Устройство для определения расстояний

 

Изобретение относится к измерениям и может быть использовано при быстрой (в темпе измерения) обработке результатов большого числа измерений, когда невозможно проводить накопление большого количества информации (нескольких чисел для вычисления координаты одной точки), а желательно получать результат в виде одного числа - каждой точке соответствует одно измерение и одно число (результат). Например, при обмерах сложных геометрических поверхностей, где для описания поверхности необходимо получить координаты десятков тысяч точек, в оптических системах распознавания объектов с последующим вводом результатов измерения в ЭВМ и других. В устройстве происходит оценка светового потока, попадающего на часть элементарной ячейки линейного фотоприемника. Устройство для определения расстояний содержит тактовый генератор, линейку фотоприемников, элементы ИЛИ, элемент задержки, (n + 1)-й элемент И, (n + 2)-й элемент И, триггер, делитель на два, счетчик, блок эталонных напряжений, первый компаратор, n-й компаратор, первый элемент И, n-й элемент И, первый элемент ИЛИ, источник света. Устройство позволяет повысить точность измерения за счет оценки уровня сигнала с каждого элемента фотоприемника. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим средствам измерения расстояний посредством определения количества пикселей линейки фотоприемников до середины светового пятна, и может быть использовано при обмерах сложных геометрических поверхностей, таких, как голень, бедро человека, при протезировании в медицине, контроле формы изделий в машиностроении и других отраслях.

Известны оптические системы для измерения размеров. Известна оптическая система, содержащая решетки фотоприемников и блоки перевода информации в цифровую форму, в которых определяется число фотоприемников, воспринимающих изображение [1].

Однако точность системы определяется количеством фотоприемников в решетке, число которых не всегда может быть увеличено до необходимого уровня.

Известно оптическое бесконтактное устройство для измерения размеров - прототип [2] . В данном устройстве происходит определение линейного размера какого-либо тела. Устройство содержит источник света, его электронная часть содержит фотоприемники, соединенные с усилителями, элементами И, одноразрядными регистрами, тактовым генератором, элементами ИЛИ и счетчиком. В устройстве-прототипе измеряемый объект освещают световым пучком, а тень проецируют на линейку фотоприемников. Число приемников, попадающих в тень в любой момент времени, является мерой размера тела и усредняется за некоторый интервал времени.

Однако прототип при однократном измерении позволяет получить точность, определяемую целым количеством пикселей линейки фотоприемника. Частичное повышение точности в нем возможно только при многократном повторении измерений с последующим усреднением результатов последних, до и то, только при наличии самопроизвольных колебаний измеряемого объекта. Такое повышение точности во многих случаях неприемлемо или совсем невозможно, например в случае ограниченного времени измерения и большого объема обработки информации.

Задача изобретения - повышение точности измерения за счет оценки уровня сигнала с каждого элемента фотофоприемника.

Эта задача достигается тем, что в устройство, содержащее источник света, линейку фотоприемников, счетчик, тактовый генератор, 1-й - n-й выходы которого соединены с первыми входами 1-го - n-го элементов И, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, (n+1)-й и (n+2)-й элементы И, дополнительно введены второй и третий элементы ИЛИ, триггер, элемент задержки, делитель на два, n компараторов и блок эталонных напряжений, при этом (n+1)-й выход тактового генератора соединен с управляющим входом линейки фотоприемников, выход которой соединен с прямыми входами компараторов, инверсные входы которых соединены с соответствующими выходами блока эталонных напряжений, а выходы - с вторыми входами, соответственно, 1-го - n-го элементов И, 1-й - n-й выходы тактового генератора через второй элемент ИЛИ и элемент задержки соединены с первым входом (n+1)-го элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, а выход последнего соединен с входом счетчика, выходы которого являются выходной шиной устройства, выход первого элемента ИЛИ соединен с вторым входом (n+2)-го элемента И и синхровходом триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом (n+1)-го элемента И, а прямой выход - с первым входом (n+2)-го элемента И, выход которого через делитель на два соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и является младшим разрядом - выходной шиной устройства, код которой определяет измеряемое расстояние.

На чертеже приведена блок-схема устройства для определения расстояний, где 1 - тактовый генератор; 2 - линейка фотоприемников; 3 - второй элемент ИЛИ; 4 - элемент задержки; 5 - (n+1)-й элемент И; 6 - триггер; 7 - (n+2)-й элемент И; 8 - третий элемент ИЛИ; 9 - делитель на два; 10 - счетчик; 11 - блок эталонных напряжений; 12 - первый компаратор; 13 - n-й компаратор; 14 - первый элемент И; 15 - n-й элемент И; 16 - первый элемент ИЛИ; 17 - источник света.

