Голубин C. А., к. т. н Ломанов А. Н.,

к. т. н Никитин В. С., к. т. н Комаров В. М.

Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева, ООО «НПП «Тензосенсор»

Экспериментальное исследование характеристик

оптических министиков с общим приемником

Для управления объектами авиации, робототехники, сложными манипуляторами, портативными электронными устройствами, при трехмерном моделировании и в видеоиграх применяются различные устройства ввода: клавиатуры, мыши, джойстики, трекболы, сенсорные панели и экраны. Одним из устройств ввода являются министики – двухкоординатные микроджойстики. Отличие министиков от джойстиков заключается в их управлении пальцами руки, что позволяет оператору при помощи нескольких министиков управлять объектами с большим количеством степеней свободы.

Большинство применяемых министиков построены на резистивном принципе: отклонение ручки министика вызывает изменение сопротивления чувствительных элементов. В качестве чувствительных элементов используются переменные резисторы либо резистивные полосы. Такие министики сложны в производстве, содержат много деталей (свыше 10). Характеристики министиков в процессе эксплуатации заметно изменяются из-за истирания резистивного слоя.

В ООО «НПП «Тензосенсор» был разработан резистивный министик МД-14 на основе полимерного упругодеформируемого элемента с резистивным покрытием. Данный министик имеет малое количество деталей, однако ресурс данного министика недостаточно высок (200-300 тысяч нажатий).

Существует также министик EasyPoint EP40-101 компании Austria Microsystems, действие которого основано на использовании эффекта Холла. Министик имеет высокую линейность характеристики, ресурс в 1 млн. отклонений в каждом направлении, но высокую цену, затрудняющую массовое применение данных устройств.

Внешний вид министиков представлен на рисунке 1

б)

а)

в)

г)

Рисунок 1 –Министики: а – на основе переменных резисторов, б – на основе резистивных полос, в – EasyPoint EP40-101, г – МД-14 на основе полимерного упругодеформируемого элемента.

В ООО «НПП «Тензосенсор» разработана конструкция оптического министика. По сравнению с существующими разработанный министик имеет следующие преимущества: простота конструкции, технологичность в массовом производстве, высокая надежность вследствие отсутствия трущихся частей, низкая цена (менее 1$), бесшумность, пожаро- и взрывобезопасность, травмобезопасность, малый вес, многофункциональность (возможность перепрограммирования).

Схема оптического министика приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Принципиальная схема оптического министика: 1 – печатная плата;

2 – корпус; 3 – управляющая рукоятка; 4 – упругодеформируемый элемент, 5 – светоотражающая поверхность, 6 – фотоэлектрический преобразователь (фотодиод, фоторезистор); 7 – источник света (светодиод, лазер).

На рисунке 1 показана принципиальная схема оптического министика, который состоит из размещенного на плате 1 корпуса 2 и упругодеформируемого элемента 4, выполненного за одно целое с управляющей рукояткой 3. На плате 1 под упругодеформируемым элементом 4 расположены приемник света (фотодиод, фоторезистор) 6, и не менее одного источника света (светодиода, лазера) 7, которые соединены с микропроцессором. Упругодеформируемый элемент 4 в виде детали из эластичного полимерного материала, содержит светоотражающую или светопоглощающую поверхность 5, расположенную над источником света 6 и фотоэлектрическими преобразователями 7. Упругодеформируемый элемент выполнен из эластичного материала в виде пластины с управляющей рукояткой 3 опирающейся на элементы корпуса 2 оптического министика, прикрепленного к плате 1.

Принцип работы оптического министика заключается в эффекте отражения световой волны от светоотражающей поверхности полимерного упругодеформируемого элемента (УДЭ), который деформируется рукояткой в зависимости от направления нажатия и, таким образом, модулирует распределение светового потока от источника света к приемникам света.

Для исследования зависимости сигналов министика от величины линейного отклонения рукоятки и угла поворота министика (передаточной функции) была разработана экспериментальная установка. Блок-схема установки представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Блок-схема экспериментальной установки

Министик закреплен в центре поворотной платформы, позволяющей вращать министик относительно его центра. Управляющая рукоятка министика свободным концом закреплена в держателе. Платформа снабжена механизмами перемещения по осям X и Y, позволяющими отклонять рукоятку министика от центра.

Фотографии экспериментальной установки представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Фотографии экспериментальной установки: 1 – держатель рукоятки министика, 2 – министик, 3 – поворотная платформа, 4 – механизм поворота, 5 – механизм перемещения по оси X, 6 – механизм перемещения по оси Y, 7 – цифровая камера, 8 – блок сопряжения министика с ПК

Отклонение рукоятки министика по оси X контролируется с помощью цифровой камеры Dino-Lite AD413TL-MA1, передающей изображение на ПК, и программы DinoCapture v2.0. При перемещении министика по оси X камера перемещается вместе с ним. Измерение отклонения рукоятки министика производится визуально при помощи экранной линейки. Программа представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Программа DinoCapture

Получение показаний министика осуществляется при помощи программы KalibratorGUI. Программа позволяет регистрировать показания министика в ручном (рисунок 6) и автоматическом (рисунок 7) режимах. В ручном режиме программа получает показания министика по нажатию пользователем кнопки. Программа осуществляет запрос однократно или многократно (до 10 итераций) с интервалом, настраиваемым в диапазоне от 0,1 до 10 секунд. Запрос показаний может быть выполнен с задержкой от 1 секунды до 5 минут. Полученные показания программа может сохранять в файл формата *.csv. В автоматическом режиме программа регулярно опрашивает министик с интервалом от 0,1 до 10 секунд, с возможностью автоматического сохранения показаний в файл.

