Устройство для определения местоположения объекта
Устройство для определения местоположения объекта относится к области приборостроения преимущественно к измерительной технике, основанной на лазерном излучении и может быть использовано в робототехнике и на предприятиях, занимающихся разработкой, изготовлением и применением систем лазерной локации для определения на плоскости местонахождения объекта, рабочего органа станка или промышленного робота. Достигаемым техническим результатом использования предлагаемого устройства является повышение точности определения местоположения объекта на плоскости. Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для определения местоположения объекта, включающее источник лазерного излучения 1, приемник лазерного излучения 2, преобразователь 3 лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором 4 электрического сигнала с вычислительным устройством 5. Устройство дополнительно содержит модулятор 6, соединенный с источником лазерного излучения и обеспечивающий изменение частоты лазерного излучения по пилообразному закону, узел разделения 7 лазерного излучения на две пары составляющих, оптически соединенный с источником лазерного излучения, автоматический переключатель 8, обеспечивающий поочередное включение каждой пары составляющих лазерного излучения, две пары диафрагм 9 для преобразования двух пар составляющих лазерного излучения в рассеянное лазерное излучение, расположенные в одной плоскости, причем приемник рассеянного лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала и с вычислительным устройством, расположены на определяемом объекте 10.
Устройство для определения местоположения объекта относится к области приборостроения преимущественно к измерительной технике, основанной на лазерном излучении и может быть использовано в робототехнике и на предприятиях, занимающихся разработкой, изготовлением и применением систем лазерной локации для определения на плоскости местонахождения объекта, рабочего органа станка или промышленного робота. Достигаемым техническим результатом использования предлагаемого устройства является повышение точности определения местоположения объекта на плоскости.
В настоящее время известно устройство для лазерной локации содержащее источник лазерного излучения, приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, анализатор электрического сигнала с вычислительным устройством, (патент Российской Федерации 
2084925, G01S 17/06, 1997 г.) В нем приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, анализатор электрического сигнала с вычислительным устройством, расположены вместе с источником лазерного излучения. При этом приемник принимает лазерное излучение, отраженное от определяемого объекта, что делает невозможным использование его в робототехнике и дает невысокую точность определения местоположения объекта.
Известно также устройство для определения местоположения объекта, включающее в себя источник лазерного излучения определяемого объекта, приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала с вычислительным устройством, (патент Российской Федерации 2224267, G01S 17/00, 2004 г.) Это устройство выбрано в качестве прототипа. В нем источник лазерного излучения выполнен в виде двух лазеров, генерирующие сигналы, модулированные по фазе. Устройство имеет сложную оптическую систему для преобразования и направления на определяемый объект лазерного излучения. Приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, анализатор электрического сигнала с вычислительным устройством, расположены на общем основании с источником лазерного излучения. Известное устройство сложно в изготовлении, не может быть использовано в робототехнике и имеет недостаточную точность для определения местоположения объекта.
В предложенной полезной модели ставится техническая задача создания такого устройства лазерной локации, который бы обеспечивал высокую точность определения местоположения объекта на плоскости, что особенно важно для робототехники.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для определения местоположения объекта, включающее источник лазерного излучения определяемого объекта, приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала с вычислительным устройством, дополнительно содержит модулятор, соединенный с источником лазерного излучения и функционально обеспечивающий изменение частоты лазерного излучения по пилообразному закону, узел разделения лазерного излучения на две пары составляющих, оптически соединенный с источником лазерного излучения, автоматический переключатель, обеспечивающий поочередное включение каждой пары составляющих лазерного излучения, две пары диафрагм для преобразования двух пар составляющих лазерного излучения в рассеянное лазерное излучение, расположенные в одной плоскости, при этом приемник рассеянного лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала и с вычислительным устройством, расположены на определяемом объекте.
Совокупность существенных признаков предлагаемого устройства для определения местоположения объекта не известна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что соответствует критерию «новизна» для полезной модели.
Предлагаемое устройство лазерной локации поясняется с помощью прилагаемого чертежа. На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства.
Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем. Устройство для определения местоположения объекта, включает источник лазерного излучения 1, приемник лазерного излучения 2, преобразователь 3 лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором 4 электрического сигнала с вычислительным устройством 5. Устройство дополнительно содержит модулятор 6, соединенный с источником лазерного излучения и обеспечивающий изменение частоты лазерного излучения по пилообразному закону, узел разделения 7 лазерного излучения на две пары составляющих, оптически соединенный с источником лазерного излучения, автоматический переключатель 8, обеспечивающий поочередное включение каждой пары составляющих лазерного излучения, две пары диафрагм 9 для преобразования двух пар составляющих лазерного излучения в рассеянное лазерное излучение, расположенные в одной плоскости, причем приемник рассеянного лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала и вычислительным устройством, расположены на определяемом объекте 10.
