Формирование и исследование алгоритма цифровой системы самонаведения на основе волоконно-оптических ДУС и широкоугольной механической сканирующей системы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Обзор методов наведения.

1.3 Функциональная схема системы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАВЕДЕНИЯ.

2.1 Математическая модель движения объекта управления.

2.2 Модель вращения двухосного карданного подвеса на произвольно вращающемся основании под действием моментов внешних сил.

2.3 Математическая модель цели.

1.1 Постановка задачи.

В настоящее время расширяется область применения систем самонаведения. Система самонаведения используется для решения задачи управления подвижным объектом для изменения взаиморасположения объекта управления и объекта (цели), по излученному или отраженному сигналу которого осуществляется наведение. Самонаведением называется такой метод управления объектом наведения, при котором сигналы управления, обеспечивающие наведение, вырабатываются на самом объекте (за счет излучения или отражения целью какого-либо вида энергии). Системой самонаведения назовем функциональный узел, обеспечивающий выработку данных сигналов.

Система самонаведения неразрывно связана с объектом управления, и требования, предъявляемые к ней, во многом определяются конструкцией и динамикой самого объекта управления.

Системы самонаведения нашли широкое применение в разработке высокоточного вооружения для управления движением ракеты, мины, снаряда, торпеды, бомбы. В подобных изделиях системы самонаведения принято называть головками самонаведения (ГСН).

В настоящее время, при разработке ГСН, актуальным остается требование по минимизации размеров системы. Концепция «выстрелил и забыл», предполагающая минимальные затраты со стороны оператора, ужесточает, тем самым, предъявляемые к подобным изделиям требования - в частности, по увеличению «поля обзора» и быстродействию.

Разработанная система самонаведения, кроме традиционного применения в качестве ГСН, может использоваться как компонент навигационной системы или как система слежения на борту подвижного объекта.

Методы самонаведения теоретически достаточно полно изучены [1]. На практике же, для реализации системы самонаведения необходимо иметь на борту объекта управления либо датчик угла (ДУ) визирования цели, либо датчик угловой скорости (ДУС) линии визирования. Наличие на борту ДУ позволяет реализовать методы прямого наведения и погони. ДУС линиивизирования позволяет реализовать наиболее эффективный метод пропорционального наведения. В разработанных ранее головках самонаведения, реализующих пропорциональное наведение - «Копперхед», «Краснополь» - для измерения угловой скорости линии визирования следящая система системы самонаведения устанавливалась на гиростабилизированную платформу. Наличие на борту гиростабилизированной платформы определяет как габариты изделия, так и время предстартовой подготовки, необходимой для разгона гироскопов. При этом снижается маневренность системы. Разработанные с использованием гироскопов системы самонаведения обладали меньшим «полем зрения», по сравнению с разрабатываемой системой. Внешние силы вызывают прецессию гироскопа, что приводит к изменению ориентации гиростабилизированной платформы в инерциальной системе отсчета.

Применение в качестве ДУС вращения корпуса (а не линии визирования цели!) волоконно-оптического гироскопа, представляющего собой электронное устройство, позволяет устранить свойственные механическим гироскопам недостатки и делает возможным создание принципиально новой системы сканирования с углом обзора 24 градуса и временем обнаружения цели 1 сек. При этом, безинерционная реализация на борту объекта управления инерциальной системы отсчета делает возможной реализацию наиболее эффективного метода наведения - пропорционального наведения - без ухудшения маневренности изделия.

В то же время, с развитием новых технологий, появились принципиально новые и развитые средства цифровой обработки сигналов - цифровые сигнальные процессоры.

Использование ВОГ в системе самонаведения в качестве ДУС вращения корпуса объекта управления позволяет не только определить угловую скорость линии визирования цели, но и стабилизировать вращение корпуса. Использование цифрового сигнального процессора в качестве бортового вычислителя позволяет реализовать сложные алгоритмы системы самонаведения.

Разработка принципиально новой системы самонаведения опирается на существующую теорию и использование ставших доступными принципиально новых элементов конструкции.

