مقاله طراحی و ساخت روبشگر لیزری به منظور کاربرد در دستگاه لیدار

بخشی از مقاله

چکیده - یک روبشگر - اسکنر - لیزري به منظور استفاده در دستگاه لیدار طراحی و ساخته شده است. براي کنترل پارامترهاي مختلف آن یک برنامه کامپیوتري نوشته شده است. در ساخت این روبشگر از موتورهاي پلهاي استفاده شده است که توانایی انتخاب زاویه چرخش، جهت چرخش و تعداد دور آینه را دارد. این روبشگر در دو بعد عمل میکند.

مقدمه

لیدار وسیلهاي است که با استفاده از آن میتوان از محیط مورد مطالعه - آب، هوا - اطلاعات کسب کرد و حتی از نواحی موردنظر تصویربرداري کرد. به منظور تصویر برداري پرتو لیزر لیدار باید ناحیه موردنظر را جاروب نماید. براي جاروب نمودن از روبشگر استفاده میشود - 1و2و3و. - 4 در این تحقیق براي سیستم لیدار دانشگاه صنعتی مالک اشتر یک روبشگر ساخته شده که تواناییهاي مختلفی دارد که در مقاله به آنها پرداخته میشود.

-1  تفکیک پذیري دور حسی و آهنگ داده برداري

فرض میکنیم که یک هواپیما با سرعت V و در ارتفاع H از سطح زمین در حرکت است و بخواهیم ناحیهاي از زمین را توسط پرتو لیزر جاروب کنیم شکل . - 1 - زاویه دید آن ناحیه از زمین را با    و پهناي قطاع روبش در راستاهاي عرضی و طولی به ترتیب ∆θ و ∆φ است.جهت مستقیم زیر هواپیما و عمود بر روبش را NADIR مینامیم. در روبش دوبعدي، یک بعد ناحیه روبش توسط حرکت افقی هواپیما تولید و بعد دیگر توسط چرخش آینه ایجاد میشود.

-2-1 معیار تفکیک پذیري روبشگر

تفکیکپذیري یک روبشگر اپتیکی بوسیله تعداد N نقطه یا عنصري که می تواند در طول راه فضایی مجاور انتقال دهد، بیان میشود. به بیان سادهتر اگر بخواهیم از یک ناحیه دوبعدي اطلاعات کسب نماییم، یک روش این است که تمام ناحیه را به صورت نقطه به نقطه با حرکت لیزر مورد تابش پرتو لیزر قرار داده و سیگنال هاي بازگشتی را توسط انواع آشکارساز از قبیلPMT و یاICCD مورد بررسی قرار دهیم.

در این روش سرعت عملکرد بسیار پایین است. روش دیگر استفاده از سیستم روبشگر میباشد که در آن با استفاده از یک آینه، ناحیه موردنظر را مورد بررسی قرار داده و یا به اصطلاح جاروب میکنیم. بعد از این کار توسط تلسکوپ دستگاه لیدار پرتوهاي بازگشتی جمع شده و به آشکارساز منتقل میشوند. بسته به نوع آشکارساز می توان سیگنالهاي هدف را آشکار و یا از هدف تصویربرداري کرد.

مسیر روبش معمولا" خطی فرض و با سرعت همگن پیموده میشود.روبش اپتیکی فعال بدین گونه است که نقاط روبش شده در یک ردیف قرار گرفته، منظم شده و تبدیل به شکل فضایی پیوسته اي میشوند. اگر تغییرات تابع روبش با شدت بوسیله سري از پالسهاي دیراك با پهناي غیرقابل سنجش فرض شودکه توسط زمان t از هم جدا میشوند، جدایی فضایی بین مراکز نقاط - spot size - ، ω Vt است، که V سرعت پرتو روبش کننده است. فاصله میان دو تپ لیزر در هر بعد، مقدار دقت در آن بعد را میدهد. به عنوان نمونه اگر فاصله زمانی میان برخورد دو تپ لیزر 10 نانوثانیه باشد، تفکیکپذیري در آن جهت 3 متر خواهد بود.