Устройство работает следующим образом. В лазере 1 (фиг.1) излучение модулируется при помощи модулятора 6 по пилообразному закону. Базовая частота излучения может быть выбрана в инфракрасном диапазоне, например, 200 ТГц, что соответствует длине волны примерно 1,5 мкм. При этом мы линейно наращиваем частоту на 100 ГГц за 1 мс. В качестве лазера может быть использована модель диодного лазера NEL Laser Diodes, работающего в диапазоне 1290-1360 нм, оптическая выходная мощность 20 мВт.
Лазерное излучение разделяют на две пары составляющих, например с помощью узла разделения 7, выполненного в виде полупрозрачных зеркал или призм и направляют на диафрагмы 9, при этом оптические пути прохождения лазерного излучения от лазера до каждой из пары диафрагм выполняются одинаковыми. В случае если этого нельзя добиться производят калибровку для получения правильного результата. Калибровка может быть выполнена следующим образом - необходимо расположить приемник 2 на срединном перпендикуляре между диафрагмами 9 в каждой паре, измерить приемником разность частот рассеянного лазерного излучения от каждой из диафрагм в паре, и на эту величину в дальнейшем делать поправку при вычислениях, так как в такой ситуации разности частот не должно быть.
При преобразовании каждой из составляющих лазерного излучения из прямого в рассеянное путем пропускания через диафрагмы 9 располагают все диафрагмы в одной плоскости. Две пары диафрагм могут быть образованы как четырьмя диафрагмами, так и тремя, если одна из них будет являться общей для обеих пар.
Приемник 2 рассеянно лазерного излучения располагают на определяемом объекте 10. Производят облучение определяемого объекта рассеянным лазерным излучением от каждой пары диафрагм поочередно при помощи автоматического переключателя 8. Это необходимо поскольку излучение от одной пары диафрагм при данном способе локации не дает однозначного решения. При этом частота переключения рассеянного лазерного излучения от каждой пары диафрагм выбирается из условий обеспечения необходимой точности определения местоположения объекта. Например, при указанных выше параметрах модуляции лазерного излучения, частота переключения между парами источников должна составлять порядка секунды.
С помощью установленного на объекте приемника поочередно принимают суммарные сигналы рассеянного лазерного излучения от каждой пары диафрагм. В качестве приемника может быт использован высокочувствительный скоростной PIN фотодетектор Menlo-Systems FPD310. Спектральный диапазон: 850-1650 нм. Частотный диапазон: 1 МГц - 1.8 Ггц. Максимальная мощность излучения: не более 2 мВт. Время нарастания: 500 пс. Уровень темнового шума: - 90 dBm. Диаметр детектора: около 0.4 мм. Усиление: два режима - около 5*104 В/Вт и 5*102 В/Вт.
Далее сигнал преобразуют в электрические сигналы, например, с помощью фотоэлектрического преобразователя, соединенного с анализатором электрического сигнала и вычислительным устройством. Производят обработку и анализ электрического сигнала, возникающего при воздействии рассеянного лазерного излучения поочередно от каждой пары диафрагм.
В результате анализа обработанного сигнала через определение разности частот от каждой диафрагмы в паре, находится разность расстояний от определяемого объекта до диафрагм, координаты которых известны. Разность расстояний от определяемого объекта до диафрагм задает некую кривую всех возможных расположений объекта на плоскости, имеющей вид гиперболы, на которой находится определяемый объект, при облучении его рассеянным лазерным излучением от одной пары диафрагм. Путем облучения определяемого объекта рассеянным лазерным излучением от второй пары диафрагм, можно определить вторую кривую, также имеющую вид гиперболы, на которой находится определяемый объект и лежащей в ой же плоскости. Точка пересечения этих кривых и дает действительное местоположение определяемого объекта на плоскости.
Заявленное устройство лазерной локации может быть неоднократно изготовлено с применением освоенных современных деталей, узлов, материалов и процессов и может быть использовано для определения местоположения объекта в робототехнике, станкостроении и машиностроении, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию промышленной применимости для промышленной модели.
Предлагаемое устройство для определения местоположения объекта при указанных технических параметрах позволяет значительно повысить точность определения местоположения объекта, в частности рабочего органа станка или манипулятора робота.
Устройство для определения местоположения объекта, включающее источник лазерного излучения определяемого объекта, приемник лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала с вычислительным устройством, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит модулятор, соединенный с источником лазерного излучения и функционально обеспечивающий изменение частоты лазерного излучения по пилообразному закону, узел разделения лазерного излучения на две пары составляющих, оптически соединенный с источником лазерного излучения, автоматический переключатель, обеспечивающий поочередное включение каждой пары составляющих лазерного излучения, две пары диафрагм для преобразования двух пар составляющих лазерного излучения в рассеянное лазерное излучение, расположенные в одной плоскости, при этом приемник рассеянного лазерного излучения, преобразователь лазерного излучения в электрический сигнал, соединенный с анализатором электрического сигнала и с вычислительным устройством, расположены на определяемом объекте.
