Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВЗАИМНОГО ОПТИЧЕСКОГО ВИЗИРОВАНИЯ

Урюпов А.В.

Научный руководитель

Белянин Л.Н., к.т.н., доцент

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Томск, Россия

Введение. Горнопроходческие работы - это совокупность различных видов деятельности по реализации и проведению горных работ непосредственно под землей. Определение местоположения под землей затруднено, так как невозможно использование традиционных глобальных навигационных спутниковых систем. В настоящее время одной из важных проблем при управлении горнопроходческими комбайнами (ГПК) в шахте является подземная навигация. Рост энерговооруженности и производительности проходческих комбайнов, с одной стороны, и возросшие требование к точности обеспечения проектных параметров по местоположению, направлению и геометрическим формам штреков, с другой стороны, делают актуальными разработку и внедрение новых систем ориентации и навигации проходческих комбайнов. Такие системы должны строиться с использованием новейших достижений в области гироскопической и навигационной техники, лазерной техники, радиосвязи и радиолокации, и т. д. [1].

Для решения данной проблемы разрабатывается автоматическая система взаимного оптического визирования. Идея построения этой системы заключается в использовании двух основных приборов: первого прибора - наземного прибора ориентации (гирооптического прибора - ГОП), установленного под кровлей штрека в точке с известными географическими координатами, и второго прибора - прибора ориентации, установленного на ГПК. Между этими приборами выполняется автоматическое оптическое взаимное визирование. Третий прибор - пульт управления может располагаться либо в кабине комбайна, либо в руках машиниста, находящегося вне комбайна. Этот прибор содержит вычислитель с монитором и связан с первыми двумя приборами беспроводными двухсторонними каналами обмена информации.

Данная система ориентации и навигации не относится к наземным системам для объектов, расположенных сверху на поверхности земли, в связи с тем, что в шахте невозможен прием сигналов со спутников. Так же данную систем нельзя отнести к «подземной навигации и ориентации», так как, как правило, в этих случаях речь идёт о скважинной навигации со всеми её специфическими особенностями. Поэтому к данной систему предъявляются особые требования:

1. Высокая точность - автоматическая система взаимного оптического визирования должна максимально точно ориентировать горнопроходческий комбайн и решать задачи навигации и ориентации.

2. Быстродействие - система должна обладать высокой скоростью реакции на изменение ориентации и местоположения ГПК.

3. Режим поиска - в момент включения в произвольном направлении, должен включиться режим поиска, при котором головки автоматически направятся друг на друга. После чего включается режим слежения, обеспечивающий стабильную линию оптического визира.

Рассмотрим существующие системы навигации применяемы в тоннелестроении. Для данной сферы также важно определение, в реальном времени, пространственного положения тоннелепроходческого комплекса с высокой точностью. Основное отличие ГПК от тоннелепроходческого комплекса заключается в том, что ГПК может передвигаться в шахте и имеет большую степень подвижности штрека. Основные системы:

• Система навигации SN-PAi - Работа системы основана на определении электронным тахеометром абсолютных координат (X, Y, Z) двух мотопризм и расчёте через эти данные пространственного положения ножа, хвоста и передней базовой точки щита, и их смещения относительно проектного положения.

• Система навигации SLS - Работа системы основана на определении электронными палетками активной мишени относительных координат точки лазерного луча, при помощи программного обеспечения их пересчёт в абсолютные координаты и определение смещения от проектного положения ножа и плоскости мишени.

• Система навигации ACS II - Работа системы основана на определении относительных координат лазерных точек, на двух палетках мишени (одна из прозрачного оргстекла, вторая не прозрачная) при помощи двух высокоточных видеокамер, и их дальнейший перерасчёт программой в абсолютные координаты, с последующим определением смещения от проектного положения ножа, хвоста и передней базовой точки щита [2].

Так же к подобным вариантам реализации можно отнести системы самонаведения, применяемые в военной сфере:

Инфракрасная (тепловая) головка самонаведения (рис.1) -- головка самонаведения, работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью. Представляет собой оптикоэлектронный прибор, предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования. Данная система самонаведения имеет большие сходства с проектируемой системой для ГПК. Принцип действия -головка самонаведения обеспечивает получение сведений о цели, необходимых для наведения ракеты на цель.

навигация оптический визирование горнопроходческий

Рис. 1. Схема инфракрасной (тепловой) головки самонаведения

Основным элементом тепловой головки самонаведения является координатор цели, который измеряет угол рассогласования, т. е. угол между оптической осью координатора и направлением на цель. Поступающие от цели, а также отраженные и собственные излучения фона собираются оптической системой и фокусируются на поверхности чувствительного элемента. Информация о цели от чувствительного элемента в виде электрического сигнала поступает в электронную схему. Конечным звеном схемы являются сервомеханизмы, связанные с рулями управления. Элементы схемы от входной оптики до электронной схемы называют тепловым координатором цели [3].

