Диссертация (1026354), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Назначение отдельной дорожки для каждого битарезультирующего разрешения приводит к дискам большего размера (посравнению с конструкцией инкрементного энкодера) и соответствующемуснижениюдопустимогоотклоненияприудареивибрации.Каждаядополнительная дорожка энкодера удваивает разрешение, но учетверяетстоимость датчика.Выходнымсигналомабсолютногоэнкодераявляетсясоответствующий положению (углу поворота) вала.Схема абсолютного энкодера представлена на Рисунке 1.15.Рисунок 1.15.
Принцип действия абсолютного энкодеракод,35Джойстики, построенные на основе энкодеров, по своей конструкцииидентичны потенциометрическим, описанным в разделе 1.2.1. Отличие отпотенциометрических заключается в том, что вместо переменных резисторов вджойстиках используются абсолютные энкодеры.Преимуществами таких джойстиков являются:- высокийресурс(миллионыциклов),ограниченныйтолькомеханической частью;- отсутствиеаналого-цифровогопреобразования,чтоупрощаетэлектронную схему и повышает точность выходного сигнала;- полностью линейная функция преобразования джойстика.Основным недостатком является то, что для обеспечения высокогоразрешения необходим диск с большим числом дорожек и большое количествофотоприемников.
Для этого необходимо либо увеличение размеров диска и,соответственно, энкодера, либо более точное изготовление и применениесфокусированных оптических элементов. Все это приводит к высокой ценеджойстика на базе энкодеров. Кроме того, это ограничивает минимальныйразмер джойстиков и исключает построение микроджойстиков на данномпринципе.Вторымвидомоптическихджойстиковявляютсяджойстики,построенные на измерении интенсивности светового излучения.Наиболее известным представителем таких джойстиков являетсяMicrosoft Sidewinder [43].
Он представляет собой джойстик обычного размера,управляемый рукой. На внутреннем конце управляющей рукоятки джойстиказакрепленыдвалазерныхсветодиода,обеспечивающихопределениеотклонения рукоятки по осям X и Y, а также светодиод ползунка управлениятягой. На печатной плате, находящейся напротив внутреннего конца рукоятки,расположен оптический сенсор, регистрирующий интенсивность света отсветодиодов. Фотография джойстика в разобранном виде представлена наРисунке 1.16.36Рисунок 1.16.
Оптический джойстик Microsoft Sidewinder: 1 – оптическийсенсор, 2 – лазерные светодиоды положения рукоятки по осям X и Y, 3 –светодиод ползункаИзвестны оптические джойстики, построенные на основе измеренияинтенсивности излучения, например, по патентам US 5694153, 4459022,6130424, 6222179, 5223709, 5578817, 6218659, 6740863, 7633047, GB 2334573 A,25.08.1999, RU 2087029 C1, 10.08.1997, RU 2233489 С2, 27.07.2004, RU 229574913.07.2005 и т.п.Патенты США № 4459022, 6130424, 6222179 и др. раскрываютволоконно-оптическиеджойстикиилидатчики,содержащиенесколькооптических кабелей, один из которых соединен с источником света, аостальные с приемниками света. Ручка джойстика соединена с зеркалом, накоторое направлено волокно, соединенное с источником света. При измененииугла наклона ручки луч света от зеркала отражает его на остальные четыреоптических кабеля, по которым он направляется на приемники излучения илипреобразуется в управляющий сигнал.37Патент США № 5223709 от 29.06.1993 г раскрывает оптическийджойстик, содержащий соединенныйс ручкой управленияджойстикаоптический шар, на поверхности которого нанесена серая кодирующая шкала,модулирующая интенсивность излучения источника света направленного нашар, и приемника света (фотодиода), принимающего оптическийсигнал,модулированный серой кодирующей шкалой.Патент США № 6218659 В1 от17.04.2001 г раскрывает оптическийтрекбол, в котором шар, покрытый сложным узором или рельефом, освещаетсясветодиодом, а датчик изображения вырабатывает управляющие сигналы взависимости от угла поворота шара.В патенте США 5578817 от 26.11.1996 г описано устройство "Pointingdevice utilizing a photodetector array and controlled by a human finger contacting aprism" в котором применяется массив фотодетекторов, для определениядвижения человеческого пальца и выработки управляющих сигналов.В патенте РФ №2295749 от 13.07.2007 г описан [42] оптическийджойстик который содержит корпус, подвижную деталь с двумя или болеестепенями свободы, один или более источников излучения, формирующих намногоэлементномфотодетектореосвещенныеобласти,местоположениекоторых однозначно соответствуют положению подвижной детали, причемисточники излучения и фотодетектор расположены неподвижно и оптическисвязаны друг с другом через зеркало или систему зеркал, расположенных наподвижной детали, детали подвижного соединения выполнены упругими,возвращающими подвижную деталь в начальное положение.СхемаРисунке 1.17.джойстикапопатентуРФ№2295749представленана38Рисунок 1.17.