Устройство для определения расстояний содержит источник света 17, тактовый генератор 1. линейку фотоприемников 2, второй элемент ИЛИ 3, элемент задержки 4, (n+1)-й элемент И 5, триггер 6, (n+2)-й элемент И 7, третий элемент ИЛИ 8, делитель на два 9, счетчик 10, блок эталонных напряжений 11, первый 12 - n-й 13 компараторы, первый 14 - n-й 15 элемент И, первый элемент ИЛИ 16. При этом 1-й - n-й выходы тактового генератора 1 соединены с первыми входами 1-го 14 - n-го 15 элементов И, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ 16, (n+1)-й выход тактового генератора 1 соединен с управляющим входом линейки фотоприемников 2, выход которой соединен с прямыми входами 1-го 12 - n-го 13 компараторов. Инверсные входы 1-го 12 - n-го компараторов соединены с соответствующими выходами блока эталонных напряжений 11, а выходы - с вторыми входами, соответственно, 1-го 14 - n-го 15 элементов И. 1-й - n-й выходы тактового генератора 1 через второй элемент ИЛИ 3 и элемент задержки 4 соединены с первым входом (n+1)-го элемента И 5, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ 8, а выход последнего соединен с входом счетчика 10. Выходы счетчика 10 и выход делителя на два 9 являются выходной шиной устройства, код которой определяет измеряемое расстояние. Выход первого элемента ИЛИ 16 соединен с вторым входом (n+2)-го элемента И 7 и синхровходом триггера 6, инверсный выход которого соединен с вторым входом (n+1)-го элемента И 5, а прямой выход - с первым входом (n+2)-го элемента И 7. Выход (n+2)-го элемента И 7 через делитель на два 9 соединен с вторым входом третьего элементам ИЛИ 8.

Устройство работает следующим образом. Для наглядности следует считать, что все элементы памяти (триггер, счетчик и делитель на два) находятся в нулевом состоянии. Луч света от источника света 17 попадает на линейку фотоприемников 2, образуя на ней световое пятно с четкими границами. При этом каждому положению светового пятна на линейке фотоприемников 2 соответствует строго определенное расстояние от исходной точки до измеряемой точки поверхности. Пусть, например, в результате измерения были засвечены L - (L+d) ячейки линейки фотоприемников 2. Такты t1... tn с выходом тактового генератора 1 будут поступать на входы второго элемента ИЛИ 3 и первые входы первого 14 - (n)-го 15 элементов И. Так как первая ячейка линейки фотоприемников 2 не содержит заряда (выходное напряжение равно нулю), то на прямые входы компараторов 14 - 15 поступит нулевое напряжение и на их выходах будет низкий уровень, который не разрешит первому 14 - (n)-му 15 элементам И пропустить такты t1. ..tn на входы первого элемента ИЛИ 16. Они будут поступать только на входы второго элемента ИЛИ 3 и, пройдя через него, элемент задержки 4, поступят на первый вход (n+1)-го элемента И 5, на втором входе которого присутствует высокий уровень с инверсного выхода триггера 6. Этот уровень позволит пройти тактам через (n+1)-й элемент И 5 на первый вход третьего элемента ИЛИ 8 и далее на вход счетчика 10. В результате все n тактов будут подсчитаны счетчиком 10. После этого такт t(n+1) с (n+1) выхода тактового генератора 1 поступит на управляющий вход линейки фотоприемников 2. В результате этого на выход линейки фотоприемников 2 поступит содержимое второй ячейки, нулевой уровень напряжения с которой поступит на прямые входы компараторов 14 - 15. Новая серия тактов t1... tn также пройдет через второй элемент ИЛИ 3, элемент задержки 4, (n+1)-й элемент И 5, третий элемент ИЛИ 8 и будет подсчитана счетчиком 10. Так будет продолжаться до первой "засвеченной" ячейки фотоприемников 2. Пусть, например, в ячейке L будет накоплен такой заряд, что напряжение с выхода линейки фотоприемников 2 окажется достаточным для срабатывания k старших из n компараторов. Тогда после того, как содержимое L ячейки окажется на выходе линейки фотоприемников 2 и, соответственно, на входах всех компараторов, на выходе (n-k+1)-го - (n)-го 13 компараторов появится высокий уровень, который поступит, соответственно, на входы (n-k+1)-го - (n)-го 15 элементов И. В результате первый такт t1 поступит на вход второго элемента ИЛИ 3 и первый вход первого элемента И 14 пройдет через второй элемент ИЛИ 3 и не пройдет через первый элемент И 14, ..., такт t(n-k+1) пройдет через (n-k+1)-й элемент И (так как на его втором входе есть разрешающий высокий уровень) на вход первого элемента ИЛИ 16 и через него на синхровход триггера 6. В результате последний перейдет в единичное состояние. Низкий уровень с его инверсного выхода поступит на второй вход (n+1)-го элемента И 5 и запретит ему пропускать такты, начиная с (n-k+1)-го, через свой первый вход. А высокий уровень с прямого выхода триггера 6 поступит на первый вход (n+2)-го И 7 и разрешит ему пропускать такты, начиная с (n-k+1)-го, с выхода первого элемента ИЛИ 16 на вход делителя на два 9. С его выхода через один они будут поступать на второй вход третьего элемента ИЛИ 8 и далее на вход счетчика 10. В следующих ячейках линейки фотоприемников 2, кроме последней "засвеченной", должны быть заряды, обеспечивающие срабатывание всех n компараторов. В результате все такты пройдут через делитель на два 9 и будут подсчитаны счетчиком 10. После окончания "засвеченных" ячеек в линейке фотоприемников 2 на входы компараторов 12 - 13 будет поступать нулевой уровень и компараторы блокируют 1-й - n-й элементы И 14 - 15, в результате чего такты с выхода тактового генератора 1 не будут поступать на вход счетчика 10. В счетчике 10 будет записано число, определяющее расстояние от начала линейки фотоприемников 2 до середины светового пятна, а с выхода делителя на два 9 может быть получен дополнительный разряд, в котором будет остаток от деления (единица в случае нечетного числа тактов "выделенных" световым пятном). Данное расстояние выразится как (n(L-1)+(n-k)+{k+n(d-1)+f}/2, где f - количество сработавших компараторов при обработке состояния L+d ячейки линейки фотоприемников 2.

