Диссертация (1026354), страница 6
Текст из файла (страница 6)
нажатийЧисло деталейне более 10Для решения поставленной задачи необходимо:- исследовать принцип действия оптического министика;44- разработать математическую модель министика;- наосновепостроенноймоделипровестикомпьютерноемоделирование министика с разными сочетаниями конструктивных параметрови определить оптимальные;- на основании моделирования разработать усовершенствованнуюконструкцию министиков;- технически реализовать оптические министики;- разработать метод исследования эксплуатационных характеристикоптических министиков и экспериментальное оборудование для исследования;- произвестиэкспериментальноеисследованиеэксплуатационныххарактеристик оптических министиков;- экспериментально проверить модель на адекватность, сравнивэкспериментальные данные с расчетными, полученными на основе модели;- произвестиэкспериментальноеисследованиеэксплуатационногоресурса министиков, для чего разработать метод исследования и специальноеоборудование;- проанализировать результаты эксперимента и при необходимостивнести изменения в конструкцию для повышения эксплуатационного ресурса.- определитьоптимальныеэксплуатационныехарактеристикиразрабатываемого министика и разработать рекомендации по проектированиюи расчету промышленных образцов министиков различного назначения.1.4 Выводы по первой главеРезультаты первой главы диссертации заключаются в следующем:- проведен анализ методов построения джойстиков и устройств, ихреализующих;- определены преимущества и недостатки существующих методов иджойстиков на их основе;45- сформулированы задачи исследования, заключающиеся в разработкематематическоймоделиоптическихминистиков,проверкемоделинаадекватность, определении оптимальных параметров конструкции оптическихминистиков, технической реализации оптических министиков, разработкеметодов и оборудования для исследования эксплуатационных характеристик иресурсаоптическихминистиков,экспериментальномисследованииэксплуатационного ресурса и доработке конструкции с целью его повышения,разработкерекомендацийпопроектированиюразличного назначения и их внедрению.оптическихминистиков46ГЛАВА 2.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХМИНИСТИКОВ2.1 Анализ принципа действия оптических министиковИсследование работы цифровых оптических министиков на основеупругодеформируемых элементов производилось с использованием рабочегопрототипа оптического министика на основе SMD-компонентов, внешний видкоторого показан на Рисунке 2.1.Рисунок 2.1 – Прототип цифрового министика на основеупругодеформируемого элемента и SMD-компонентовДля изучения функционирования министика его упругодеформируемыйэлемент был разрезан. В таком виде министик был установлен на специальныйстенд, позволяющий задавать необходимые отклонения ручки и производитьфотосъемку формы светоотражающей поверхности.Результатынаблюденияхарактера деформацииповерхности министика показаны на Рисунках 2.2, 2.3, 2.4.светоотражающей47Рисунок 2.2.
Характер деформации светоотражающей поверхности министикапри отклонении рукоятки из левого крайнего положения в правоеРисунок 2.3. Форма светоотражающей поверхности при среднем и крайнемположении рукоятки министика48Рисунок 2.4. Форма светоотражающей поверхности при крайнем положениирукоятки министикаАнализ деформации светоотражающей поверхности показывает, что впределах рабочих диапазонов отклонения рукоятки министика с определеннойстепенью точности можно считать деформацию светоотражающей поверхности(СОП)несущественнойи,впервомприближении,припостроенииматематических моделей оптических министиков можно пренебречь учетомдеформаций СОП и считать ее жесткой и плоской.
Деформация ручки неоказывает существенного влияния на характер деформации СОП, поэтому ееможно считать жесткой. Следовательно, можно приближенно считать, чторукоятка министика жестко соединена со светоотражающей поверхностью подуглом 90º и как бы качается на мнимой оси. При этом луч света от источниковперемещается от одного фотоприемника к другому.Известнодватипаоптическихминистиковнаосновеупругодеформируемых полимерных элементов (Рисунок 2.5):1) Первый тип – это министики с общим источником света инесколькими фотоприемниками (заявка на изобретение №2013112435 от19.03.2013 Оптический джойстик).492) Второй тип – это министики с общим фотоприемником инесколькими источниками света (заявка на изобретение №2015102388/08 от26.01.2015).Рисунок 2.5. Оптическая схема министиков с общим источником света (слева) иобщим приемником света (справа): 1 - печатная плата; 2 - корпус; 3 упругодеформируемый элемент; 4 - управляющая рукоятка;5 - источник света;6- фотоэлектрический преобразователь; 9 - светоотражающая поверхностьРисунок 2.6.
