Имитационная модель стабилизатора изображения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СТАБИЛИЗАТОРА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Ю.Н. Виноградов, А.В. Демин, А.И. Коршунов

При разработке и создании оптических и оптико-электронных приборов и комплексов (ОиОЭПК), устанавливаемых на подвижных носителях, кроме обычных требований - точность, быстродействие, массогабаритные ограничения и т.д., необходимо учитывать особенности, связанные с необходимостью сопровождения объекта слежения при угловых и линейных перемещениях носителя ОиОЭПК по каждой из трех осей, что предопределяет необходимость включения в состав комплекса системы постоянного определения взаимного положения носителя и объекта слежения и операции вычисления текущего положения носителя.

Стабилизаторы изображения для ОиОЭПК могут быть построены по трем различным схемам. Первая схема - непосредственные гироскопические стабилизаторы (НГС). В основе их работы лежит непосредственное использование гироскопического момента для парирования вынужденных колебаний корпуса прибора, порождаемых его носителем. К недостаткам НГС относятся достаточно большие значения массогабарит-ных характеристик и потребляемой мощности, ограниченная степень подавления вынужденных колебаний, ограниченный частотный диапазон эффективной работы НГС. Этими недостатками объясняется то, что в последнее время НГС не находят широкого применения при создании систем стабилизации изображения для ОиОЭПК, устанавливаемых на подвижный носитель. Вторая и третья схема стабилизаторов изображения для ОиОЭПК основаны на соответствующем управлении оптическими элементами (зеркально-призменные и линзовые элементы), входящими в оптическую систему, в зависимости от связи с гироскопическими датчиками (ГД). Эти способы в последнее время широко применяются в различных оптических системах наведения. При этом во второй схеме управляемые оптические элементы связаны с ГД путем реализации либо силовой схемы, либо индикаторной схемы, а требуемые угловые или линейные перемещения подвижных оптических элементов, компенсирующие колебания корпуса ОиОЭПК, реализуются за счет применения опорной системы координат, создаваемой платформой носителя. Применение второй схемы обеспечивает высокую точность стабилизации изображения в широкой полосе частот возмущений. В третьей схеме реализуется принцип управления подвижными оптическими элементами основанный по косвенной схеме компенсации колебаний корпуса ОиОЭПК на основе информации от ГД и системы управления.

Обобщенная математическая модель системы стабилизации изображения может быть представлена в следующем виде [1]:

"(х )'" " 0 " 1 "0 Т

(!)' = М г М 0 + 0 + 1

МО Мо _ 0 0]

+М 2 и1

(1)

где МО - матрица лучей, входящих в оптическую систему; МО - матрица лучей, выходящих из оптической системы; М - матрица, представляющая собой оператор действия оптической системы; М1 - матрица, учитывающая движение цели; х - вектор пе-

ремещения ОиОЭПК в пространстве; £ - вектор помех; и1 -вектор управления линией визирования; М2 -матрица постоянных коэффициентов.

Приведённое соотношение не позволяет с точки зрения системного подхода к выбору схемных решений проанализировать различные модификации системы стабилизации ОиОЭПК поскольку возможны три принципиальных типа таких систем.

1. Первая система - это система с одним управляемым в 2-х плоскостях оптическим элементом, расположенным, например, в кардановом подвесе с направлением вектора нормали относительно оптической оси под некоторым углом (обычно этот угол составляет 450).

2. Вторая система - это система с двумя управляемыми оптическими элементами, каждое из которых управляется по одной координате.

3. Третья система - это система с несколькими (2...4) управляемыми оптическими элементами каждое из которых управляется по одной координате.

Рис.1. Общая структура управляющего комплекса блока стабилизации.

На рис.1 представлена общая структура управляющего комплекса блока стабилизации изображения (БС). Цифровой контур управления строится на основе собственного автономного процессора, связанного с ГД, датчиками угла и блоками управления двигателями.

