2
Содержание
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ............................................4
1.1 Постановка задачи......................................4
1.2 Обзор методов наведения...............................12
1.3 Функциональная схема системы..........................18
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАВЕДЕНИЯ.........................................................21
2.1 Математическая модель движения объекта управления 24
2.2 Модель вращения двухосного карданного подвеса на произвольно вращающемся основании под действием моментов внешних сил...................................................29
2.3 Математическая модель цели............................37
Заключение по второй главе. ..............................40
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ АЛГОРИТМА НАВЕДЕНИЯ...................41
3.1 Этапы наведения.......................................41
3.2 Выход на режим........................................43
3.2.1 Управление рулями. Стабилизация вращения..........43
3.2.2 Управление подвесом. Арретирование................45
3.3 Поиск и обнаружение цели..............................46
3.3.1 Математическое описание вращения оптической оси сканирующей системы.......................................48
3.3.2 Построение кадра сканирования.....................52
3.3.3 Алгоритм управления подвесом для реализации задаваемого закона сканирования.......................................57
3.3.4 Взаимодействие внутреннего и внешнего контуров....63
3.3.5 Критерий обнаружения цели.........................67
3.4.Сопровождение цели....................................70
3.4.1 Алгоритм сканирования цели........................73
3.4.2 Алгоритм вычисления угловой скорости линии визирования.. 77
3.4.3 Алгоритм формирования управляющего сигнала /(1)...89
з
Заключение по третьей главе...........................101
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА НАВЕДЕНИЯ 102
4.1. Исследование зависимости конечного промаха от целевой обстановки................................................103
4.2. Основные узлы изделия и их погрешности...........115
4.2.1 Блок вычислителя...............................115
4.2.2 Аналого-цифровой преобразователь...............116
4.2.3 Фотоприемник...................................117
4.2.4 Волоконно - оптический гироскоп. Принцип работы 121
4.2.5 Датчик угла сканирующей системы................123
4.2.6 Математические модели ДУ иДУС (ВОГов)..........124
4.2.7 Датчик момента сканирующей системы.............125
4.3 Исследование влияния погрешностей ДУ и ДУС на качество разработанной ситбмы......................................126
4.4 Возможности аппаратной реализации бортового вычислителя. ..........................................................129
Заключение по четвертой главе.........................131
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................132
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ КООРДИНАТНЫХ СИСТЕМ........................................................136
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ....................................................141
П2.1 Математическая модель действующих на корпус и рули
аэродинамических сил и моментов.............................141
П2.2 Модель рулевой машины............................146
П2.3 Формирователь ШИМ сигналов рулевых машин.........148
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА:................................151
4
Глава 1. Введение.
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 ГСП, 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 линии
5
визирования позволяет реализовать наиболее эффективный метод пропорционального наведения. В разработанных ранее головках самонаведения, реализующих пропорциональное наведение - «Коппсрхсд», «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.
6
Системы наведения принято классифицировать но 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 поражающего
элемента в определяемую ими точку прицеливания;
• самонаводящиеся - доставляющие, а не отстреливающие поражающий
элемент;
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 ГСП, 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.
7
алгоритмы внешнего контура могут быть изменены или дополнены с учетом условии 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 обнаружелной 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 фотоприсмника-«линсйки» приведены в третьей главе при формировании тестового сигнала цели и в четвертой главе при обзоре фотоприем ного 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.
Целыо 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 специально
8
разработанных 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 дай 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 внешнего
контуров 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;
9
• 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 и определены 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 гиростабилизнрованной платформы и силовых гироскопов.
• Алгоритм взаимодействия внутреннего и внешних контуров управления, как обеспечивающий эффективную коррекцию траектории объекта, так и
10
позволяющий 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 цслыо 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 нс 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.
1 фактическую 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 но настройке отдельных элементов;
• рекомендации по аппаратной реализации бортового вычислителя;
II
• рекомендации по возможным модификациям (использованию другого фотоприемника) сканирующей системы для реализации наведения па «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.
Полущенные в работе научные выводы и технические предложения докладывались и обсуждались на научно технических совещаниях в АО «Импульс» и научно-технических конференциях в МФТИ.
12
1.2 Обзор методов наведения.
В данном разделе охарактеризуем основные методы наведения. Будет дано краткое теоретическое обоснование методов, их принципиальные недостатки и достоинства. Также будут кратко сформулированы требования к аппаратной части, необходимой для их реализации.
Определим задачу наведения как задачу формирования управляющего воздействия на систему в процессе движения изделия по траектории с целью минимизации конечного промаха.
В зависимости от критерия минимизации предполагаемого промаха, по которому на борт)' формируется управляющее воздействие, методы наведения классифицируются как пропорциональное наведение, прямое наведение и погоня.
Рассмотрим движение объекта управления но траектории и произвольное движение цели в инерциальной системе координат (СК), связанной с землей. В этой СК определяется промах - как минимальное расстояние между изделием, движущимся по заданной траектории, и целыо (движение которой, в общем случае не задано априорно).
Условимся все векторные величины на рисунках и в тексте в дальнейшем выделять жирным шрифтом, например: Я = Я
1
Плоскость промаха
Рис.1.1-1. Относительное движение изделия и цели.
13
Положение объекта управления в стартовой СК задается вектором 11|(, положение цели - вектором Кц. Вектор И характеризует их относительное положение. Этот вектор принято называть «линией визирования» цели. Относительная скорость V представляет собой производную вектора Я : ж 7 АИ. пс!е
V = ак/т = е— + К — -и имеет две составляющие:
1. е направленную по линии визирования и определяющую скорость
ск
сближения изделия и цели V, и
2. К вторую составляющую, определяемую поворотом единичного
си
вектора е, направленного но линии визирования. с1е/(Й=[\Уе].
Вектор \У определяет угловую скорость поворота вектора е. Определенный таким образом вектор \У, определяющий угловую скорость, лежит на оси, относительно которой происходит поворот, и направление его определяется направлением поворота (по правилу правой руки), а величина -производной угла поворота по времени. Заметим, что вторая компонента
СІЄ
относительной скорости изделия и цели Я— =К[\Уе]=[\УЯ] лежит в так
ск
называемой «плоскости промаха» - плоскости, в которой находится цель, и которая перпендикулярна линии визирования цели. Если движение объекта управления и цели происходит неуправляемо и без действия внешних сил (то есть - прямолинейно с неизменной скоростью), первая составляющая скорости ( дЯ \
(----) определяет время, через которое объект управления пересечет плоскость
(и
промаха, а вторая составляющая [\УЯ] определяет промах в этой плоскости -гак называемый «мгновенный промах». Мгновенный промах в любой момент времени при произвольных движениях цели и изделия рассчитывается как
где Т - время полета до плоскости промаха. Заметим, что для расчета фактического промаха - того промаха, который будет реализован, необходимо
ск (к
(ІЯ
(1.1-1)
Ь=К*(с1е/с]0*Т= Я*[\Уе] *К/(і1Я/аі)=К2*[\\'с]/(с1 ЯЛИ) (І.І-2)
- Киев+380960830922