Разработка и исследование индикаторного быстродействующего подвеса широкоугольного приемного узла высокоточной системы наведения с использованием волоконно-оптических гироскопов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Московский ордена Трудового Красного Знамени Физико-технический институт

УДК 629.7.05.847

на правах рукописи

РГБ ОД

ГУЩИН ПЕТР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДИКАТОРНОГО БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ПОДВЕСА ШИРОКОУГОЛЬНОГО ПРИЕМНОГО УЗЛА ВЫСОКОТОЧНОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ.

01.04.03 - радиофизика.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Долгопрудный - 2000

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

Научный руководитель

к.ф.-м.н., доцент Ванециан Р. А.

Официальные оппоненты

д.т.н., профессор Рахматуллин Р.Ш.

к.т.н., Мальцев А.И.

Ведущая организация

НИМИ

Защита диссертации состоится 29 февраля 2000 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета К 063.91.12 при Московском физико-техническом институте по адресу 141700, г. Долгопрудный Московской области, Институтский пер., д. 9, в 204 ауд. Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института

Автореферат разослан 28 января 2000 г.

Ученый секретарь специализированно: совета К 063.91.12, к.т,н.

Лимонов Е.В.

Актуальность темы.

В последнее время из-за все более усиливающейся защиты бронетехники от Ш УР (как пассивной, так и активной) все чаще ставится задача поражения бронетехники сверху, где броня значительно тоньше, а средства защиты обычно не устанавливаются.

Все разработки комплексов поражения бронетехники (ПБТ), как отечественные, так и зарубежные, можно разделить на три основные категории:

1). Комплексы с лазерной подсветкой цели.

Примерами такого вида комплексов являются отечественные разработки "Смельчак", "Сантиметр", "Краснополь" и зарубежный комплекс "Копперхед". Во всех этих комплексах наведение ведется на лазерное пятно, которым подсвечивается цель. Причем в "Смельчаке" и "Сантиметре" используется метод "погони", реализуемый с помощью флюгера, а в "Краснополе" и "Копперхеде" - метод пропорционального наведения, реализуемый с помощью механических (силовых) гироскопов.

Эти комплексы имеют ряд недостатков. Во-первых, необходимость лазерной подсветки сильно ограничивает область их применения. Во-вторых, наведение с флюгером дает возможность осуществить только один метод наведения - метод погони, который неэффективен при работе по движущейся цели и сильном ветре, а механические гироскопы позволяют вести поиск цели в крайне малом диапазоне углов (порядка 3°) при скоростях сканирования не более 80 град/сек. Заметными недостатками систем с механическими гироскопами - большая масса самих гироскопов, приводящая к увеличению общего веса изделия, а также значительное время выхода на рабочий режим.

2). Самонаводящиеся комплексы, работающие в миллиметровом диапазоне.

Пример - английский комплекс "Мерлин".

3). Комплексы, работающие в тепловом диапазоне.

Все данные комплексы еще только находятся в разработке. Примером разработки такого рода является шведский комплекс "Стрик".

Преимуществом этого комплекса и комплекса "Мерлин" является то, что они не требуют лазерной подсветки цели. Недостатком же по сравнению с вышеупомянутыми четырьмя комплексами является необходимость применения более чувствительных приемников. Другие

недостатки, связанные с тем, что в обоих этих комплексах применяются механические гироскопы, рассмотрены выше.

Данная работа посвящена проблеме поражения танков самонаводящимся устройством (СНУ). Рассматривается работа такого устройства, поднятого на некоторую характерную высоту (ниже средней высоты облачности, 600-5-650 м).

После выстреливания СНУ на высоте 600^650 м стабилизируется по направлению относительно вертикали по крену и тангажу.

Начиная с высоты 600 м, оптическая система сканирует земную поверхность для обнаружения цели.

Обнаружив цель, ГСН определяет параметры отклонения траектории СНУ относительно цели, вырабатывает команды на органы управления для коррекции траектории и обеспечения прямого попадания в цель.

Главная особенность разрабатываемой системы - полная автоматизация и автономность функционирования, все происходит автоматически, без участия оператора.

Современные технологии определили выбор варианта ГСН с применением ФПУ в виде 8-ми элементной линейной фотоматрицы с электронным охлаждением в сочетании с линзовым объективом. Указанная оптическая система размещена в двухосной карданной системе, управляемой по команде бортовой ЭВМ с углами прокачки ±20°.

