CC BY
31
7. Zhilenkov A.A. Based on MEMS sensors man-machine interface for mechatronic objects control / A. A. Zhilenkov, D. Denk // Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRus 2017, St. Petersburg, 01-03 февраля 2017 года. St. Petersburg, 2017. P. 1100-1103.
8. Головко С.В. Алгоритмическое обеспечение судовых систем управления с упреждающей диагностикой отказов // Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технологии. 2011. № 1. С 28-31.
9. Поделенюк П.П., Черный С.Г., Кайнова Т.Д., Жиленков А.А. Идентификация гармонического состава токов и напряжений в автономной энергосистеме при нестабильной частоте тока // Электротехника. 2022. № 6. С. 51-55.
10. Авдеев, Б.А. Исследование работы системы управления гребного электропривода автономных подводных аппаратов / Б.А. Авдеев, А.В. Вынгра, С.Г. Черный // Информационные технологии и вычислительные системы. - 2022. - № 3. - С. 108-121.
Воронцов Дмитрий Николаевич, аспирант, инженер лаборатории, dn. voronzov@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет
STUDY OF WAYS TO IMPLEMENT PARAMETRIC IDENTIFICATION ALGORITHMS BASED ON THE
LEAST SQUARES METHOD
D.N. Vorontsov
This article shows possibility of improving way of applying identification algorithms based on the least square method with a view to achieve more reliable information about the system. Studied method is applied to a discrete autoregressive average model with moving average as to the most general kind of linear discrete transfer functions or its part, the input and output of the object is the measured parameters that taken with account of measuring noise. In conclusion, proposed applied application of the parameter identification algorithm to restore output signal as result of combining with the Kalman filtering algorithm.
Key words: identification, mathematical modeling, non-stationary systems, filtering.
Vorontsov Dmitry Nikolaevich, postgraduate, laboratory engineer, dn.voronzov@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Maritime Technical University
УДК 531.383
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-145-150
ФОРМИРОВАНИЕ ОБЛИКА ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Н.А. Зайцев, Ю.Н. Адякин, Д.М. Малютин, А.В. Борисов, В.А. Орлов
Проведен анализ технических характеристик современных опорно-поворотных устройств (двухкоординатных электроприводов) в сегменте нагрузки 10-20 кг. Сформулированы требования к опорно-поворотным устройствам носимого типа нового поколения и намечены пути их реализации.
Ключевые слова: опорно-поворотное устройство, двухкоординатный электропривод, антенна.
Опорно-поворотные устройства (ОПУ) предназначены для дистанционного изменения направления оптической оси телевизионной системы с изменяемой скоростью по командам оператора в двух плоскостях (вертикальной и горизонтальной), а также управления углом обзора и фокусировкой видеокамеры [1-5]. Также ОПУ широко применяются в радиолокации для дистанционного управления положением антенн радиолокационных станций (РЛС) разведки наземных движущихся целей (РНД11) В настоящее время разработано новое поколение многолучевых РЛС РНДЦ с цифровой фазированной антенной решеткой (ЦФАР), которые обеспечивают практически мгновенный обзор пространства (0,1 с) ограниченного сектора (900) [6]. С целью обеспечения кругового обзора такой РЛС необходим высокоскоростной привод. Разработка малогабаритных ОПУ, функционирующих по двум координатам, при этом обладающих высокими скоростями переброса, высокой точностью позиционирования для носимых РЛС, является актуальной задачей.
Конструкции и технические характеристики современных отечественных и зарубежных двухкоординатных опорно-поворотных устройств. На рис. 1-4 приведены конструкции зарубежных и отечественных двухкоординатных опорно-поворотных устройств, а в табл. 1 - их технические характеристики, характеризующие достигнутый на данный момент времени технический уровень в сегменте нагрузки от 10 до 20 кг в данной области [1-4].
Опорно-поворотное устройство (ОПУ) РТ^404НМ фирмы ООО «Бик-Информ» предназначено для дистанционного изменения направления оптической оси камерного блока с изменяемой скоростью по командам оператора в двух плоскостях (вертикальной и горизонтальной), а также управления углом обзора и фокусировкой видеокамеры в сборе с объективом в защитном термокожухе в составе телевизионной системы и может также применяться в других областях для дистанционного управления положением устанавливаемой на нем аппаратуры, например, видеокамер, тепловизоров, осветителей, лазерных установок, дальномеров, антенн и т.д.