Рисунок 6 – Программа KalibratorGUI в режиме ручного снятия показаний

Рисунок 7 – Программа KalibratorGUI в режиме автоматического замера показаний

Целью эксперимента является определение зависимости показаний полезного сигнала министика от величины отклонения рукоятки министика и от угла поворота.

Теоретические графики зависимостей идеального министика представлены на рисунке 8. В ходе эксперимента было установлено, насколько зависимость полезного сигнала исследуемого министика соответствует теоретическим представлениям.

Рисунок 8 – Графики зависимостей идеального министика: передаточная функция – зависимость показаний X от отклонения рукоятки x (слева); лепестковая диаграмма зависимости показаний X и Y от угла поворота (справа)

Качество полезного сигнала реального министика оценивается по показателям:

- точность – разброс показаний при определенном отклонении рукоятки;

- нелинейность – отклонение кривой передаточной функции исследуемого министика от прямой линии;

- гистерезис – различие выходного сигнала при одинаковом значении отклонения рукоятки, но разных направлениях его изменения.

В ходе эксперимента были произведены следующие замеры показаний X и Y министика:

- измерение показаний при постоянном угле поворота министика и изменяемом отклонении рукоятки;

- измерение показаний при постоянном отклонении рукоятки министика и изменяемом угле поворота.

Измерение показаний при постоянном угле поворота министика и изменяемом отклонении рукоятки было проведено в следующих условиях:

- пределы отклонения рукоятки министика от центра: –6..+6 мм;

- направление отклонения: влево (от +6 мм до –6 мм), вправо (от –6 мм до +6 мм);

- угол поворота министика: 0°, 45°, 90°;

- число итераций замера показаний: 3, с последующим усреднением полученных значений.

На рисунке 9 представлены результаты измерений для угла поворота министика 0°, на рисунке 10 – для угла поворота министика 90°, на рисунках 11 и 12 – для угла поворота министика 45°.

Рисунок 9 – Результаты измерений для угла поворота министика 0°

(координата Х)

Рисунок 10 – Результаты измерений для угла поворота министика 90°

(координата Y)

Рисунок 11 – Результаты измерений для угла поворота министика 45°

(координата X)

Рисунок 12 – Результаты измерений для угла поворота министика 45°

(координата Y)

Для оценки точности показаний применяется значение среднеквадратического отклонения (СКО) измеренных при итерациях показаний в точке с заданным отклонением рукоятки. Относительное значение δ вычислялось по формуле

δ =|СКО/Хср|

(1)

где Хср – среднее значение в данной точке.

Для оценки нелинейности при помощи метода наименьших квадратов (функция ЛИНЕЙН() пакета MS Excel) строится аппроксимирующая функция прямой линии вида X=kx+b. Далее нелинейность N_L вычисляется по формуле

NL =|X–Xрасч|/ΔX

(2)

где Х – фактическое значение координаты в данной точке, Храсч – вычисленное при помощи аппроксимирующей функции, ΔX – диапазон значений передаточной функции.

Гистерезис G показаний оценивается по формуле:

G=|Xпр-Xл|/Хср ΔX,

(3)

где Xпр – значение параметра в данной точке при перемещении рукоятки вправо, Xл – при перемещении влево, ΔX – диапазон значений передаточной функции.

Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры качества сигнала исследуемого министика

Показатель	Угол 0°, координата X	Угол 90°, координата Y	Угол 45°, координата X	Угол 45°, координата Y
Диапазон значений	522	485	403	394
Макс. отклонение	35,36%	10,10%	141,42%	2,08%
Макс. нелинейность	9,52%	10,66%	9,64%	10,51%
Макс. гистерезис	3,90%	3,65%	5,96%	5,84%

Измерение показаний при постоянном отклонении рукоятки министика и изменяемом угле поворота было проведено в следующих условиях:

- угол поворота министика: 0°..360° с шагом 30°;

- направление вращения: по часовой стрелке (0°..360°), против часовой стрелки (360°..0°);

- отклонение рукоятки министика от центра: 1,5 мм; 3 мм; 4,5 мм;

- число итераций замера показаний: 5, с последующим усреднением полученных значений.

На рисунке 13 в виде лепестковой диаграммы представлены результаты измерений. По результатам измерений была построена трехмерная поверхностная диаграмма зависимости показаний X и Y от угла и величины отклонения рукоятки, отображенная на рисунке 14.

Рисунок 13 – Результаты измерений показаний министика при его вращении с постоянным значением отклонения рукоятки

Рисунок 14 – Трехмерная поверхностная диаграмма зависимости показаний министика от отклонения рукоятки

Выводы:

1. Выбранная оптическая схема министика на основе упругодеформируемого элемента позволяет создавать работоспособные и высокоэффективные устройства.

2. Максимальный диапазон отклонения рукоятки министика составляет +/-6.0 мм, что укладывается в оптимальный диапазон амплитуд отклонения пальцев руки порядка 12-20 мм.

3. Передаточная функция исследованного оптического министика линейна и симметрична в диапазоне отклонения рукоятки в пределах –3..+3 мм. При больших отклонениях кривые показаний приобретают экспоненциальную форму.

4. Мертвая зона министика не превышает 0,5 мм по всем координатам.

5. Максимальная величина гистерезиса составляет 5,96% диапазона значений передаточной функции. Максимальный гистерезис наблюдается при угле поворота министика 45°.

Таким образом, передаточная функция оптического министика соответствует требованиям, предъявляемым к средствам управления сложной робототехникой, манипуляторами и летательными аппаратами. Конструкция министика требует доработки с целью повышения точности, снижения нелинейности и гистерезиса показаний.

Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57914X0087.