В системе управления и стабилизации оптической системы вместо традиционного механического гироскопа используется трехосный датчик угловых скоростей (ДУС) на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ) Эта структура позволяет перенести центр тяжести требований по быстродействию и точности на узел ДУСов и бортовую ЭВМ, то есть на электронные блоки, обладающие потенциально более высокими точностями и быстродействием, а также более технологичными в производстве.

Система ДУСов по сравнению с механическими гироскопами обладает следующими преимуществами: значительное уменьшение габаритов и веса изделия и возможность отключения стабилизации, например, для сканирования (для силового трехосного гиростабшшзатора (TTC) это невозможно, т. к. гироскоп препятствует любому повороту, в том числе и тому, который необходим). ДУС же не препятствует задаваемому программно повороту, что позволяет при сканировании осмотреть большой участок поверхности земли (до 6 га),

что значительно повышает вероятность обнаружения цели.

Цель работы - разработка алгоритмов управления осью оптической системы, установленной на кардановом подвесе, обеспечивающих вычерчивание оптической осью на земной поверхности траектории с заданными пространственными и временными параметрами, определяемыми требованиями поиска цели на большой площади за короткий временной промежуток, точности определения углового положения и слежения за движущейся целью. При этом применяется новая индикаторная система стабилизации с использованием ДУСов на основе ВОГ.

Научная новизна.

1. Получены системы уравнений с введением "трения" относительно земной поверхности для расчета управляющих моментов для движения по заданному закону оси приемника.

2. Разработаны алгоритмы работы подвеса с волоконно-оптическими гироскопами в режимах «Арретир ование», «Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Практическая ценность.

Разработанные алгоритмы позволили:

1). повысить вероятность поражения цели в условиях сложной целевой обстановки;

2). обеспечить большой угол поиска цели и малое время сканирования кадра;

3). снизить время установки оси приемника в заданное угловое положение благодаря введению тормозящего момента, пропорционального угловой скорости в инерциальной системе отсчета;

4). обеспечить стабилизацию оптической оси изделия, избежав при этом применения громоздких механических гироскопов (за счет применения волоконно-оптических гироскопов);

5). результаты исследования использованы в реальной ОКР.

Достоверность результатов обеспечиваются

экспериментальными данными математического моделирования и лабораторными испытаниями приемного узла СНБЭ.

На защиту выносятся:

1. Вывод и применение систем уравнений для расчета управляющих моментов, обеспечивающих заданный закон движения оси приемника с введением трения относительно земной поверхности.

2. Подбор коэффициентов в уравнениях для силовых моментов с помощью математического моделирования.

3. Алгоритмы работы подвеса в режимах «Арретирование»,

«Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 2 статьях.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, содержит 146 стр. текста, в том числе 25 рисунков и диаграмм. Список литературы включает 6 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель работы, показана научная новизна.

В первой главе выведены кинематические и динамические уравнения движения карданова подвеса, рассмотрен способ задания силового момента управления, проведено математическое моделирование на основе вышеуказанных уравнений, рассмотрены его результаты, основным из которых является подбор коэффициентов пропорциональности отклонению угла и угловой скорости относительно инерциальной системы отсчета в уравнениях для силовых моментов.

Для управления движением подвеса нужно с помощью силовых датчиков момента устремить реальное положение оси подвеса к желаемому. Но мы знаем желаемое положение этой оси только относительно земной системы координат (это выбранный нами закон сканирования), а не системы координат, связанной с корпусом. Поэтому первая задача, которую мы должны решить - рассчитать желаемый закон движения в связанной системе координат. Этот закон называется "лидером".

Ориентация подвеса определяется двумя углами поворота: внешней рамки - а и внутренней р относительно исходного состояния Будем считать, что собственные декартовы координаты корпуса описываются правой тройкой осей: X - вперед по оси корпуса и двуш поперечными У и Z, а внешняя ось подвеса параллельна оси Ъ Декартовы координаты подвеса описываются осями X, V и Т которые в исходном состоянии соответствуют X, У, Z.

Для понимания смысла параметров а и р примем, чт< положительное значение а соответствует повороту от исходного состояния всей тройки орт подвеса относительно оси корпуса Z так что ось X1 движется в направлении оси У, а положительное значение Р

повороту относительно оси подвеса Y* так, что ось X движется в направлении оси Z.