Системы наведения принято классифицировать по способу целеуказания и реализуемому алгоритму наведения. По способу целеуказания системы делятся на:• Активные системы, облучающие цель и наводящиеся по отраженному сигналу (априорно известному).• Полуактивные системы, предполагающие, что цель облучается оператором или какой-либо другой внешней системой и наводящиеся по отраженному сигналу (опять же - априорно известному).• Пассивные системы - наводящиеся по некоторому характерному признаку цели, который в процессе поиска цели выделяется.

Внутри данной классификации можно произвести независимое деление систем наведения по сигналу цели (отраженному или излучаемому)-радиосигнал, оптический сигнал, тепловой сигнал, лазерный луч.

В военной технике можно также провести дополнительную классификацию по способу доставки боевого заряда:• самоприцеливающиеся - осуществляющие отстрел поражающегоэлемента в определяемую ими точку прицеливания;• самонаводящиеся - доставляющие, а не отстреливающие поражающийэлемент;Обзор методов наведения для самонаводящихся систем будет приведен далее.

В диссертации рассматривается задача разработки алгоритма работы цифровой системы самонаведения на основе ставших доступными в настоящее время высокотехнологичных комплектующих узлов - волоконно-оптических гироскопов, цифрового сигнального процессора и механической сканирующей системы с фотоприемником-«линейкой». Система самонаведения строится как узел ГСН, что обусловлено относительной простотой организации управления выбранными исполнительными элементами (аэродинамическими рулями), определенностью действующих на объект управления внешних сил и моментов, а также хорошо изученной его динамикой. В случае построения на основе разработанной системы самонаведения систем слежения, навигации и т.п.алгоритмы внешнего контура могут быть изменены или дополнены с учетом условий сближения объекта и цели и конструкции элементов управления.

Использование в качестве датчиков угловой скорости безинерционных и малогабаритных ДУС и использование бортового вычислителя для реализации алгоритма управления изделием позволяет решить актуальную задачу минимизации размеров ГСН, что значительно расширяет диапазон изделий, которые могут быть оснащены ГСН с разработанной системой самонаведения.

Определим круг вопросов, рассматриваемых в данной работе.

Эффективность поражения цели любой ГСН определяется:• эффективностью обнаружения цели• эффективностью наведения на цель.

Работа посвящена разработке алгоритма работы системы самонаведения при наличии обнаруженной цели. Задача обнаружения и идентификации цели, уменьшения вероятности ложных срабатываний, являющаяся одной из основных задач построения ГСН для высокоточного оружия, рассматриваться не будет. Данная задача должна решаться на основе детального анализа сигнала от цели при разных фоновых сигналах для конкретных целей в заданном спектральном диапазоне с учетом особенностей конкретного фотоприемника. Некоторые направления решения данной задачи для используемого 8-элементного фотоприемника-«линейки» приведены в третьей главе при формировании тестового сигнала цели и в четвертой главе при обзоре фотоприемного узла.

В работе строятся алгоритмы работы сканирующей системы, как на этапе поиска цели, так и на этапе наведения на цель. При формировании алгоритма наведения будут рассмотрены качественные аспекты представления обнаруженной цели на этапе ее сопровождения.

Целью работы является:• Разработка алгоритма работы цифровой системы самонаведения на основе ВОГ, широкоугольной сканирующей системы и бортового вычислителя.• Создание математической модели объекта управления и системы самонаведения, состоящего как из стандартных, так и специальноразработанных узлов, а также создание математической модели процесса наведения.• Исследование системы самонаведения на математической модели при различных целевых обстановках и моделируемых погрешностях комплектующих узлов. Данное исследование определяет качество системы, ее устойчивость для различных целевых обстановок и допустимые погрешности комплектующих узлов.

Работа состоит из четырех глав, заключения и двух приложений.

В первой главе - введении дан краткий обзор существующих методов наведения, их эффективности и необходимых для реализации аппаратных средств. Также во введении приведена функциональная схема разрабатываемого изделия.

Во второй главе:• Введены основные понятия и дан обзор математического аппарата, используемого в дальнейшем.• Построена математическая модель процесса наведения.• Получены аналитические выражения для описания вращения двух связанных твердых тел - внутренней и внешней рамок карданного подвеса сканирующей системы. Построена математическая модель вращения закрепленного на произвольно вращающемся основании карданного подвеса сканирующей системы в зависимости от вырабатываемых бортовым вычислителем сигналов управления.• Определена математическая модель «тестовой» цели.

