Конструирование и производство
датчиков, приборов и систем
УДК 535.36:621.375.876
ЛАЗЕРНЫЙ СТВОР ДАЛЬНЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ВИЗУАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ
FAR—SIGHTED LASER ALIGNMENT OF SYSTEM VISUAL GUIDANCE
Слободян Степан Михайлович
д-р техн. наук, профессор, доцент E-mail: sms_46@ngs.ru
Национальный исследовательский
Томский политехнический университет, г. Томск
Аннотация: Описано построение лазерного створа для визуального и инструментального ориентирования подвижных объектов с управлением параметрами лазерных лучей створа. Определены оптимальные параметры и закон изменения мощности лазерного пучка с учетом существующих норм и ограничений по воздействию на глаз оператора при визуальном ориентировании.
Ключевые слова: лазер, створ, визуальная навигация, объект, воздействие на глаз.
ВВЕДЕНИЕ
Опыт создания лазерных створов [1—6], результаты исследований и натурных испытаний по навигации судов, управляемых человеком, в речных и морских акваториях показали, что при функционировании систем оптической и лазерной навигации, ориентирования и проводки судов необходим учет как адаптивных способностей человека, так и психофизиологических факторов восприятия. Один из таких факторов — безопасный для глаза уровень лазерного облучения, установленный санитарными нормами.
Соблюдение такого уровня на минимальной дистанции наведения объекта ограничивает предельно возможный диапазон по дальности действия средств лазерной навигации, препятствуя увеличению дальности действия путем повышения мощности излучения лазера. Разрешение этого противоречия является целью данной работы.
Slobodyan Stepan M.
D. Sc. (Tech.), Professor, Associate Professor E-mail: sms_46@ngs.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk city
Abstract: A new construction principle of adaptive laser alignment for mobile objects navigation was proposed. It realize on the basis of the control of the laser beam parameters. The optimum parameters and patterns of the laser beam alignment power control was identified. This control is accommodative of operator's eye.
Keywords: far-sighted laser, river route, vision orientation, dynamic object, power light of eyes.
АЛГОРИТМ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ОБЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТА НАВЕДЕНИЯ
Ниже рассмотрен один из вариантов решения указанной проблемы — динамическое (в реальном времени) управление уровнем облученности глаз человека как звена системы управления подвижным транспортным средством по принципу оптической локации [1, 4].
Отметим, что в работах [7, 8], посвященных управлению мощностью лазерного излучения, проблема совместимости требований физиологии человека с наилучшим применением аппаратных лазерных средств наведения, не рассматривается. Однако, для расширения областей применения лазерных створов при навигации объектов учет реакции человека на лазерное излучение необходим, поскольку при приближении объекта навигации к лазерному створу облученность или освещенность глаз оператора, управляющего объектом,
32
Sensors & Systems • № 5.2015
Р (Ру) => ауку(Р)Р=> Рх=> а в^! => 000 => К объекту
11 1) среда распространения
г (Рб) => г (АР) <= г (а2Р) <= а2Р1 = Ротр(£,/) > Отражатель
Рис. 1. Последовательность прохождения информационного (оптического и электрического) сигнала
возрастая с уменьшением расстояния по квадратичному закону, нарушает комфортность восприятия излучения.
Предлагаемый алгоритм регулирования мощности облучения объекта наведения, управляемого человеком, с включением подвижного объекта в контур регулирования уровня мощности лазерного сигнала (ЛС) створа поясняется графической схемой рис. 1, где Р(Ру) — мощность излучения лазера; Иу = Ку(Р) — функция управления мощностью ЛС; Р} = а,уКу(Р)Р — мощность излучения на выходе оптического элемента, управляющего величиной ЛС; ау и Ку(Р) — коэффициент и функция управления величиной ЛС; авР} — мощность излучения на выходе створа; ав — коэффициент передачи выходных оптических элементов створа (защитного окна, оптики, формирующей лазерный пучок, и др.); аатм(Р) и аоТр(Р) — ослабление, вносимое средой распространения (функция удаления объекта и геометрии оптической схемы) и отражателем (функция его размеров и геометрии); а2Р\ = РоТр(Р, I) — мощность отраженного объектом наведения ЛС, падающая на вход фотоприемника лазерного створа; а2 = /(кфп, аатм, аоТр) — коэффициент передачи или преобразования ЛС, пропорциональный усилению фотоприемника Кфп(а2Р/РоТр); ^(а2Р) — выходной сигнал фотоприемника; ^(Рб) — сигнал, пропорциональный установленному стандартом безопасному уровню облученности глаза; Z(AP) — сигнал отклонения величины ЛС, принимаемого створом, от безопасного для глаза уровня; Ку^др) — коэффициент передачи элементов тракта формирования сигнала управления, регулирующих мощность ЛС или элементов оптического тракта, изменяющих коэффициент пропускания излучения.