В результате вывода, который здесь опущен, были получены

уравнения: «

а = - (oz + [fiAz> + (оэх cosa + а>у sina) sinP] / cosp

(1)

Р = - (qx sina - coy cosa) - ПАУ> , которые определяют ту мгновенную скорость изменения аир, которая необходима для того, чтобы, при известных на борту сах , юу, coz, a и 3, ось приемника двигалась относительно инерциальной системы отсчета с заданной угловой скоростью QA (сох, соу, coz - угловые скорости, измеряемые ДУСамн). Именно эти уравнения применяются для расчета "лидера".

Для любой ГСН пропорционального наведения главной проблемой является обеспечение работы в инерциальной системе отсчета, несмотря на то, что сама она находится в подвижном корпусе. Для ГСН данной конфигурации, т.е. без гироподвеса, проблема сводится к тому, чтобы задать необходимое движение оси приемника относительно инерциальной системы отсчета.

Осуществить это можно, решив две задачи. Во-первых, необходимо определить, какое положение в текущем времени должен занимать кардановый подвес (с помощью уравнений (1)), а во-вторых, обеспечить такое силовое воздействие на него, которое устремит его к ?тому положению.

При этом существенно, чтобы в инерциальной системе отсчета овальное положение оси приемника следовало за вычисленным необходимым значением ("лидером") достаточно гладко. Для этого, очевидно, необходимо сформировать усилие, пропорциональное как /глам рассогласования, так и "трению", (т.е. угловой скорости) эеальной оси приемника относительно инерциальной системы отсчета. В этом случае реальное положение оси приемника на земле будет с некоторым запаздыванием, но без колебаний, следовать за лидером, гго крайне важно, т.к. именно это движение определяет принимаемый ;игнал.

Отметим, что даже управление по одной только угловой жорости относительно инерциальной системы отсчета само по себе без лидера) уже позволяет стабилизировать имеющееся положение или движение с постоянной заданной угловой скоростью), однако, как

показало предварительное математическое моделирование, только такая стабилизация оказывается недостаточной. Также недостаточным оказывается управление только по лидеру без угловой скорости.

Отметим следующий важный момент. Реальное физическое трение в конструкции или фиктивное трение, пропорциональное скорости подвеса относительно корпуса, приведет к тому, что подвес будет увлекаться за корпусом. А это как раз тот эффект, от которого необходимо избавиться.

Итак, из вышесказанного видно, что требуется создать силовой момент на подвесе, определяемый из соотношений: М«=К1(ал-а)-К2ПА2. , (2)

мР=к1(рл-р)-к2пАУ',

где ал и рл - текущие параметры лидера, находимые как решения дифференциальных уравнений (1), в которых а и р в правой части берутся с бортового датчика, а К] и К2 - постоянные коэффициенты, подбор которых осуществляется в процессе математического моделирования.

Но из уравнений ( 2 ) видно, что при Ма=Мр=0 (т. е. в идеальном случае, при работе на линейном участке) углы а и а„ (а также р и Рд) не совпадают. Получается сдвиг по углу:

ал-а = К2П\./К, , (3)

Рд - р = К2 0Ау/К1 .

Этот сдвиг нужно сделать как можно меньше, но полностью от нее избавиться невозможно, т. к. это можно сделать, только полносгьк убрав трение (К2=0). Но, трение совершенно необходимо, т.к. пр* отсутствии трения возникают незатухающие колебания.

Для моделирования рассмотрим динамику подвеса по; воздействием управляющих силовых моментов и корпуса совершающего произвольные угловые движения, характеризуемы« проекциями о>х , с»у и со* его угловой скорости относительнс инерциальной системы отсчета на собственные координатные оси X, "V и Z. Для этого выведем дифференциальные уравнения его движение (уравнения Лагранжа) в угловых координатах аир. Как известно, эти уравнения имеют вид:

а а

— [ЗШа] - [дШа] = 0, — [дЬ/бр] - [дЬ/Зр] = 0, (4) (к А

где функция Лагранжа Ь представляет собой разность кинетической 1

потенциальной энергии механическом системы и в данном случае может быть записана в виде: 1

Ь = — [ТО V + + ГПа2.2] - [Маа + МРР] , ( 5 )

2

где ПАХ. , С2АУ- и - проекции «абсолютной» угловой скорости подвеса на собственные оси координат,

Г , Р и Г - моменты инерции подвеса по тем же осям, (совпадающим с главными осями инерции, так, что смешанные компоненты тензора инерции тождественно равны нулю), М« и Мр - силовые моменты управления.