Рис. 1. Опорно-поворотное устройство Рис.2. Опорно-поворотное устройство
PTR-404HM ООО «Бик-Информ» HB-1510 фирмы ССТУ Security Systems
Рис. 3. Опорно-поворотное устройство Рис. 4. Опорно-поворотное устройство
ОПУ ZL-3040 фирмы ССТУ Security Systems NERO фирмы ОАО «Пергам -Инжиниринг»
Дистанционное управление положением обеспечивается посредством интерфейса RS485/422 и (или) Ethernet (в зависимости от варианта исполнения); задаваемые пользователем предустановки; предварительный нагрев и выход на рабочий режим после запуска изделия при отрицательных температурах. Время предварительного нагрева и выхода ОПУ на рабочий режим при отрицательных температурах -не более 60 минут.
Механизмы поворота и наклона состоят из шагового двигателя и червячной передачи, обеспечивающих изменение направления поворотного кронштейна. Модель PTR-404HM-E имеет в своем составе датчики положения (энкодеры), которые предназначены для указания направления движения и величины углового перемещения поворотного механизма и исключают возникновение и накопление погрешности его положения.
Достигнутые в настоящее время технические характеристики ОПУ решают задачу управления положением оптической аппаратуры, однако являются недостаточными для антенны перспективных РЛС ЦФАР носимого типа. К основным недостаткам существующих ОПУ можно отнести невысокую скорость поворота в горизонтальной плоскости, малую точность позиционирования и значительные массо-габаритные характеристики.
Таблица 1
Технические характеристики^ отечественных и зарубежных ОПУ_
Модель PTR-404HM HB-1510 ZL-3040 NERO
Угол поворота в азимуте, градус от 0 до 360 от 0 до 360 от 0 до 360 от 0 до 360
Скорость поворота, градус/с 40/80*(*-PTR-404HM-R) 0,01-30 0,1-9 0,1-50
Угол наклона, градус от +45 до -90 0,01-30 от -85 до +20 от -90 до +90
Скорость наклона, градус/с 20/50*(*-PTR-404HM-R) 0,01-15 0,1-5 0,1-50
Точность позиционирования, градус 0,3 0,1 1 0,085
Количество предустановок 64 200 80 -
Максимальная осевая нагрузка, кг 20 10 10 2х7
Класс защиты корпуса IP66 IP66 IP66 IP66
Диапазон рабочих температур, 0С Стандартное исполнение Северное исполнение от -40 до +50 от -60 до +50 от -25 до +65 от -25 до +65 от -32 до +55
Напряжение питания DC 18-36/ AC24 DC- 28/AC24 DC 24/ AC24 DC 24
Потребляемая мощность не более 85Вт не более 50Вт не более 60Вт без подогрева -
Габаритные размеры, мм 150*195*225 223*140*235 190*165*275 222*172*202
Масса, кг 7 5,5 5,7 7,5
Тип передачи червячная червячная червячная -
Пути реализации перспективного ОПУ.
1. Конструкция. Указанные выше недостатки существующих ОПУ могут быть устранены при реализации конструкции ОПУ нового поколения. Использование червячной передачи в существующих ОПУ обуславливает невысокий к.п.д. (до 50 % в самотормозящихся передачах) вследствие больших потерь мощности на трение в зацеплении и повышенное изнашивание и заедание, а использование шаговых двигателей низкую удельную мощность привода, невысокие скорости вращения, возможную потерю позиционирования и сложную систему управления. Построение перспективного ОПУ нового поколения осуществляется на базе волнового редуктора отечественной разработки, способного передавать большие нагрузки при малых габаритах и массе и имеющего малую кинематическую погрешность вследствие многопарности зацепления, отечественных высокоточных оптико-электронных преобразователей (ЛИР-ДА219А) и отечественного токосъемного устройства. В качестве исполнительных двигателей планируется применение отечественных коллекторных двигателей постоянного тока (ДС-27-01 и ДС-28-01) с возбуждением от постоянных магнитов, имеющих высокое соотношение номинальный момент/массо-габаритные характеристики, способных работать в заторможенном режиме и удерживать нагрузку неподвижно долгий промежуток времени.