• Акустическая система наведения- система имеет два микрофона, если ракета не имеет смещения и направлена на цель, то звуковые колебания до обоих микрофонов доходят одновременно. При смещении цели в сторону звуковые колебания приходят от цели к одному микрофону раньше, чем к другому. По разности времени прихода звука к микрофонам определяют угол между направлением на цель и осью координатора. В акустической головке самонаведения, как и в головках других типов, угол измеряется в двух плоскостях: по курсу и тангажу. Для этого на ракете устанавливают две пары микрофонов и размещают их взаимно-перпендикулярно.

• Оптическое самонаведение- основано на определении направления на источник светового излучения. Применяются головки самонаведения пассивного типа, реагирующие на световые лучи, излучаемые или отражаемые целью. Оптическая головка самонаведения (рис.2) может работать лишь в том случае, если цель обладает достаточной световой контрастностью на окружающем фоне. В качестве измерителя, реагирующего на световой контраст цели, используется оптический координатор цели, который конструктивно ничем не отличается от теплового координатора.

Рис. 2. Оптическая головка самонаведения

Анализ задачи. В данной работе требуется описать возможные варианты реализации автоматической системы взаимного оптического визирования. Способ определения взаимного положения объектов относится к оптическим способам определения взаимного положения и взаимной ориентации объектов и может быть использован при ориентации и навигации в горнопроходческом деле, а также в иных областях техники, в которых необходим контроль взаимного положения изделий или их частей. Заявленный способ состоит в использовании двух приборов: гирооптического прибора - наземный прибор ориентации, установленный под кровлей штрека с известными географическими координатами (широта, долгота, альтитуда); прибора ориентации, расположенного на ГПК. Между приборами устанавливается оптическая связь: на приборе ориентации, светодиод излучает световое пятно, в то же время гирооптический прибор в режиме поиска осуществляет обзор пространства. При нахождении светового пятна наземного прибора, с помощью оптической системы проецируется на фото матрицу и определяется смещение пятна относительно центра фото матрицы. С помощью вычислительной программы, вырабатывается сигнал рассогласования, который подается на приводы, для корректировки ГОП. В результате устанавливается линия оптического визирования между неподвижным и жестко закреплённым гирооптическим прибором и прибором ориентации, установленным на подвижном ГПК. Достигаемый технический результат - однозначное определение параметров положения и ориентации ГПК, а также обеспечение возможности проведения измерений в условиях запылённости и взрывоопасности.

Рис. 3. Схема прохождения луча света

Для наглядного представления работы проектируемой системы представлена схема прохождения луча (рис.3). Луч от светодиода попадает в объектив, т.е. оптическую систему состоящею из множества линз, которые проецируют световое пятно на матрицу, диафрагмы, для, ограничения световых лучей и фото матрицы.

Требования, предъявляемые к элементам

Светодиод. Световое пятно, проецируемое на фото-матрицу должно обладать заявленными характеристиками. Во-первых, световой излучатель (светодиод) должен иметь направленное излучение, которое будет заметно для ГОП на расстоянии до 100м. Во-вторых, форма изучения должна легко распознаваема и не затрудняющая вычисление сигнала смещения.

Оптическая система - т.е. объектив, расположенный на ГОП должен работать в режиме «поиска» и в режиме «работа»:

• Режим «поиска» - объектив должен обладать широким углом обзора, для быстрого перехода в режим «работы».

• Режим «работы»: объектив фокусируется на световом пятне. Получаемое изображение должно быть четким, для более точной установки линии оптического визирования.

Не маловажным фактором является тип фокусировки. Выделяют три вида автофокуса: фазовый, контрастный, гибридный. Для нашей системы по всем требованиям подходит- контрастный автофокус. Работа контрастного автофокуса основана на специальных светочувствительных элементах, которые проводят исследования контраста снимаемой сцены. Точная фокусировка происходит в тот момент, когда данное изображение обретет максимально отличающуюся от фона резкость и контрастность.

Фото-матрица - обладает оптимальным размером, большим подавлением цифровых шумов, высокой светочувствительностью т.е. способность фотодатчиков матрицы генерировать электрический заряд под действием световой составляющей электромагнитного излучения.

Заключение. В данной работе было рассмотрено множество вариантов реализации автоматической системы взаимного визирования. Рост энерговооруженности и производительности проходческих комбайнов, с одной стороны, и возросшие требование к точности обеспечения проектных параметров по местоположению, направлению и геометрическим формам штреков, с другой стороны, делают актуальными разработку и внедрением новой системы ориентации и навигации проходческих комбайнов.

Список литературы

1. Д.К. Ву, Л.Н. Белянин Алгоритмы определения местоположения горнопроходческого комбайна // Материалы XVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - Томск: ТПУ, 2016г.

2. Подземная навигация // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Подземная_навигация (дата обращения: 20.01.2018).

3. Пассивная инфракрасная система самонаведения // Самонаведение ракет URL: http://samonavedenie-raket.ru/sistemy- samonavedeniya/passivnaya-infrakrasnaya-sistema-samonavedeniya (дата обращения: 20.01.2018).

4. Инфракрасная головка самонаведения // Википедия URL:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасная_головка_самонаведения (дата обращения: 20.01.2018).

Размещено на Allbest.ru