Отметим, что при таком выводе уравнений мы пренебрегаем механическим трением, а также пользуемся тем, что моменты инерции подвеса пренебрежимо малы по сравнению с моментами инерции всего остального как целого. Других упрощений не делается.

После простых, но достаточно длинных вычислений с учетом введенных для краткости записи обозначений А = Г^п'р + Гсоз2(3, <3 = святее - ШуСОБСх,

В = Г*СО82|$ + Г^т2!*, Р = сОхБта + ШуСОБа,

С = - ^ , (3 = ©хвша - ЮуСОБа , (б )

Б = - В , Р = шх5та + Юусова ,

получаем уравнения:

а . 1 .

—(а + С0г) = — { Мв + ЯРР + С( РРсоб2Р + И А

. 1 .

+ [(а + со2) р + — (Р + ю£)]8т2р) - БР(3 } (7 ) 2

(1.1 С .

—<Р + О) =— {Мр + —[2(а+ю2)Рсоз2р + [(а+сог)2 - Р2]мп2р]}. ск Я 2

При малых аир приближенные уравнения имеют вид:

Г2—<<х + аг) = [Яр - 0» - ^)(Оу](йх + Ма, Л

(В)

Я —(Р-©у) = 0я-Г

) (а + со2)юх + Мр,

Л

откуда сразу видно, что в этом случае при шх - 0, т.е. при отсутствии вращения по крену, свободный подвес (Ма = Мр = 0) сохраняет положение или движение с постоянной угловой скоростью своей продольной оси относительно инерциальной системы отсчета.

Задача подбора коэффициентов в уравнениях (2) для силовых моментов крайне важна, т. к. от величины этих коэффициентов очень сильно зависит отклонение реального положения подвеса от "лидера" (т. е. того положения, которое нам в данный момент необходимо иметь). Эта задача решалась методом математического моделирования.

Мат. моделирование осуществлялось с помощью уравнений (1) и (8). Положение "лидера" определяется из уравнений (1). Для этого сначала нужно заданный закон сканирования продифференцировать, то есть найти ПАУ и ПАг. Значения силовых моментов из уравнений (2) подставляются в уравнения (7).

Важно заметить, что в уравнения для силовых моментов (2) нужно подставлять реальные угловые скорости оси приемника относительно инерциальной системы отсчета и а не заданные законом сканирования С2АУ и ПАг.

Поскольку значения силового момента реально ограничены (например, в нашем случае - максимальным током, подаваемым на датчик момента), необходимо проследить, как это ограничение скажется на работоспособности изделия.

В результате математического моделирования (при прямоугольном законе сканирования) были подобраны оптимальные коэффициенты 1^=8 и К2=1.2.

Во второй главе рассмотрен состав и основные части реальной ГСН и карданова подвеса, подробно рассмотрены волоконно-оптические гироскопы (устройство и принцип работы), показаны алгоритмы работы подвеса в основных режимах, рассмотрен состав экспериментального макета и результаты его испытаний.

Принципиальная схема ГСН представлена на рис. 1.

рис. 1

1 - объектив с фотоприемным устройством

2 - оптический координатор

3 - датчик угла положения (2 шт.)

4 - датчик момента (2 шт.)

5 - вторичный источник питания

6 - электронная часть ГСН

7 - усилитель датчиков момента

8 - вычислитель

9 - датчик угловой скорости.

Работа всего алгоритма может происходить в четырех режимах:

1. Арретир ование

2. Предпоиск

3. Поиск

4. Захват

5. Сопровождение

В начальный момент работы изделия включен режим «Арретирование».

При активизации программы тактовым импульсом независимо от режима вводятся данные с АЦП приемника по всем 8 каналам, вычисляются максимальное, минимальное и среднее значения по ним и основные характеристики сигнала ББ и СЬ, имеющие соответственно смысл величины пространственно (по элементам

линейки приемника) профильтрованного сигнала и «центра тяжести» этого сигнала по длине линейки с гораздо лучшим, чем это определяется количеством элементов приемника, разрешением.

По анализу допустимости максимального и минимального значений входного сигнала принимается решение о необходимости корректировки усиления приемника, которое реализуется либо сразу (в режиме "Арретирование"), либо позже в подходящий для этого момент. В этом режиме управление передается далее блоку 2, в котором к окончанию этого режима постепенно формируется первичный порог по сигналу С5П (для каждого канала - отдельный порог).

По истечении 1024 тактов от начала работы (0.25 с) включается следующий режим - «Предпоиск». В этом режиме осуществляется сканирование трех строк для определения порога по клаттеру.