Рассмотрим проектирование БС методом математического моделирования в соответствии с полным аналитическим описанием на основе ф.2 является проблемой с точки зрения выбора оптимального схемотехнического решения. В этой связи, как отмечается в работах [2,3] имитационное моделирование методом моделирования непосредственно алгоритмами функционирования блоков (метод активированных блоков), позволяет получить необходимое решение для подобных систем. Данный способ применяется при моделировании систем, функциональные действия каждой, из подсистем которых различны, причем для выполнения действий каждой из них требуется выполнение своих условий. Эти условия устанавливаются заранее и могут быть представлены алгоритмически. В результате выполнения этих функциональных действий в системе происходят различные события. Связи между функциональными действиями различных компонент отсутствуют, все функциональные действия происходят независимо друг от друга. В таких случаях имитационная модель БС описывается в виде двух частей: > множества алгоритмов функционирования блоков системы (АФБС); ^ набором тестов, обеспечивающих проверку выполнимости условий инициализации АФБС.

Под инициализацией следует понимать передачу управления от управляющей программы моделирования на выполнение данного АФБС [3]. В тестах, обеспечивающих проверку выполнимости условий инициализации АФБС, реализуется зависимость выполнения функциональных действий от конкретной ситуации, имеющей место в реальной системе на каждый момент времени.

Выполнение каждого АФБС завершается модификацией временной составляющей. По этому оператору управление передается управляющей программе моделирова-

ния. Таким образом, имитация блока стабилизации изображения непосредственно АФБС представляет собой чередование выполнения операторов модификации временной координаты и алгоритма управляющей программы моделирования.

Рис.2. Имитационная модель блока стабилизации изображения в виде

активируемых блоков

На рис.2 представлена имитационная модель БС в виде активируемых блоков,

где приняты обозначения:

1. Активируемый блок М1 - генератор ситуаций, предназначен для выбора цели проводимого имитационного моделирования на этапах проектирования, исследования и приемо-сдаточных испытаний. При этом определяются блоки, параметры которых являются входными и блоки, параметры которых должны быть определены в результате моделирования.

2. Активируемый блок М2 - моделирует процедуру реализации необходимого направления линии визирования ОиОЭПК.

3. Активируемый блок М3 - моделирует внешние механические воздействия на ОиОЭПК.

4. Активируемый блок М4 - моделирует движение носителя ОиОЭПК и его координаты в пространстве.

5. Активируемый блок М5 - моделирует работу процессора блока стабилизации изображения.

6. Активируемый блок М6 - моделирует работу блока управления.

7. Активируемый блок М7 - моделирует работу подвижных оптических элементов ОиОЭПК.

8. Активируемый блок М8 - моделирует смаз или сдвиг изображения.

9. Активируемый блок М9 - моделирует работу блока датчиков обратной связи ОиО-ЭПК.

10. Активируемый блок М10 - блок анализа результатов имитационного моделирования качественных и количественных параметров стабилизации изображения в ОиО-ЭПК.

Следует отметить, что достоверность результатов имитационного моделирования определяется степенью соответствия разработанной имитационной модели и исходного технического объекта. Получить абсолютно достоверную модель сложной системы практически невозможно, т.к. при создании её, как правило, в модель входят компоненты, поведение которых подлежат либо исследованию, либо заменой их на приближе-ние[3]. Рассматривая БС как объект имитационного моделирования, то в соответствии с методикой предложенной в [3,4], можно выделить следующие основные узлы имитационной модели, представленные на рис.3, где ОС - оптическая система; ПОЭц2) - пара подвижных оптических элементов; ЭПц2) - пара электроприводов; ИУ- гироскопическое информационно измерительное устройство.