Как видно из описания работы устройства, положительный эффект заключается в том, что при обработке результатов измерений может быть достигнута точность до долей пикселя при однократном измерении. По сравнению с устройствами, в которых оценивается наличие освещенных элементов линейки фотоприемника без определения уровня получения сигнала, точность возрастает в n раз, так как каждой полностью освещенной ячейке линейки фотоприемника 2 соответствует n импульсов, поступающих в счетчик 10, по сравнению с одним импульсом в прототипе, и поэтому число, определяющее расстояние, возрастает в n раз.

Предлагаемая совокупность признаков в известных публикациях не встречалась для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

В качестве элементов для реализации устройства можно использовать логические элементы цифровых микросхем любых серий, например 564 и т.д. Параметры элемента задержки 4 выбираются из следующего условия: такты с выходов тактового генератора 1 при наличии высокого разрешающего уровня на выходе любого из компараторов 12 - 13 должны проходить через элемент И (1-й - n-й) 14 - 15, первый элемент ИЛИ 16, триггер 6 на второй вход n+1-го элемента И 5 быстрее, чем на первый вход этого элемента через цепочку: второй элемент ИЛИ 3, элемент задержки 4. А верхняя граница задержки не должна превышать время между следованием соседних тактов с выходов тактового генератора 1. В качестве линейки фотоприемника 2 может быть применен любой фотоприемник, в котором выходной сигнал (напряжение) каждой ячейки пропорционален световому потоку, попадающему на данную ячейку, это необходимо для того, чтобы выходной сигнал с "засвеченной" ячейки не полностью был пропорционален площади "засветки" (длине освещенной части ячейки), например прибор с зарядовой связью типа K1200ЦЛ1. По каждому импульсу, поступающему на управляющий вход линейки фотоприемника 2, должен проходить последовательный сдвиг содержимого ячеек на выход линейки фотоприемника 2. Уровни порогов блока эталонных напряжений 11 должны выбираться из условия получения линейной зависимости между световым потоком, попадающим на ячейки линейки фотоприемника 2, и количеством сработавших компараторов. Тактовый генератор 1 аналогичен примененному в прототипе.

Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы освещенность внутри (как в центре, так и на краях) светового пятна была равномерной и превышала уровень, при котором срабатывает первый компаратор, на величину, меньшую, чем уровень срабатывания n-го компаратора. В связи с тем, что схема имеет структурный характер, на ней не отражены цепи приведения ее в исходное состояние перед очередным циклом преобразования. Для обнуления элементов памяти можно использовать, например, t(n+1)-й такт. По этой причине не показана организация работы линейного фотоприемника, так как схема управления зависит от выбора конкретного фотоприемника.

Формула изобретения

Устройство для определения расстояний, содержащее источник света, линейку фотоприемников, счетчик, тактовый генератор, первый - n-й выходы которого соединены с первыми входами первого - n-го элементов И, выходы которых соединены с входами первого элемента ИЛИ, (n+1)-й и (n+2)-й элементы И, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены второй и третий элементы ИЛИ, триггер, элемент задержки, делитель на два, n компараторов и блок эталонных напряжений, при этом (n+1)-й выход тактового генератора соединен с управляющим входом линейки фотоприемников, выход которой соединен с прямыми входами компараторов, инверсные входы которых соединены с соответствующими выходами блока эталонных напряжений, а выходы - с вторыми входами соответственно первого - n-го элементов И, первый - n-й выходы тактового генератора через второй элемент ИЛИ и элемент задержки соединены с первым входом (n+1)-го элемента И, выход которого соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, а выход последнего соединен с входом счетчика, выходы которого являются выходной шиной устройства, выход первого элемента ИЛИ соединен с вторым входом (n+2)-го элемента И и синхровходом триггера, инверсный выход которого соединен с вторым входом (n+1)-го элемента И, а прямой выход - с первым входом (n+2)-го элемента И, выход которого через делитель на два соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ и является младшим разрядом выходной шины устройства, код которой определяет измеряемое расстояние.

РИСУНКИ

Рисунок 1