После этого и во всех остальных режимах, когда первичный порог уже определен, из ОБ и ОБ,, формируется окончательное значение сигнала ББ, которое обнуляется, т.е. цель считается заведомо отсутствующей, если 05 < СЗП. Полученное ОБ вместе с СЬ является исходной информацией для дальнейшей работы алгоритма. При этом отслеживается максимальное значение МАХ сигнала ББ от некоторых моментов времени, определяемых в других местах алгоритма обнулением величины МАХ.

В этой части алгоритма также может быть принято решение о необходимости корректировки усиления с отсроченным исполнением.

Далее в вычислитель вводятся данные со всех датчиков, и дальнейшая работа зависит от включенного в данный момент режима.

Во всех режимах блоки 6 и 7 обеспечивают управление подвесом и рулями.

В режиме «Поиск» осуществляется принудительное сканирование поверхности по заданному закону, определяемому блоком 4, на основе данных которого в блоке 6 вычисляется положение <сгадера» и необходимые силовые моменты для управления подвесом. Одновременно в блоке 3 анализируется сигнал на предмет обнаружения цели. В случае обнаружения цели, что может произойти после ее прохода (при этом ОВЫ - 2), включается режим «Приведение» и направление сканирования меняется на противоположное.

В режиме «Приведение» в течении шести проходов по цели

она под управлением блока 5 приводится к середине приемника, движение которого стабилизируется. Управление траекторией в этом режиме, как и во всех предыдущих, не производится.

В режиме «Сопровождение», включаемом по завершении предыдущего режима, под управлением того же блока 5 осуществляется удержание приемника на цели и вычисляется вектор угловой скорости линии визирования, на основе которого в блоке 7 осуществляется управление рулями для корректировки траектории объекта.

Кроме того, в режиме «Арретирование» подготавливаются данные ЬА и ЬВ, представляющие собой угловые координаты подвеса, которые при включении режима «Поиск» станут начальными значениями для решения дифференциального уравнения лидера.

С помощью макета реального изделия было получено, что при коэффициентах К]=9 и К2=1.2 сканирование близко к идеальному, за исключением наличия сдвиг по углу, как видно на рис. 2. Сдвиг угла ф=2.7°. Небольшое расхождение оптимальных результатов при математическом моделировании и испытаниях на макете объясняется тем, что уравнения, положенные в основу модели, не совсем точны, например, не учитывается реальное трение.

Толстой линией показан «лидер», тонкой - показания датчика

угла (строка). В случае других коэффициентов получается либо перерегулирование, либо недорегулирование. В одном случае (рис.3, К1=9, К2=2) сдвиг равна 4.35°. В первом же случае (рис.4, К1=9, К2=0.8) сдвиг по углу уменьшается (1.8°), но форма сигнала неудовлетворительна.

Из уравнений (3) видно, что сдвиг по углу неизбежен даже теоретически.

Этот сдвиг следует сделать как можно меньше, но полностью от нее избавиться невозможно, т. к. это можно сделать, только полностью убрав трение (К2=0). Но, как видно из рис. 4, уменьшение трения приводит к совершенно нежелательным эффектам, а именно, возникновению колебаний. Эта колебания могут привести к удару по упору, что вызовет срыв работы ГСН.

В третьей главе рассмотрена задача распознавания цели на фоне помех. В ней предложены алгоритмы устранения фонового сигнала и собственных шумов приемника, а также ложных срабатываний по флюктуациям рельефа.

Для устранения фонового сигнала применяется следующий принцип: в начальный момент времени после прихода сигнала разрешения работы, когда сигнал заведомо отсутствует (еще не начался выход из земли), измеряются величины сигналов на приемниках. Т. к. никаких сигналов еще нет, то эти величины и есть собственные шумы приемника. Причем, величины этих шумов для каждого из 8 каналов приемника будут различны. Поэтому и пороги для всех каналов будут различны.

Устранение фонового сигнала от подстилающей поверхности делается по способу, аналогичному только что рассмотренному. На максимальной дистанции от поверхности сканируется несколько строк, полученный сигнал усредняется. Затем добавляется некоторая величина. В отличие от приведенного выше способа устранения собственных шумов, здесь нужно проводить усреднение не только по времени, но и по всем каналам приемника. Впрочем, для достаточно "гладкой" подстилающей поверхности в этом нет необходимости, но например при работе в условиях тающего снега (с прогалинами), это делать обязательно.