Таким образом, существенного снижения массы ОПУ удается добиться за счет применения высоко моментных двигателей типа ДС, имеющих высокое соотношение момент/массо-габаритные характеристики, отсутствия необходимости установки дополнительных датчиков угла для позиционирования положения ротора двигателя, как в случае применения двигателей типа ДБМ, компактной конструкции высокоточного волнового редуктора отечественной разработки с небольшим передаточным отношением (45 - по азимутальному каналу и 85 - по каналу высоты).
2. Динамическая точность. Перспективный двухкоординатный ОПУ нового поколения работает в режиме следящей системы. Высокая точность позиционирования достигается за счет применения оригинального закона управления коллекторными двигателями постоянного тока и требуемой формы сигнала задатчика, волнового редуктора с малым упругим люфтом, отечественных оптико-электронных датчиков угла с достаточной разрядностью [7].
3. Информационное взаимодействие. Информационное взаимодействие с изделием планируется осуществлять по интерфейсу Ethernet, при этом предусмотрена возможность информационного сопряжения по беспроводной линии связи по средствам Wi-Fi. В конструкции вращающегося коммутационного устройства ОПУ исключены информационные линии связи, что существенно снижает его массу и габариты. Схема управления исполнительной частью привода будет реализована на усилителях звуковой частоты TDA7498 и микроконтроллере 1986ВЕ93У. Усилители TDA7498 обладают высоким КПД (90 %), что способствует низкому энергопотреблению и уменьшению массо-габаритных параметров, так как не требуется включение в конструкцию привода массивных теплоотводящих конструктивных элементов. Управление приводом реализуется, по имеющемуся в изделии интерфейсу RS-485 и специализированному протоколу. Синхронизация информационного взаимодействия достигается за счет синхропо-сылок, содержащихся в каждой кодограмме.
Технические характеристики перспективного электропривода. Сформулируем требования к техническим характеристикам нового двухкоординатного перспективного ОПУ антенны РЛС с ЦФАР носимого типа, имеющего малые массо-габаритные характеристики, высокую скорость переброса, высокую точность позиционирования (табл. 2), достижимость которых подтверждена на этапе эскизного проектирования.
Таблица 2
Технические характеристики перспективного ОПУ_
Угол поворота в азимуте, градус от 0 до 360
Скорость поворота в азимуте, градус/с максимальная средняя 120 70
Максимальное угловое ускорение по азимуту, градус/с2, не более 360
Угол наклона, градус от +25 до -5
Скорость наклона, градус/с максимальная средняя 30 16
Максимальное угловое ускорение по углу места, градус/с2, не более 150
Точность позиционирования, градус 0,02
Осевая нагрузка, кг 11
Класс защиты корпуса 1Р66
Диапазон рабочих температур, 0С от -40 до +50
Напряжение питания 27 В постоянного тока
Потребляемая мощность, Вт, не более 60
Габаритные размеры, мм 157,7x125x118
Масса, кг, не более 2,5
Тип передачи волновая передача
Предельная сила тока через токосъемник, А 10
Упругий люфт в цепях вал двигателя - вал нагрузки при максимальных угловых ускорениях, угловые минуты 0,5
К.п.д. приводов, % 80
Максимальное ветровое воздействие на закрепленную нагрузку площадью до 0,15 м2, м/с, не более 30
Сравнительные технические характеристики перспективного и существующих отечественных и зарубежных ОПУ. В табл. 3 приведены сравнительные технические характеристики перспективного и существующих отечественных и зарубежных ОПУ.
Таблица 3
Технические характеристики перспективного и существующих отечественных и зарубежных ОПУ
Модель Перспективное ОПУ Аналоги: PTR-404HM. HB-1510, ZL-3040, NERO
Угол поворота в азимуте, градус от 0 до 360 от 0 до 360
Скорость поворота в азимуте, градус/с
максимальная 120 70 9-80
средняя
Угол наклона, градус от +25 до -5 От -90 до +90
Скорость наклона, градус/с
максимальная 30 5-50
средняя 16
Точность позиционирования, градус 0,02 0,085-1
Осевая нагрузка, кг 11 10-20
Класс защиты корпуса 1Р66 IP66
Диапазон рабочих температур, 0С от -40 до +50 от -40 до +65
Напряжение питания, В DC 27 DC 18-36/AC24
Потребляемая мощность не более 60Вт 50-85Вт
Габаритные размеры, мм Произведение трех габаритных размеров, м3 157,7x125x118 0,0023 0,007-,0,04
Масса, кг не более 2,5 5,5-7,5
Тип передачи волновая передача червячная
Тип двигателя Постоянного тока, с возбуждением от постоянных магнитов шаговый
Заключение.
