Содержание:
Введение. Постановка задачи. Специфика применения датчиков
угловых скоростей.......................................... стр. 4
Глава 1. Организация управления подвесом...................стр. 10
1.1. Вывод кинематических и динамических уравнений движения подвеса...........................................стр. 10
1.2. Понятие "лидера”. Задание силовых моментов. Введение трения относительно земли..................................стр. 19
1.3. Проблема подбора коэффициентов в уравнениях для силовых моментов. Проведение подбора с помощью математического моделирования.............................. стр. 22
1.4. Заключение по главе 1........................... стр. 46
Глава 2. Разработка алгоритмов изделия на основе полученных результатов моделирования..................................стр. 47
2.1. Состав изделия и назначение основных частей стр. 47
2.2. Определение угловых скоростей. Волоконно-оптические гироскопы................................................стр. 56
2.3. Основные режимы работы изделия и алгоритмы их реализации................................................. стр. 65
2.4. Испытания изделия и его результаты.............. стр. 81
2.5. Заключение по главе 2........................... стр. 93
Глава 3. Алгоритм обнаружения цели......................... стр. 94
3.1. Устранение фонового сигнала и собственных шумов приемника.................................................. стр. 94
3.2. Устранение ложных срабатываний по флюктуациям рельефа.................................................... стр. 95
3.3. Заключение по главе 3........................... стр. 97
2
Глава 4. Результаты работы..................................стр. 98
4.1. Диапазон углов поиска цели (размах сканирования). ............................................................стр. 98
4.2. Точность определения координат (точность сканирования). .............................................................стр 98
4.3. Обеспечение быстродействия системы (скорость
сканирования)...........................................стр. 99
4.4. Обеспечение всех параметров комплекса........стр. 99
4.5. Заключение по главе 4 стр. 100
Заключение. стр. 101
Приложение 1. Программа алгоритмов работы изделия стр. 104
Приложение 2. Описание работы программы стр. 118
Приложение 3. Описание программы математической модели. стр. 141
3
Введение. Постановка задачи.
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 "Коиперхеде" - 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
4
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, 6004-650 м).
После выстреливания СНУ на высоте 6004-650 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, ГСП определяет параметры отклонения траектории СНУ относительно цели, вырабатывает команды на
5
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 сочегании 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 (ТГС) 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
б
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.
7
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 волокошю-оптических гироскопов);
5). результаты исследования использованы в реальной ОКР.
8
Достоверность результатов обеспечиваются
экспериментальными данными математического моделирования и лабораторными испытаниями приемного узла СНУ.
На защиту выносятся.
]. 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».
9
Глава 1. Организация управлення подвесом.
Основная задача, решаемая в данной главе - организация сканирования карданова подвеса, двигающегося некоторым образом относительно земли (в пределах данной задачи будем считать землю инерциалъной системой отсчета) по заданному именно в этой инерциальной системе отсчета закону. Подвес не является гиростабилизированным, но угловые скорости движения подвеса в связанной системе координат известны в каждый момент времени (измеряются ДУСами - датчиками угловой скорости).
1.1. Вывод кинематических и динамических уравнений движения подвеса.
В этом разделе будут рассмотрены две проблемы. Первая -как задать необходимое движение оси приемника относительно инерциальной системы отсчета, и вторая - как ведет себя подвес внутри подвижного корпуса.
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 двумя поперечными У и а внешняя ось подвеса параллельна оси Ъ. В свою очередь декартовы координаты подвеса описываются осями X', У' и X, которые в исходном состоянии соответствуют X, У, Ъ.
10
Для однозначного понимания смысла параметров а и р примем, что положительное значение а соответствует повороту от исходного состояния всей тройки орт подвеса относительно оси корпуса Ъ так, что ось X' движется в направлении оси У, а положительное значение р - повороту относительно оси подвеса У так, что ось X' движется в направлении оси Ъ. Схема подвеса представлена на рис. 1.1.
и
В этом случае для произвольного вектора V, заданного
своими компонентами в системе координат подвеса V, его
компоненты в системе координат корпуса находятся из соотношений
V = К (ot)K (p)V’ =K(cc,P)V\ (1.1) а также наоборот
V = К (-Р)К (-a)V = К (-P,-a) V , (1.2) где коэффициенты преобразования в матричной записи
(к\ к’2 кМ
К> I К2, К22 К2з I U5, К32 К3з J
имеют вид:
(cos a -sin a 0 (cos Р 0 -sin р ^
K(a) = I sin a cosa 0 |, К(р) = I 0 1 0 |. ( 1.3 )
^ О 0 1) ^ sin Р 0 cos f>)
Поскольку датчики угловой скорости корпуса дают се проекции на координатные оси корпуса X, Y, Z, необходимо определить проекции на те же оси угловой скорости оси приемника, т.е. оси X', при произвольных значениях аир.
Для этого обозначим через е'го тройку ортов координатной системы подвеса, компоненты которых в собственной координатной системе X’, Y\ Z, очевидно, имеют вид
e'kra = 5km. (1.4)
Тогда В силу (1) компоненты любого ИЗ векторов Єго в системе координат корпуса
е1га=К1т(а,Р)ерш = К|т(а,Р) (1.5)
• •
и при наличии отличных от нуля производных а и Р будут изменяться во времени, так, что
12
- Київ+380960830922