-2 روابط بین پارامترهاي مختلف در طراحی

روبشگر لیدار

محاسبات مربوط به سرعت هواپیما - - V، ارتفاع سیستم روبشگر از ناحیه روبش - - H، آهنگ روبش - تعداد روبش بر ثانیه - s. ، زاویه    پرتو لیزر با θ - NADIR   - و    عرض ناحیه روبش - - θmax    و سرعت چرخش آیینه - - R    انجام شد و نتایج زیر به دست آمد. اگرفرض شود تفکیک پذیري عرضی و طولی خواسته شده به ترتیب∆θ′ و ∆φ′ باشد در این صورت در هر خط روبش می توان ناحیه روبش را به اجزاي مساوي تبدیل کرد که طول هر ناحیه ∆φ′ و عرض آن ∆θ′ است .

-1-2 برنامه کامپیوتري مرتبط کننده پارامترهاي

روبشگر به یکدیگر

روابط مربوط به طراحی روبشگر در قالب یک برنامه کامپیوتري در زبان C  نوشته شده است. ورودي هاي این برنامه عبارتند از: سرعت هواپیما - - v، ارتفاع پرواز هواپیما - - h، تفکیک پذیري دلخواه - - a،آهنگ چرخش آیینه - - v ، پهناي ناحیه روبش - x - و خروجیهاي برنامه عبارتند از: آهنگ روبش - - s که با فرکانس تکرار لیزر رابطه دارد و ماکسیمم چرخش آیینه - - c است.

-3 ساختار موتورهاي پلهاي

موتورهاي پله ایی گونه ایی از موتورهاي DC هستند که با اعمال دنبالهایی از پالسهاي الکتریکی به سیم پیچ هایشان کار میکنند - . - 5 هر پالس، روتور این موتورها را به اندازه کاملا مشخصی دوران میدهد هر جابجایی روتور یک پله در نظر گرفته میشود و نام گذاري موتور پلهاي نیز به همین دلیل است. هر مرحله از چرخش بر حسب درجه اندازهگیري میشود. موتورهاي پلهاي با زاویههاي چرخشی مختلف به ازاء هر پله ساخته میشوند.

این مقدار میتواند از چندین درجه 22/5 - درجه - تا کسري از درجه 0/12 - درجه - به ازاء هر پله باشد. موتورهاي پلهاي با استفاده از آهنرباهاي دائمی خیلی قوي و آهنرباهاي الکتریکی ساخته میشوند. آهنرباي دائمی روي محور دوار که روتور نامیده میشود، نصب میشوند. آهنرباهاي الکتریکی یا سیم پیچها نیز در قسمت ساکن موتور که استاتور نامیده میشود، قرار میگیرند. شکل - 2 - گامهاي یک موتور پلهاي را طی یک چرخش کامل نشان میدهد.

-1-3 راه اندازي موتور چرخنده روبشگر

همانطور که در بخش قبل ذکر شد از موتور پلهاي براي چرخاندن آیینه روبشگر استفاده شد.براي راه اندازي این گونه از موتورها روشهاي زیادي وجود دارد ومدارات مجتمع زیادي نیز در دسترس است . در قدم اول باید براي تامین جریان راه اندازي از یک بافر جریان بهره جست. مدار مجتمع L298 را به دلیل جریان دهی بالا - 4A-46v - و مقاومت در برابر نوسانات منبع تغذیه بدین منظور انتخاب شد .

همانطور که در شکل - 3 - مشاهده می شود، تراشه L298 داراي دو گروه پایه کنترلی براي خروجی وتراشه , یک گروه پایه خروجی به منظور اتصال به موتور، پایه Vdd براي تامین ولتاژ کار موتور و پایه هاي تغذیه که براي تامین مدارا ت داخلی تراشه می باشد تشکیل شده است . با اعمال مقادیر منطقی صفر و یک به پایه هاي 12،10،7،5 می توان خروجی هاي 1 الی 4 تراشه را فعال نمود . پایه هاي 6 و11 براي فعال کردن نیمه A و B در نظر گرفته شده است. از دو پایه 1 و 15 براي محدود کردن جریان خروجی می توان بهره برد.

-2-3 مدارات فرمان

همانطور که در مطالب بالا ملاحظه شد، برا ي درایو تراشه L298 سیگنالهاي مختلفی مورد نیاز می باشد براي تامین این سیگنالها از تراشه L297 که به همین منظور ساخته شکل:2 گامهاي یک موتور پلهاي شده وداراي انعطاف پذیري زیادي می باشد کمک گرفته شد.