Диссертация (Цифровые оптические министики на основе упругодеформируемых полимерных элементов)

ФГБОУ ВО РЫБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. А. СОЛОВЬЕВАНа правах рукописиГолубин Сергей АлександровичЦИФРОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МИНИСТИКИ НА ОСНОВЕУПРУГОДЕФОРМИРУЕМЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВСпециальность 05. 13. 05 – Элементы и устройства вычислительной техники исистем управленияДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководителькандидат технических наук,доцент А. Н. ЛомановРыбинск – 20172СодержаниеСтр.ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………..5ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ДЖОЙСТИКОВ, АНАЛИЗ ИХКОНСТРУКЦИЙ И ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХЭЛЕМЕНТОВ ДЖОЙСТИКОВ………………..............................................91.1 Типы манипуляторов для ввода информации и предъявляемые к нимэргономические требования………………………………………………….91.2 Анализ методов построения джойстиков и устройств, ихреализующих………………………………………………………………….191.2.1 Потенциометрические джойстики…………………………………….191.2.2 Тензорезистивные джойстики……………………………………........251.2.3 Джойстики на основе магнитных чувствительных элементов………291.2.4 Оптические джойстики…………………………………………………331.2.5 Сравнение различных типов джойстиков…………………………….391.3 Формулировка задачи исследования ……………………………………421.4 Выводы по первой главе………………………………………………….44ГЛАВА 2.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХМИНИСТИКОВ………………………………………...................................462.1 Анализ принципа действия оптических министиков…………………..462.2 Математическая модель цифрового оптического министика…………502.2.1 Модель однокоординатного министика………………………………532.2.2 Трехмерная математическая модель двухкоординатногооптического министика………………………………………………………572.2.3 Расчет выходного сигнала министиков с разным числомфотоприемников………………………………………………………………712.3 Исследование влияния деформации упругодеформируемогоэлемента……………………………………………………………………….763Стр.2.4 Выводы по второй главе……………………………………………........78ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И АЛГОРИТМОВФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ МИНИСТИКОВ, МЕТОДОВИ АЛГОРИТМОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКОПТИЧЕСКИХ МИНИСТИКОВ……………………………………………803.1 Разработка структуры и алгоритмов работы оптическогоминистика……………………………………………………………………..803.1.1 Разработка структуры оптического министика………………………803.1.2 Разработка алгоритмов функционирования оптическогоминистика…………………………………………………………………….833.2 Разработка алгоритмов работы полиморфного переключателя………873.3 Разработка методов исследования эксплуатационных характеристикоптических министиков……………………………………………………..933.3.1 Метод исследования функции преобразования министика………….933.3.2 Метод исследования эксплуатационного ресурса министика……….973.4 Выводы по третьей главе…………………………………………………100ГЛАВА 4.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХМИНИСТИКОВ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ НА ИХОСНОВЕ……………………………………………………………………….1014.1 Техническая реализация оптических министиков……………………..1014.2 Разработка оборудования для экспериментального исследованияхарактеристик оптических министиков……………………………………..1034.2.1 Разработка оборудования для исследования функциипреобразования оптических министиков……………………………………1034.2.2 Разработка оборудования для исследования эксплуатационногоресурса оптических министиков…………………………………………….1104Стр.4.3 Экспериментальное исследование характеристик оптическихминистиков…………………………………………………………………….1154.4 Проверка математической модели на адекватность……………………1224.5 Исследование эксплуатационного ресурса оптических министиков….1284.6 Применение оптических министиков в средствах управлениятехникой………………………………………………………………….........1304.6.1 Разработка полиджойстиков на основе оптических министиков……1304.6.2 Разработка программного обеспечения полиджойстиков дляиспользования в качестве устройства ввода вычислительной техники…..1324.7 Выводы по четвертой главе………………………………………………134ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………..137СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….......140Приложение …………………………………………………………………...1505ВВЕДЕНИЕСовременная робототехника и БПЛА становятся все более сложными.Дляуправленияимитребуютсянадежные,компактныеимногофункциональные устройства ввода.

Традиционные устройства ввода –тумблеры, переключатели, регуляторы, джойстики – громоздки, сложны впроизводстве, обладают небольшой функциональностью, которая обычножестко установлена и не может быть изменена в процессе работы. Внедряемыевзамен традиционных устройств ввода клавиатуры, сенсорные экраны и панели(тачпады) усложняют управление вслепую и в условиях перегрузок и вибраций.Одним из подходов к решению проблемы управления являетсяприменение министиков (микроджойстиков). Министик представляет собойнебольшой двухкоординатный джойстик, который управляется не кистью руки,а отдельным ее пальцем.Малый размер позволяет размещать несколькоминистиков на панели или ручке управления. Скорость движения пальцев в 5-7раз быстрее, чем кисти руки, это позволяет намного быстрее формироватьуправляющие воздействия.Микроджойстики, построенные на резистивном принципе, эффектеХолла и т.