Представленный алгоритм процесса управления мощностью облучения объекта реализуется введением в структуру лазерного створа дополнительного контура обратной связи, содержащего
пассивный линейный элемент — оптический отражатель с коэффициентом передачи < 1, установленный на подвижном объекте. Этот контур включается автоматически в момент облучения объекта лазерным лучом створа на предельно достижимой для автоматики дистанции обнаружения объекта, когда поток облучения объекта и глаз оператора весьма мал.
Контур обратной связи содержит нелинейный элемент — устройство управления мощностью ЛС, которое может выполнять управление либо посредством параметров источника питания лазера, либо варьированием коэффициента пропускания тракта передачи ЛС в структуре створа. Во втором варианте для управления пропусканием оптического тракта створа можно использовать нелинейные свойства электрооптических кристаллов. При этом считается, что управление параметрами выполняется в реальном времени.
Для повышения быстродействия управления уровнем облучения объекта в основу рассматриваемого алгоритма положено сочетание управления мощностью излучения лазера [7, 8] с внешним контуром, включающим как звено сам объект навигации с установленным на нем уголковым или зеркально-линзовым отражателем [4]. Контур управления мощностью излучения створа замыкается в момент появления объекта навигации в зоне действия створа, а до этого он разомкнут. Максимальная мощность ЛС обеспечивает, таким образом, предельную дальность действия Б} на рис. 2, где Н — высота маяка над уровнем воды; кI — высота наблюдателя над минимальной высотой рубки; к2 — высота глаз наблюдателя для максимальной высоты рубки; ад — угол наклона луча маяка при максимальном удалении судна; р0н — угол наклона к горизонту биссектрисы вертикального угла; уду — рабочая зона створа; Б} и Б — максимальное и минимальное удаление судна от места установки створа соответственно.
н
уо> У
\ \ N
N Ч
N.
, N -г?
-¿Т
А
Рис. 2. Рабочая зона лазерного створа по вертикали
В известных устройствах и моделях лазерных створов [1, 2] в основу управления мощностью ЛС положен критерий постоянства мощности передачи ЛС во внешнюю среду. В данной работе за основу принят критерий дистанционного динамического управления уровнем лазерной облученности объекта навигации, безопасным для глаз оператора на объекте.
Для медленно движущихся объектов навигации процесс управления мощностью облучения объекта лазерным створом можно считать статическим, поскольку расстояние в интервале времени между двумя моментами облучения объекта сканирующим пучком лазерного створа типа "бегущий огонь" [1] или в тактовом интервале оценки мощности сигнала несканирующего лазерного створа, меняется несущественно. Тогда в основу алгоритма управления мощностью облучения объекта (значит, и глаза оператора) лазерным пучком створа с активным контуром обратной связи для регулирования выходной мощности может быть положен монотонный закон управления выходной мощностью ЛС.
Выберем для стабилизации облучения объекта закон управления мощностью лазерного излучения в контуре обратной связи 2 + и = 0 с управляющим прозрачностью оптического тракта воздействием вида и = к^2 + 2ку2 (см. рис. 1).
Уравнение, описывающее процесс управления мощностью ЛС, примет вид 2 + 2ку 2 + к^ 2 = 0, а корни его решения относительно ку для рабочей точки 20, будут соответствовать средней точке диапазона регулирования:
2 = [20 + (20 + ку20)?]ехр(-ку?);
2 = [20 - ку(20 + ку2о)?]ехр(-ку?).
Обеспечив в системе выполнение условия 2о = —ку2о, упростим решение:
2 = 2оехр(—ку?); 2 = 20 ехр(—ку?),
откуда ку = — 2/2 и и = ку 2.
Полученное решение означает, что рассогласование величины превышения выходной мощности ЛС относительно требуемой по нормам и сигнал управления (рис. 3), отражающий необходимую меру ослабления мощности ЛС луча створа, плавно изменяются во времени по закону ехр(—ку?). Это соответствует апериодическому процессу управления выходной мощностью ЛС с нулевым перерегулированием (см. рис. 3, где х — скорость снижения мощности, т — время), т. е. без колебаний в процессе регулирования прозрачности оптического тракта и мощности лазера. Закономерность изменения мощности в координатах (2; 2) линейная. Диапазон управления прозрачностью оптического тракта створа ограничен . 2
величиной Цтах > 12 /21.
Такой процесс управления облучением объекта обеспечивает изменение мощности излучения от максимального до нулевого, т. е. до полного подавления ЛС. При малом значении ку время установки требуемой мощности ЛС может быть большим, что требует ограничения минимального
Рис. 3. Закон изменения сигнала управления мощностью луча лазерного створа:
сплошная линия — расчет; точки — данные эксперимента
34
вепвогв & Эувгетв • № 5.2015
значения Ку. Увеличение Ку для повышения быстродействия должно быть согласовано с уровнями ограничений на управление, превышение которых при неизвестных реальных условиях может приводить к нарушению монотонности управления [4]. Описанный алгоритм реализует пропорциональный закон управления мощностью лазерного излучения створа.
Характер процесса управления мощностью ЛС, описываемого
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.