В третьей главе сформирован алгоритм работы системы самонаведения.

Данный алгоритм состоит из алгоритмов работы внутреннего и внешнегоконтуров системы на этапах поиска и сопровождения цели:• сформированы алгоритмы управления сканирующей системой на этапе поиска и сопровождения цели;• сформирован алгоритм расчета внутренним контуром угловой скорости линии визирования и обработки данного сигнала для использования его в качестве входного сигнала внешним контуром управления;• разработан алгоритм управления исполнительными элементами (аэродинамическими рулями) на различных этапах наведения;В четвертой главе проведено исследование разработанной системы наведения:• дана теоретическая оценка реализуемой системой точности наведения;• поставлены эксперименты на модели наведения, определяющие промах в разных целевых условиях;• дана характеристика погрешностей узлов системы и получены допустимые значения данных погрешностей, при которых система остается работоспособной;• даны рекомендации по модификации разработанной системы для самонаведения по импульсному сигналу;• дан обзор возможных вариантов аппаратной реализации бортового вычислителя.

В заключении изложены полученные при математическом моделировании результаты - реализуемые промахи. Даны рекомендации по формированию признаков цели для данной системы. В первом приложении введены используемые в работе системы координат иопределены их взаимосвязи. Во втором приложении приведены:• математическая модель выбранного объекта управления, а также модель действующих на него сил и моментов;• модель аэродинамического руля;• блок формирования сигнала управления рулевыми машинами. Научную новизну представляют:• Алгоритм управления сканирующей системой на этапе поиска и сопровождения цели.• Алгоритм вычисления угловой скорости линии визирования цели при использовании механической сканирующей системы с фотоприемником, элементы которого расположены вдоль линии - «линейки», без использования гиростабилизированной платформы и силовых гироскопов.• Алгоритм взаимодействия внутреннего и внешних контуров управления, как обеспечивающий эффективную коррекцию траектории объекта, так ипозволяющий избежать удара об упор карданного подвеса сканирующей системы на этапах поиска и сопровождения цели.• Алгоритм формирования сигнала управления аэродинамическим рулями на этапах выхода на режим, поиска и сопровождения цели.

Подчеркнем, что целью данной работы является создание реально действующих эффективных алгоритмов наведения на базе уже аппаратно разработанных узлов. Одним из таких разработанных узлов, в частности, является корпус изделия с рулевыми машинами. В данной работе не будет производиться анализ необходимых перегрузок, которые должно выдерживать изделие. Считаем, что при всех возможных поворотах рулевых машин допустимые перегрузки не превышаются. Таким образом, и описание действующих на систему аэродинамических сил будет рассматриваться только с точки зрения связи исполнительных механизмов и реализованной ими коррекции движения изделия.

В работе выбран именно такой подход при рассмотрении отдельных узлов - с позиции их функциональных действий - для формирования алгоритмов отдельных систем изделия и их взаимодействия.

Достоверность результатов работы обеспечивается построением математической модели, адекватной реальному процессу наведения - полета изделия, его функционирования и взаимодействия с целью, и подтверждается хорошей сходимостью теоретических оценок и результатов экспериментирования на модели.

Практическую ценность представляют:• полученные алгоритмы бортового вычислителя разработанной системы самонаведения;• проведенные оценки реализуемого промаха для характерных погрешностей комплектующих узлов в различных целевых обстановках;• показатели допустимых погрешностей комплектующих узлов; определяющие требования по настройке отдельных элементов;• рекомендации по аппаратной реализации бортового вычислителя;• рекомендации по возможным модификациям (использованию другого фотоприемника) сканирующей системы для реализации наведения на «импульсную» цель.

На защиту выносятся:1. алгоритм работы внутреннего контура системы самонаведения, определяющий:• управление подвесом сканирующей системы для организации сканирования кадра в инерциальной СК на этапах поиска и сопровождения цели,• вычисление угловой скорости линии визирования;2. алгоритм внешнего контура управления, реализующий управление исполнительными элементами объекта управления для стабилизации вращения корпуса на этапе поиска цели и коррекции его траектории на этапе сопровождения.