Затем предлагаются алгоритмы устранения ложных срабатываний по некоторым наиболее часто встречающимся

флюкгуациям рельефа, а именно костру или другому горящему объекту, а также нагретой солнцем металлической крыше.

Четвертая глава посвящена анализу результатов.

1). Диапазон углов поиска цели (размах сканирования).

Диапазон углов поиска цели - крайне важный параметр, т. к.

именно от него (и от высоты) зависит площадь обзора изделия. Как показано в 2.4. нами был достигнут диапазон ±12°, что при высоте полета 600 м составляет охват земной поверхности около 6 га (2*600*tanl2°).

2). Точность определения координат (точность сканирования).

Достигнутая точность сканирования на линейном участке - 2

угловых минуты. Эта точность достаточна для правильного определения координат, т. к. минимальный угловой размер цели равен примерно 17 угловых минут (при линейном размере 3 метра и высоте, с которой производится обзор, 600 метров).

3). Обеспечение быстродействия системы (скорость сканирования).

Еще один крайне важный параметр - скорость сканирования, т. к. время, предназначенное для поиска цели, ограничено (вся система движется вниз со скоростью 150 м/с, поэтому время работы не превышает 6 секунд). И чем быстрее мы обнаружим цель, тем больше времени останется у нас на наведение и, следовательно, тем точнее оно будет. Из-за этого время осмотра кадра следует уменьшить как можно больше, а скорость сканирования - увеличить.

Скорость сканирования, которая должна быть достигнута, равна 240 град/сек, что позволяет просканировать кадр за 0.7 сек. В результате испытаний была достигнута скорость 300 град/сек. При этой скорости время осмотра кадра равно 0.52 сек, а значит, за все время полета (около 4 секунд), можно просканировать местность почти 8 раз.

4). Обеспечение всех параметров комплекса.

Каждый из вышеперечисленных параметров в отдельности от других может быть значительно улучшен по сравнению с цифрами, приведенными выше. Но это вызовет значительное ухудшение одного из двух других параметров. Например, если увеличить скорость сканирования до 360 град/сек, то либо мы должны будем уменьшить размах до 8 градусов, либо точность ухудшится в сотни раз (возникнет колебание в противофазе). С этим также можно бороться увеличением максимального тока в датчиках моментов, но это вызовет значительное усложнение конструкции и повышение

энергопотребления.

Отсюда видно, что крайне важным обстоятельством является то, что все эти значения параметроз достигаются одновременно

В приложениях представлен полный текст программы, реализующей алгоритмы работы карданова подвеса (приложение 1), подробное описание этой программы (приложение 2), а также описание программы математической модели работы карданова подвеса (приложение 3).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Выведены уравнения, по которым движется и управляется объектив в подвесе, оптическая ось которого вычерчивает на земле заданную траекторию.

2. С помощью созданной математической модели был произведен подбор коэффициентов для управления датчиками моментов.

3. Разработаны алгоритмы работы изделия в необходимых рабочих режимах.

4. Разработана программа, осуществляющая эти алгоритмы.

5. Проведен ряд экспериментов на шкете, доказавший справедливость подбора коэффициентов и работоспособность алгоритмов.

6. Достигнуты следующие параметры изделия:

1). Диапазон углов поиска цели - 24°.

2). Точность определения координат при сканировании - 2'.

3). Скорость сканирования - 240 град/сек (осмотр одного кадра за 0.7 секунды).

Эти параметры значительно превосходят все существующие в настоящее время системы (в первую очередь, по диапазону углов поиска цели и скорости сканирования), например, "Смельчак", "Сантиметр", "Краснополь", "Копперхед", "Мерлин" и "Стрик". Это превосходство объясняется тем, что в данном комплексе применен принципиально новый способ управления - с использованием волоконно-оптических гироскопов, а не механических гироскопов или флюгеров, как в вышеуказанных комплексах, а также использован высокоскоростной бортовой микрокомпьютер.

В целом разработан и исследован узел стабилизации и сканирования для нового поколения ГСН для высокоточных боеприпасов на основе современной элементной базы.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Отчет инв. № 38440/6. АООТ "Импульс" 1997 г.

2. П.А. Гущин, А.Г. Кардашян "Организация сканирования индикаторного быстродействующего подвеса системы наведения с использованием автономных волоконно-оптических гироскопов". Материалы ХЫ1 конференции МФТИ, 1999 г., т.2, стр. 20.