д., обладают рядом недостатков, среди которых относительновысокая стоимость, конструктивная сложность, большое количество деталей ит. д.Оптические министики сочетают в своей конструкции следующиепреимущества:простотаконструкции,технологичностьвмассовомпроизводстве, высокая надежность вследствие отсутствия трущихся частей,низкая цена (менее 1$), бесшумность, пожаро- и взрывобезопасность,травмобезопасность, малый вес, многофункциональность и возможностьперепрограммирования.6Настоящая диссертация посвящена цифровым оптическим министикамнаосновеупругодеформируемогополимерногоэлемента,иотражаетрезультаты исследований, выполненных автором в период с 2013 по 2016 год.Объектом исследования диссертационной работы являются цифровыеоптическиеминистикинаосновеупругодеформируемогополимерногоэлемента.Предметом исследования являются оптическая схема, конструкция иалгоритмы обработки данных министика, а также методы исследованияэксплуатационных характеристик оптических министиков.Цель работы – совершенствование эксплуатационных характеристикоптическихминистиковпутемтеоретическихиэкспериментальныхисследований различных конструктивных схем министиков,разработкиконструкций и алгоритмов обработки данных министиков.Привыполненииработыиспользованыследующиеметодыисследования:- математическое моделирование;- численное интегрирование;- регрессионный анализ;- статистический анализ.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработана трехмерная математическая модель двухкоординатногооптического министика на основе упругодеформируемого полимерногоэлемента;- предложен метод измерения функции преобразования министика –зависимостиполезногосигналаминистикаотвеличиныотклоненияуправляющей рукоятки министика;- предложенметодисследованияэксплуатационногоресурсаоптического министика путем циклического воздействия эксплуатационнойнагрузкой;7- предложены усовершенствованные схемы оптических министиков наоснове упругодеформируемого полимерного элемента.Практическая ценность работы заключается в следующем:- Разработаны программные средства для моделирования оптическогоминистика на основе упругодеформируемого полимерного элемента;- Разработанызависимостипрограммно-аппаратныеполезногосигналаминистикасредстваотдлявеличиныизмеренияотклоненияуправляющей рукоятки;- Разработаны программно-аппаратные средства для исследованияэксплуатационного ресурса оптических министиков путем циклическоговоздействия эксплуатационной нагрузкой;- Разработан оптический министик усовершенствованной конструкциина основе упругодеформируемого элемента;- Разработаныалгоритмыфункционированияполиморфныхпереключателей на основе оптических министиков.Достоверность результатов диссертационной работы подтвержденакорректнополученнымиданнымитеоретическихрасчетовиэкспериментальных исследований оптических министиков.Материалы диссертационной работы были представлены в докладах наПервой Военно-научной конференции «Роботизация Вооруженных СилРоссийской Федерации»;По результатам диссертации опубликовано 11 печатных работ, изкоторых 3 статьи в научных журналах системы Web of Science, 6 статей вжурнале перечня ВАК, 2 доклада в сборнике докладов конференции.

Подано 2заявки на изобретение.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,приложений на 163 страницах, содержит 77 рисунков, 10 таблиц, списокисточников из 116 наименований.8В первой главе проведен анализ принципов построения существующихмикроджойстиков, их чувствительных элементов, определены преимущества инедостаткисуществующихмикроджойстиков,наоснованиикоторыхсформулированы задачи исследования.Во второй главе разработана математическая модель оптическогоминистика, произведено исследование влияния конструктивных параметровоптической системы министика на его характеристики.В третьей главе произведены: разработка общей структуры цифровыхоптических министиков и алгоритмов их функционирования, разработкаалгоритмов работы полиморфного переключателя, разработка методов иалгоритмов экспериментального исследования характеристик оптическихминистиков.В четвертой главе рассматриваются вопросы технической реализацииоптическихминистиков,эксплуатационныхразработанохарактеристикоборудованиеоптическихдляисследованияминистиков,проведеныэкспериментальное исследование разработанных оптических министиков ипроверкаматематическойпримененияоптическихмоделинаминистиковадекватность,врассматриваютсяустройствахуправленияробототехникой.В приложениях приведено описание программы математическогомоделированияминистиковMinistickMatModel 3Dиактывнедрениярезультатов диссертационной работы.Диссертация выполнена на кафедре вычислительных систем Рыбинскогогосударственного авиационного технического университета имени П.

А.Соловьева и в ООО «Научно-производственное предприятие «Тензосенсор».Прикладныенаучныеисследованияиэкспериментальныеразработкипроводятся при финансовой поддержке государства в лице МинобрнаукиРоссии. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований иэкспериментальных разработок RFMEFI57914X0087.9ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ДЖОЙСТИКОВ, АНАЛИЗ ИХКОНСТРУКЦИЙ И ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХЭЛЕМЕНТОВ ДЖОЙСТИКОВ1.1 Типы манипуляторов для ввода информации и предъявляемые к нимэргономические требованияС учетом высокого уровня развития науки и техники понятие«манипулятор» достаточно сложно трактовать как нечто однозначное.Многогранность этого понятия проявляется в определении как примитивныхдеталей управления, так и довольно сложных самостоятельных механизмов.Вобластиразработкииэксплуатацииустройствввода/выводаинформации, а также управления различными объектами посредствомиспользования данной информации манипулятор, скорее всего, является некойфункциональной системой, включающей, в общем случае, определенныеаппаратные и программные элементы.

В данном случае понятие «манипулятор»можно отождествить с широко применяемым в настоящее время термином«джойстик».Поэтапное развитие джойстиков привело к тому, что в настоящее времяджойстики конструктивно и функционально являются уже достаточносложными манипуляторами, позволяющими выполнять очень широкий спектрзадач.Исходя из анализа существующих образцов джойстиков, информация окоторых широко представлена не только в научно-технических материалах, ноинаэлектронныхресурсахкомпаний-производителей[16 – 66],ихклассификацию, в общем виде, можно представить следующим образом(Рисунок 1.1).10По размеруРучные джойстики –управляются кистью рукиМикроджойстики(министики) – управляютсяпальцем рукиНа основе резистивныхчувствительных элементовПеременные резисторыРезистивные полосыНа основе тензорезисторовДатчики ХоллаДжойстикиПо методу построенияНа основе магнитныхчувствительных элементовМагниторезисторыПо типу выходногосигналаВихретоковые датчикиНа основе энкодеровНа основе оптическихдатчиковДискретные джойстикиАналоговые(пропорциональные)джойстикиРисунок 1.1.