1. Перспективный двухкоординатный ОПУ нового поколения работает в режиме следящей системы и обеспечивает точность позиционирования в 4,25 раза выше по сравнению с аналогами.
2. ОПУ нового поколения обеспечивает максимальную скорость поворота в азимуте в 1,5 раза выше по сравнению с аналогами.
3. Масса конструкции ОПУ нового поколения в 2,2 раза меньше массы лучшего из
аналогов.
4. Произведение трех габаритных размеров разрабатываемого ОПУ нового поколения в 3 раза меньше произведения трех габаритных размеров лучшего из аналогов. Следует отметить, что характеристики пунктов 1-4 заключения реализуются при большем плече расположения центра масс нагрузки по отношению к оси прокачки по каналу высоты по сравнению с аналогами.
5. По остальным позициям технических характеристик конструкция ОПУ нового поколения не уступает лучшим отечественным и зарубежным аналогам.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники. Договор ДС/143 от 26 июля 2022 года.
Список литературы
1. Мостовой А.Ю. Поворотное устройство для камеры наружного наблюдения. Патент РФ № 2345501. 2006.
2. Каталог. Опорно-поворотные устройства [Электронный ресурс] URL: https://bic-inform.ru/products/opomo-povorotnvie-ustroistva (дата обращения: 10.05.2022).
3. Официальный сайт компании «Пергам». Каталог. [Электронный ресурс] URL: https://www.pergam.ru/catalog/cctv (дата обращения: 10.05.2022).
4. Каталог. Опорно-поворотные устройства / Акционерное общество «Научно-исследовательский институт современных телекоммуникационных технологий» (АО «НИИ СТТ»).
5. Распопов В.Я., Малютин Д.М. Измерительные приборы и системы для ориентации, стабилизации и управления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 372-386.
6. РЛС «Фара-ВР» - качественный скачок в развитии радиолокационной техники // Национальная оборона (электронный журнал) №8, 2021.
7. Малютин Д.М. Исследование динамики системы стабилизации оптической оси // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2003. Т. 46. № 9. С. 49-53.
Зайцев Николай Алексеевич, д-р техн. наук, Генеральный конструктор, office@npostrela.net, Россия, Тула, ПАО «Научно-производственное объединение «Стрела»,
Адякин Юрий Николаевич, канд. техн. наук, начальник отдела, nto410@npostrela.net, Россия, Тула, ПАО «Научно-производственное объединение «Стрела»,
Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, профессор, Malyutindm@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Борисов Александр Владимирович, канд. техн. наук, ассистент, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Орлов Василий Алексеевич, канд. техн. наук, начальник сектора, Россия, Тула, ПАО «Научно-производственное объединение «Стрела»
FORMATION OF THE APPEARANCE OF A NEW-GENERATION PIVOT DEVICE N.A. Zaitsev, Yu. N. Adyakin, D.M. Malyutin, A.V. Borisov, V.A. Orlov
The analysis of technical characteristics of modern pivoting devices (two coordinate electric drives) type in the load segment of 10-20 kg is carried out. The requirements for the new generation of pivoting devices are formulated and the ways of their implementation are outlined.
Key words: pivoting device, two-axis electric drive, antenna.
Zaitsev Nikolay Alekseevich, doctor of technical sciences, General Designer, office@npostrela.net, Russia, Tula, Public Joint Stock Company «Scientific and Production Association «Strela»,
Adyakin Yuri Nikolayevich, candidate technical sciences, head of department, nto410@npostrela.net, Russia, Tula Public Joint Stock Company «Scientific and Production Association «Strela»,
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate technical sciences, professor, Malyutin dm@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Borisov Alexandr Vladimirovich, candidate technical sciences, assistant, Russia, Tula, Tula State University,
Orlov Vasily Alekseevich, candidate technical sciences, sector chief, Russia, Tula, Public Joint Stock Company «Scientific and Production Association «Strela»