Введение. Постановка задачи. Специфика применения датчиков угловых скоростей. стр.

Глава 1. Организация управления подвесом.стр.

1.1. Вывод кинематических и динамических уравнений движения подвеса.стр.

1.2. Понятие "лидера". Задание силовых моментов. Введение трения относительно земли.стр.

1.3. Проблема подбора коэффициентов в уравнениях для силовых моментов. Проведение подбора с помощью математического моделирования. стр.

Специфика применения датчиков угловых скоростей.

Задача борьбы с бронетехникой противника всегда являлась и является крайне важной задачей. В последнее время из-за все более усиливающейся защиты танков от ПТУР (как пассивной, так и активной) все чаще ставится задача поражения бронетехники сверху, где броня значительно тоньше, а средства защиты обычно не устанавливаются.

Все разработки в данной области, как отечественные, так и зарубежные, можно разделить на три основные категории:

1). Комплексы с лазерной подсветкой цели.

Примерами такого вида комплексов являются отечественные разработки "Смельчак", "Сантиметр", "Краснополь" и иностранный комплекс "Копперхед". Все эти комплексы наводятся на лазерное пятно, которым необходимо подсвечивать цель. Причем в "Смельчаке" и "Сантиметре" используется метод "погони", реализуемый с помощью флюгера, а в "Краснополе" и "Копперхеде" - метод пропорционального наведения, реализуемый с помощью механических (силовых) гироскопов.

Эти комплексы имеют ряд недостатков. Во-первых, необходимость лазерной подсветки сильно ограничивает область их применения. Во-вторых, наведение с флюгером дает возможность осуществить только один метод наведения - метод погони, который неэффективен при работе по быстро движущейся цели и при сильном ветре, а механические гироскопы позволяют вести поиск цели в крайне малом диапазоне углов (порядка 3°) при скоростях сканирования не более 80 град/сек. Еще один недостаток систем с механическими гироскопами - большая масса самих гироскопов, приводящая к увеличению общего веса изделия.

2). Самонаводящиеся комплексы, работающие в миллиметровом диапазоне.

Пример - английский комплекс "Мерлин".

3). Комплексы, работающие в тепловом диапазоне.

Все данные комплексы еще только находятся в разработке. Примером разработки такого рода является шведский комплекс "Стрик".

Преимуществом этого комплекса и комплекса "Мерлин" является то, что они не требуют лазерной подсветки цели. Недостатком же по сравнению с вышеупомянутыми четырьмя комплексами является необходимость применения более чувствительных приемников. Другие недостатки, связанные с тем, что в обоих этих комплексах применяются механические гироскопы, рассмотрены выше.

Данная работа посвящена проблеме поражения танков самонаводящимся устройством (СНУ). Рассматривается работа такого устройства, поднятого на некоторую характерную высоту (ниже средней высоты облачности, 600-И550 м).

После выстреливания СНУ на высоте 600ч-650 м стабилизируется по направлению относительно вертикали по крену и тангажу.

Начиная с высоты 600 м, оптическая система сканирует земную поверхность для обнаружения цели.

Обнаружив цель, ГСН определяет параметры отклонения траектории СНУ относительно цели, вырабатывает команды на органы управления для коррекции траектории и обеспечения прямого попадания в цель.

Главная особенность разрабатываемой системы - полная автоматизация и автономность функционирования, все происходит автоматически, без участия оператора.

Современные технологии определили выбор варианта ГСН с применением ФПУ в виде 8-ми элементной линейной фотоматрицы с электронным охлаждением в сочетании с линзовым объективом. Указанная оптическая система размещена в двухосной карданной системе, управляемой по команде бортовой ЭВМ с углами прокачки ±20°.

В системе управления и стабилизации оптической системы вместо традиционного механического гироскопа используется трехосный датчик угловых скоростей (ДУС) на основе волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Эта структура позволяет перенести центр тяжести требований по быстродействию и точности на узел ДУСов и бортовую ЭВМ, то есть на электронные блоки, обладающие потенциально более высокими точностями и быстродействием, а также более технологичными в производстве.

Система ДУСов по сравнению с механическими гироскопами обладает следующими преимуществами: значительное уменьшение габаритов и веса изделия и возможность отключения стабилизации, например, для сканирования (для силового трехосного гиростабилизатора (TTC) это невозможно, т. к. гироскоп препятствует любому повороту, в том числе и тому, который необходим). ДУС же не препятствует задаваемому программно повороту, что позволяет при сканировании осмотреть большой участок поверхности земли (до 6 га), что значительно повышает вероятность обнаружения цели.