Поскольку математически имитационная модель БС определяется совокупностью алгоритмов функционирования составляющих подсистем, то для полноты этой модели внешние возмущения (ВВ) тоже должны быть представлены в виде соответствующих алгоритмов. Понятно, что одним из переменных факторов при моделировании является временной фактор, который не действует только на параметры оптической части. Тем не менее, понятие активность [3] следует трактовать как реакция на внешние возмущения, выражаемую в форме парирования (отработки) ПОЭц2) данных возмущений, но с отставанием по времени и с амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) максимально приближенной к АЧХ внешних возмущений. Далее воспользовавшись известными соотношениями для электромеханической и оптической частей, математические соотношения примут вид :

M 1(2) Pl(2) + T 1(2)

Pl(2) = J1(2)(®1(2))/ +®1(2) X (J1(2) ®1(2)) + ml(2) 1(2) X W1(2)

--,--- (2) T 1(2) = Jg1(2) (®1(2))/ + ©1(2) X Jg1(2) ©1(2) + mg1(2) Г X W1(2)

1(2) = (^1(2))/ +®1(2) Х^1(2)

^1(2) = 1(2) ®1(2) ® 1(2) = (А1(2))/

где приняты следующие обозначения: Шц2) - угловая скорость подвижного оптического элемента; Ащ) - вектор визирного луча ПОЭ1(2); 1ц2) - момент инерции ПОЭ1(2); 1ё1(2) -момент инерции ротора двигателя; т1(2) - масса ПОЭ1(2); тё1(2) - масса ротора двигателя; Г1(2) - радиус ПОЭ1(2).

Ав' -Syp °Sxa°{ RBYpRBXa°N2B°RBXa* °N1B°RBYp*}

5C *OC ОС ОС О

SXa SYp АВ SYp SXa (3)

Î1B *°RBXa°N2Bc

° {RBYp°N1B * °RBXa°N2Bc* °RBXa* °RBYp*} °SXa* °SYp,

где приняты следующие обозначения: АВ и АВ' - кватернионы падающего и отражённого луча (т.е. АВ' - кватернион управляемого визирного луча) RB и RB* - кватернион (и сопряженный ему) рабочего поворота (работа приводов ЭП1(2)); S и S* - кватернион (и сопряженный ему) парируемого поворота (измерение с ИУ и работа стабилизатора через дифференциальную связь с ЭП1(2)); ° - знак кватернионного умножения; a, в - углы поворота; i, j, k - орты координатных осей; А - вектор падающего луча; Ni, N2 - вектора нормалей отражающих поверхностей.

Имитационное моделирование БС для ОиОЭПК (устанавливаемой на вертолет) в соответствии с ф.2 и ф.3 проводилось с помощью пакета программ Mat Cad. В качестве исходных параметров динамического режима для моделирования были приняты: значение амплитуды качки ПОЭ1(2) ±2°; частоты качки - 10 Гц. В результате анализа ре-

зультатов имитационного моделирования на ЭВМ и результатов натурного эксперимента были выявлены конструкторско-технологические несоответствия, связанные с разбалансировкой ПОЭ1(2) реальной БС и определены пути их устранения. В результате математического моделирования в соответствии с ф.(1) было установлено только область возможных значений параметров ЭП1(2) и ПОЭ1(2) и не выявлено конструкторско-технологических отклонений в блоке стабилизации изображения. Тем самым имитационное моделирование эффективней математического моделирования с точки зрения поиска схемотехнических решений при проектировании технических объектов.

Литература

1. Демин А.В., Копорский Н.С., Коршунов А.И. Имитационное моделирование оптических приборов со встроенной системой стабилизации изображения.// Научно-технический Вестник Вып.№ 6, СПб ГИТМО(ТУ), 2002г., с.138-143.

2. Демин А.В., Копорский Н.С., Немолочнов О.Ф. Имитационное моделирование систем поиска и наведения. Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики. Россия. г. Санкт-Петербург. 1998.-11 с:25 ил.-9. Библиогр.11. I назв.-Рус.-Деп. В ВИНИТИ № 3840-В98 от 23 декабря 1998г.

3. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь. 1988г., 232с.

4. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем.- Искусство и наука. М.: Мир 1978г., 418с.