Оптический джойстик по патенту РФ №2295749В патенте США 7633047 от 15 декабря 2009 года раскрыт модульоптического датчика, содержащий печатную плату, датчик изображения иобъектив, расположенный на верхней поверхности клавиатуры и один илиболее источников света, расположенных вокруг датчика изображения.Палец, приложенный к объективу, освещается источниками света.Отраженное изображение фокусируется объективом на датчике изображения.Обрабатывая сигналы датчика изображения по специальным алгоритмам,оптический модуль определяет направление движения пальца, приложенного кобъективу, и вырабатывает управляющие сигналы.В патенте США № 6,740,863 от 25 мая 2004 г.
по которому джойстиксодержиткорпус,источникисвета,расположенныенапротивнихфотоэлектрические преобразователи и управляющую рукоятку, соединеннуюкарданно-шарнирным механизмом, преобразующим механическое отклонениеуправляющей рукоятки в угол поворота двух отражающих поверхностей,39которые в свою очередь выдвигаясь или задвигаясь между источником иприемником света модулирует изменяющийся по интенсивности световойпоток,которыйпреобразуетсяфотоэлектрическимпреобразователемвуправляющий сигнал.Недостатками описанных оптических джойстиков является излишняясложность конструкции, определяющая их высокую стоимость.Например, в оптических джойстиках, которые используют массивфотодиодов или датчик изображения приходится использовать достаточнодорогие высокоточные линзы, которые к тому же быстро затираются пальцамии выходят из строя.1.2.5 Сравнение различных типов джойстиковДонедавнеговременирезистивныедатчики,применяемыевустройствах ввода/вывода информации, сохраняли лидирующие позиции нарынке.
Это было обусловлено преимуществами потенциометрических датчиков– низкой стоимостью и малыми размерами чувствительных элементов. Однако,в связи с тем, что существует непосредственный механический контакт датчикас подвижными частями, управляемыми пользователем, износоустойчивостьдатчиков была не высока.В ответ на растущие требования надежности, с целью уменьшенияизносасовременныедатчикистремятсяиспользоватьбесконтактныеконструкции, в которых электрическая и механическая части физическиотделеныдруготдруга.Ктакимдатчикамотносятсяемкостные,индукционные, оптические, магнитные, магниторезистивные датчики и датчикиХолла. Джойстики на основе потенциометров и оптических датчиков имеютнизкую степень интеграции и все меньше отвечают современным тенденциямразвития электронных устройств ввода/вывода информации.