Цель работы - разработка алгоритмов управления осью оптической системы, установленной на кардановом подвесе, обеспечивающих вычерчивание оптической осью на земной поверхности траектории с заданными пространственными и временными параметрами, определяемыми требованиями поиска цели на большой площади за короткий временной промежуток, точности определения углового положения и слежения за движущейся целью. При этом применяется новая индикаторная система стабилизации с использованием ДУСов на основе ВОГ.

В первой главе выведены кинематические и динамические уравнения движения карданова подвеса, рассмотрен способ задания силового момента управления, проведено математическое моделирование на основе вышеуказанных уравнений, рассмотрены его результаты, основным из которых является подбор коэффициентов пропорциональности отклонению утла и угловой скорости относительно инерциальной системы отсчета в уравнениях для силовых моментов.

Во второй главе рассмотрен состав и основные части реального карданова подвеса, подробно рассмотрены волоконно-оптические гироскопы (устройство и принцип работы), показаны алгоритмы работы подвеса в основных режимах, рассмотрен состав экспериментального макета и результаты его испытаний.

В третьей главе рассмотрена задача распознавания цели на фоне помех. В ней предложены алгоритмы устранения фонового сигнала и собственных шумов приемника, а также ложных срабатываний по флюктуациям рельефа.

Четвертая глава посвящена анализу результатов.

В приложениях представлен полный текст программы, реализующей алгоритмы работы карданова подвеса (приложение 1), подробное описание этой программы (приложение 2), а также описание программы математической модели работы карданова подвеса (приложение 3).

Научная новизна.

1. Получены системы уравнений с введением трения относительно земной поверхности для расчета управляющих моментов по заданному закону движения оси приемника.

2. Составлены алгоритмы работы подвеса с волоконно-оптическими гироскопами в режимах «Арретирование», «Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Практическая ценность.

Разработанные алгоритмы позволили:

1). повысить вероятность поражения цели в условиях сложной целевой обстановки;

2). обеспечить большой угол поиска цели и малое время сканирования кадра;

3). снизить время установки оси приемника в заданное угловое положение благодаря введению тормозящего момента, пропорционального угловой скорости в инерциальной системе отсчета;

4). обеспечить стабилизацию оптической оси изделия, избежав при этом применения громоздких механических гироскопов (за счет применения волоконно-оптических гироскопов);

5). результаты исследования использованы в реальной ОКР.

Достоверность результатов обеспечиваются экспериментальными данными математического моделирования и лабораторными испытаниями приемного узла СНУ.

На защиту выносятся:

1. Вывод и применение систем уравнений для расчета управляющих моментов, обеспечивающих заданный закон движения оси приемника с введением трения относительно земной поверхности.

2. Подбор коэффициентов в уравнениях для силовых моментов с помощью математического моделирования.

3. Алгоритмы работы подвеса в режимах «Арретирование», «Предпоиск», «Поиск» и «Сопровождение».

Заключение.

Были достигнуты следующие результаты:

1. Выведены уравнения, по которым движется и управляется объектив в подвесе, чтобы "вычертить" на земле заданную траекторию.

2. С помощью созданной математической модели был произведен подбор коэффициентов для управления датчиками моментов.

3. Разработаны алгоритмы работы карданового подвеса в необходимых рабочих режимах.

4. Написана программа, осуществляющая эти алгоритмы.

5. Проведены эксперименты, подтверждающие справедливость подбора коэффициентов и работоспособность алгоритмов.

6. Достигнуты следующие параметры изделия:

1). Диапазон углов поиска цели - 24°.

2). Точность определения координат - 2'.

3). Скорость сканирования - 240 град/сек (осмотр одного кадра за 0.7 секунды).

Эти параметры значительно превосходят все существующие в настоящее время системы (в первую очередь, по диапазону углов поиска цели и скорости сканирования), например "Смельчак", "Сантиметр", "Краснополь", "Копперхед", "Мерлин" и "Стрик". Это превосходство достигнуто тем, что в данном комплексе применен принципиально новый способ управления - с использованием волоконно-оптических гироскопов, а не механических гироскопов или флюгеров, как в вышеуказанных комплексах, а также использован высокоскоростной бортовой микрокомпьютер.

В целом разработан и исследован узел стабилизации и сканирования для нового поколения ГСН для высокоточных боеприпасов на основе современной элементной базы.