Ход лучей в разных схемах министиков с общим источником света(справа) и общим приемником света (слева) создает примерно одинаковыйуровень освещенности фотоприемников при одинаковом угле наклона ручки50Несмотря на различные направления распространения света, отисточника к приемникам или от приемника к источникам, интегральноеколичествосвета,попадающеенаприемникиминистиков,остаетсянеизменным. На Рисунке 2.6 показано, что независимо от направления светаколичестволучей,попадающихнафотоприемникиприодинаковыхположениях ручки практически одинаково, что в основном подтверждаетсяэкспериментальными исследованиями. Характеристики министиков разныхтипов в интегральном отношении близки, отличия возникают при аппаратнойреализации, за счет чего можно улучшить эксплуатационные характеристикиминистиков.Изотропность светового потока в разных оптических схемах министиковпозволяет распространить результаты теоретических исследований на оба типаминистиков, так как независимо от направления света физическая картина егораспространения в условиях министиков остается одинаковой.2.2 Математическая модель цифрового оптического министикаДля создания математической модели министика необходимо учестьограничения, образуемые особенностями устройства оптических министиков.Материаломупругодеформируемогоэлемента(УДЭ)являютсяэластичные полимеры, пригодные для литья в форму под давлением.
Наиболеепростойидолговечнойконструкциейсветоотражающейповерхностиупругодеформируемого элемента является выполнение ее заодно с УДЭ из тогоже материала. Поверхность используемых материалов является матовой – тоесть размер шероховатостей поверхности уже настолько велик, что падающийлуч рассеивается во все стороны. Таким образом, отражение света отсветоотражающей поверхности является диффузным, а зеркальное отражениесоставляет незначительную часть и может не учитываться.Для создания математической модели введем следующие допущения:51отраженный от светоотражающей поверхности свет образует наповерхности с оптоэлектронными элементами пятно, освещенность в которомраспределяется по нормальному закону;рукоятка министика жесткая и не деформируется при нажатии;рукоятка министика отклоняется в плоскости расположенияфотоприемников;рукоятка министика соединена со светоотражающей поверхностью(СОП) под углом 90º и качается на мнимой оси так, что луч света перемещаетсяот одного фотоприемника к другому;распространение света в системе линейное;источник света точечный.Оптическая схема министика представлена на Рисунке 2.7.Рисунок 2.7.
Оптическая схема министикаПринятые обозначения величин приведены в Таблице 2.1.52Таблица 2.1.Величины и их обозначенияВеличинаОбозначениеВысота рукоятки министика,HрУгол отклонения рукоятки министикаαНормированный направляющий векторрукояткиОтклонение рукоятки министика пооси XЭнергетическая освещенностьФункция плотности энергетическойосвещенности(Hx, Hy)Примечания√L или HxEefEРасстояние от оси симметриисоответствует мат.светодиода до центра светового пятна,ожиданию функцииобразованного отраженным лучом н൫рабочей» поверхностиэнергетическойосвещенности вотраженном лучеРасстояние от излучателя досветоотражающей поверхности (СОП)hkВысота светодиода над «рабочей»поверхностьюРасстояние между центрами светодиодаи фотодиодаРадиус фотодиодаВыходной электрический сигнал вмомент времени tСигнал с фотоприемникаReverseLightCurrentrorфд532.2.1 Модель однокоординатного министикаНа Рисунке 2.8 показан вид функции плотности энергетическойосвещенности fE фотоприемника оптического министика с общим излучателемприцентральномположениирукоятки.Приэтомсветоотражающаяповерхность располагается параллельно плоскости, в которой расположеныисточники и приемники излучения.
При отклонении рукоятки на заданноерасстояние, происходит смещение распределение интенсивности света воптической системе министика.Рисунок 2.8. Функция плотности энергетической освещенности fEУгол наклона рукоятки определяется по отношению величиныотклонения рукоятки Hx к ее длине Нр(2.1)откуда( ).(2.2)54Так как угол падения равен углу отражения, смещение отраженного лучав оптической камере можно вычислить по известной высоте оптической камерыhk(2.3).Подставляя выражение для вычисления угла наклона светоотражающейповерхностив виде (2.2) получим(( )).(2.4)После проведения преобразований тангенса угла и подстановки,получим:√(√.(2.5))Рисунок 2.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
