Бычков С. И., Лукьянов Д. П., Бакаляр А. И. Лазерный гироскоп. М.: Сов. радио, 1975.

9. Вычислительная оптика. Справочник. Под общей редакцией М. М. Русинова. -Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. -423 с.

10. Гироскопические системы / Под ред. Д. С. Пельпора. В 3 ч. М.: Высш. шк., 1986-1988. Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов. 1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988.

11. П.Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1970. -364 с.

12. Информационная оптика / Н.Н. Евтихиев, О.А. Евтихиева, И.Н. Компанец и др. Под ред. Н.Н. Евтихиева. М.: Изд-во МЭИ, 2000.

13. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение (Ленинград, отд-ние), 1986.

14. Ишлинский А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976.

15. Казанцев Андрей Валерьевич. Разработка инерциальных методов измерения параметров рельсового пути : Дис. . канд. техн. наук : 05.11.16 : СПб., 2005 142 с. РГБ ОД, 61:05-5/3567

16. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991.

17. Кононов В. И., Федоровский А. Д., Дубинский Г. П.Оптические системы построения изображений. -К.: Техника, 1981.

18. Кузовков Н.Т., Салычев О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. М.: Машиностроение, 1982.

19. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. -М: Мир, 1970.

20. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983.

21. Михалев И. А., Окоемов Б. Н., Чикулаев М. С. Системыавтоматического управления самолетом. М.: Машиностроение, 1987.

22. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990.

23. Пельпор Д. С., Колосов Ю. А., Рахтеенко Е. Р. Расчет и проектирование гироскопических стабилизаторов. М.: Машиностроение, 1972.

24. Помыкаев И. И., Селезнев В. П., Дмитроченко Л. А. Навигационные приборы и системы. М.: Машиностроение, 1983.

25. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Л.: Машиностроение, 1989.

26. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж.

27. Вайанта. -М. Мир, 1983. с. 178- 332.31 .Проектирование оптико-электронных приборов / Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др. Под общ. ред. Ю.Г. Якушенкова. 2-е изд., перераб. и доп., М.: Логос, 2000.

28. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем.

29. Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -270 с.

30. Родионов С.А. М. Наука. 1985, Оптические изображающие и регистрирующие среды. Том XXIII. С.44-55.

31. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А. И. Гироскопические системы. М.: Машиностроение, 1983.

32. Северов Л. А. Механика гироскопических систем. М.: Изд-во МАИ, 1996.

33. Стюард И. Г. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1988. -182 с.

34. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1986.-288С.

35. Филипеня Наталья Сергеевна. Разработка инерциальных методов и средств измерения параметров рельсового пути : диссертация кандидата технических наук : 05.11.16 Санкт-Петербург, 2007 142 е., Библиогр.: с. 136-142 РГБ ОД, 61:07-5/4722

36. Шереметьев А. Г. Волоконный оптический гироскоп. М.: Радио и связь, 1987.

37. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. —

38. М.: Логос, 1999. -480С. 41 .http://www.ee.surrev.ac.uk/CSER/UOSAT/papers/iaf96/disnet/disnet.htm 42.http://www.fizoptika.ru43 .http://www.imar-navigation.de/englishside/imar.html44.1nertial Sensor Technology Trends. Nil Barbour, George Schmidt, 1998

39. Workshop on Autonomous Underwater 45.Picosat Free Flying Magnetometer Experiment. Dana S. Clarke, Michael T. Hicks, Alissa M. Fitzgerald, Jason J. Suchman, Robert J. Twiggs, J. Randolf, , Thomas W. Kenny. Vehicles, 20-21 August 1998, Cambridge, MA.