3. полученные на модели результаты оценки качества реализованной системы -реализуемого «промаха».

Работа выполнена в АО «Импульс» в течение 1995-2001 г. в процессе обучения в заочной аспирантуре МФТИ.

Даны рекомендации по аппаратной реализации бортового вычислителя и использованию разработанной системы самонаведения.

Разработанные алгоритмы использовались при построении высокоточной ГСН, что отражено в соответствующих отчетах. Использование результатов на практике подтверждено актом внедрения.

Результаты, полученные при исследовании влияния погрешностей измерительных узлов на качество разрабатываемой системы самонаведения, определили предъявляемые к точности настройки соответствующих элементов требования.

Полученные в работе научные выводы и технические предложения докладывались и обсуждались на научно технических совещаниях в АО «Импульс» и научно-технических конференциях в МФТИ.

Заключение.

В диссертационной работе сформирован и исследован алгоритм работы новой разрабатываемой цифровой системы самонаведения, использующей волоконно-оптические ДУС, широкоугольную механическую сканирующую систему и бортовой вычислитель для определения на борту изделия угловой скорости линии визирования цели.

Систему самонаведения нельзя рассматривать отдельно от объекта управления. Тем не менее, разработанные алгоритмы являются довольно общими и могут использоваться для построения конкретных изделий с минимальными модификациями.

При построении системы были использованы как стандартные узлы -усилители, АЦП, ЦАП и DSP, так и специально разработанные -электромеханическая сканирующая система, состоящая из фотоприемника, установленного на карданном подвесе и ДУ и ДМ, служащих для определения поворота подвеса и управления его вращением соответственно. В результате проведенной работы:

• Построена математическая модель движения изделия под действием внешних сил, являющаяся инструментом при разработке и исследования формируемых алгоритмов изделия.

• Получена динамическая и построена математическая модель вращения карданного подвеса на произвольно вращающемся основании в инерциальной СК.

• Построен алгоритм сканирования кадра на этапе поиска цели, обеспечивающий обнаружение цели, движущейся с допустимой скоростью, и находящейся в пределах строящегося кадра, определяемого конструкцией сканирующей системы. При построении данного алгоритма последовательно были решены три задачи:

1. Формирование кадра сканирования в инерциальной СК. Определяется закон изменения угловой скорости оптической оси для обеспечения желаемого сканирования.

2. Расчет скоростей вращения подвеса в связанной СК, соответствующих определенному законом сканирования вращению оптической оси.

3. Расчет управления ДМ подвеса, реализующему желаемое сканирование. При управлении подвесом по выбранному закону определяется также коррекция вращения корпуса при приближении угла отклонения подвеса к предельному допустимому значению (кардана к упору), обеспечавающая уменьшение угла поворота карданного подвеса без искажения кадра сканирования.

• Создан алгоритм управления рулями в ШИМ режиме. Внешний контур вырабатывает три сигнала управления: Гу(г) и ^(1) - представляющие собой сигналы, определяющие желаемую коррекцию скорости изделия по осям ZиY связанной СК соответственно, и fx(t), выражающий желаемую коррекцию угловой скорости вращения изделия по-крену. Данные сигналы преобразуются в сигналы управления двумя парами рулевых машин.

• Разработан алгоритм стабилизации вращения корпуса на этапе сканирования, позволяющий ограничить составляющие со2 и соу угловой скорости вращения корпуса, определяемые ШИМ- управлением, 2 рад./сек. угловая скорость вращения по-крену минимизируется до величины 0.007 рад/сек. (максимальная амплитуда выбросов).

• Разработан алгоритм вычисления угловой скорости линии визирования. Алгоритм анализа сигнала фотоприемника и вычисления угла ср' позволяет уменьшить в 3 раза заданную конструктивной дискретностью фотоприемника погрешность определения угла линии визирования и угловой линии визирования соответственно.