Технологии40тензорезистивных, магниторезистивных датчиков и магнитных датчиков Холлапозволяют реализовать джойстики минимального объема (порядка 5-15 мм3).Таблица 1.3.Сравнение методов построения джойстиковМагниторезистивныйНа эффекте ХоллаНа энкодереОптический сенсорНелинейность, %Температурнаячувствительность, %/°CВыходпервичногосигналаМеханическая системаЧувствительность кмагнитнымполямЧувствительность квибрациям иударамТензорезистивныйТиппреобразованияРезистивныйПараметрперемещение >активноесопротивлениедеформация >активноесопротивлениеперемещение >активноесопротивлениеперемещение >ЭДСсвет.поток >цифровой кодсвет.поток >ЭДС1…31…30,1…4,00,1…4,000,050,050,050,070,03…0,070,010,05аналоговыйаналоговыйаналоговыйаналоговыйцифровойаналоговыйданетда/нетда/нетдада/нетнетнетдаданетнетнетнетнетнетданет41Таблица 1.3 (окончание).Ресурс,операций(нажатий)СтоимостьВозможностьпостроения министика,управляемогопальцамиТензорезистивныйМагниторезистивныйНа эффектеХоллаНа энкодереОптическийсенсорДрейфхарактеристикРезистивныйПараметрСравнение методов построения джойстиковбыстрыймеханическийизносмеханическийизносразмагничиваниемагнитовразмагничиваниемагнитовнетнет564510 – 1010 - 10низкаянизкаядада910101071010высокаяоченьвысокаявысокаяданет(большиегабариты)да10средняяда910Из анализа данных в Таблице 1.3 можно сделать вывод, что наиболееперспективным методом построения джойстиков пальчиковых размеров(микроджостиков, министиков) является применение оптического сенсора.Оптические джойстики имеют высокий ресурс, не имеют механическиизнашивающихся частей, дрейфа характеристики, не чувствительны кмагнитным полям и ударам, имеют высокую точность выходного сигнала.Использованиеоптическогосенсорапозволяетпостроитьоптическиеминистики, управляемые пальцами руки.Однако, современные оптические микроджостики обладают рядомсущественных недостатков.
В них используются дорогостоящие оптическиесенсоры, а также сложная механическая система модуляции светового сигнала.42Это снижает надежность и ресурс таких джойстиков, технологичность впроизводстве и увеличивает цену. Поэтому можно сделать вывод онеобходимости работ по созданию оптических джойстиков, не имеющихподобных недостатков.1.3 Формулировка задачи исследованияВ качестве альтернативы современным джойстикам, предназначеннымдля ввода информации в системы управления, могут быть примененыоптические министики на основе приемников и излучателей, использующиеупругодеформируемый полимерный элемент.Наиболее близкими по принципу действия к предлагаемым министикамявляются джойстики, описанные в патенте США № 6,740,863 от 25 мая 2004 г.Отличиепредполагаетсяотражающихзеркалвзаменемеханическойупругодеформируемымсистемыполимернымповоротаэлементом,представляющим из себя накладку со светоотражающей поверхностью,выполненную за одно целое с управляющей рукояткой.Для определения сигнала министика – координат X и Y – вместоиспользованиясложныхидорогихфотодетекторовпредполагаетсяиспользовать излучатель (светодиод, лазер) и фотоприемники (фотодиоды,фоторезисторы), построив на их основе аналоги резистивных плеч полимерныхтензорезистивных микроджойстиков.
Возможен противоположный вариант, сиспользованием общего фотоприемника и нескольких излучателей света.Концепция оптических министиков на основе упругодеформируемогополимерногоэлементапредложенакомпаниейНПП«Тензосенсор»,запатентовавшей два типа оптических министиков.Первый тип – это министики с общим источником света и несколькимифотоприемниками (заявка на изобретение №2013112435 от 19.03.2013Оптический джойстик).43Второй тип – это министики с общим фотоприемником и несколькимиисточниками света (заявка на изобретение №2015102388/08 от 26.01.2015).Предлагаемые министики потенциально обладают целым наборомновыхфункциональныхтехнологичностью,возможностейвысокимресурсом,–полиморфностью,миниатюрностью,высокойсниженнымимассогабаритными характеристиками, низкой стоимостью.Целью исследования является разработка министиков с наилучшимиэксплуатационными параметрами, превосходящими параметры существующихмоделеймикроджойстиков.Наоснованиианализасуществующихмикроджойстиков можно сформулировать основные параметры для новыхоптических министиков, представленные в Таблице 1.4.Таблица 1.4.Основные параметры новых оптических министиковПараметрЗначениеГабаритные размеры, не более20×20×20 ммМасса, не более5гРабочий ход рукоятки-5..+5 ммМинимальная чувствительность0,1 ммРазрешение, не менее30 знач/ммНелинейность, не более10%Погрешность определения положения рукоятки, не 3%болееРесурс, не менее2 млн.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