• Введенная обработка вычисленного сигнала угловой скорости линии визирования

• Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов и по вычисленной угловой скорости линии визирования и коррекции ориентации корпуса по углу линии визирования, позволяющей сохранить работоспособность при приближении угла линии визирования к предельно допустимому значению, определяемому конструкцией сканирующей системы.

• Получен эффективный алгоритм пропорционального наведения, реализующий попадание в контур цели.

• Проведены исследования сформированного алгоритма на разработанной математической модели. Естественным критерием качества выбран конечный промах. Соответственно, исследовались следующие зависимости конечного промаха:

1. От взаимного расположения цели и изделия. Цель считалась неподвижной.

2. От скорости цели и ветра.

- 1343. От маневра цели и порыва ветра. Даны теоретические оценки и проведены эксперименты.

• Исследовалось влияние погрешностей реальных используемых измерителей на работоспособность алгоритма.

Получены следующие результаты. Проведено, в общей сложности, более 10000 пусков. Реализованный промах не превышал 1.5м. по каждой из координат цели при максимально допустимой скорости цели, а промаха составила 0.8м.

Важным практическим результатом, полученным при исследовании процесса наведения, является то, что при реализации сканирующей системы можно исключить предполагаемый ЦАП в ДМ. То есть независимо от величины рассогласования ДМ формировать максимально возможный момент силы, направление которого определяется знаком рассогласования - реализовать релейный алгоритм управления подвесом. Данный теоретический результат требует практического изучения влияния создаваемой коммутацией тока внутри подвеса помехи на работу фотоприемного электронного узла. Таким образом, при макетировании, рекомендуется оставить ЦАП и провести дополнительные исследования влияния помехи, задавая релейное управление ДМ программным путем- так, как это сделано в модели.

В результате исследования полученного алгоритма сформулированы предъявляемые к точности настройки используемых измерительных элементов - ДУ карданного подвеса и волоконо-оптическим ДУС. Данные требования не ужесточают регламентированных изготовителем параметров.

Предложен способ программной минимизации вносимых измерительными элементами погрешностей на этапе настройки изделия.

Система может также использоваться на движущихся объектах как система навигации - например, для реализации наведения по сигналу «маяка». Доступность угла линии визирования 0 позволяет использовать систему также как следящую систему.

Использованная в системе модель 8-канального фотоприемника за счет малого числа элементов упрощает задачу разработки специальных фотоприемников с заданным спектральным диапазоном.

В результате проведенной работы создан алгоритм системы самонаведения, сканирующей кадр 24x24° за 0.7 сек. и позволяющей обнаружить и поразить цель, движущуюся со скоростью до 25м/с. в безветренную погоду. При наличии ветра до 15 м/с. цель, движущаяся со скоростью 15 м./с поражается с вероятностью 90%, определяемой вероятностью неблагоприятного совпадения направлений движения цели, ветра и ориентации изделия. При превышении реальными скоростями цели или ветра приведенных значений система остается работоспособной, но происходит заметное ухудшение реализованного промаха.

Разработанная система самонаведения может применяться для создания высокоэффективных ГСН для борьбы с наземными и водными целями, а также вертолетами.

Ее несомненными достоинствами является компактность, малое время предстартовой подготовки, возможность создания на основе разработанных алгоритмов различных модификаций (касающихся как фотоприемника сканирующей системы, так и исполнительных элементов и корпуса объекта управления) для специфических условий применения. В системе отсутствуют прецизионные механические элементы конструкции. Существенно, что возможный поворот траектории объекта управления в процессе наведения может превышать 30° - при наведении в «убегающую» цель, обнаруженную вблизи границы кадра. То есть превышать угол поля зрения системы. Такой результат не достижим для разработанных ранее и реализующих метод пропорционального наведения ГСН «Краснополь» и «Копперхед», использующих гиростабилизированную платформу.

В работе даны рекомендации по:

• аппаратной реализации бортового вычислителя;

• использованию матричных фотоприемников, позволяющих реализовать систему самонаведения по импульсному излучаемому или отражаемому сигналу.

• модификации датчика момента сканирующей системы - замены ЦАП на силовые ключи.

Полученные результаты позволили провести корректировку РКД и приступить к созданию опытных образцов высокоточной ГСН на основе разработанных алгоритмов.