CC BY
330
УДК 629.591
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ С УВЕЛИЧЕННЫМИ УГЛАМИ ОБЗОРА
В. А. Смирнов, В.С. Захариков
Рассмотрена возможность построения системы стабилизации и наведения (ССиН) линии визирования с расширенным диапазоном углов горизонтального и вертикального наведения. Приведены результаты численного моделирования работы ССиН.
Ключевые слова: система стабилизации; погрешности наведения; углы наведения.
В настоящее время при поиске и сопровождении различных целей c борта подвижных объектов широкое применение получили системы стабилизации и наведения линии визирования (ССиН ЛВ). В современных условиях высокая маневренность носителя и отслеживаемых целей требуют увеличения углов наведения ССиН ЛВ [S].
Обзор работ [1], посвященных ССиН, показал, что практически все существующие в настоящее время ССиН ЛВ построены на основе двухосного карданова подвеса. Недостатком такого исполнения является то, что при угле вертикального наведения близком к 90 градусам проявляется эффект «складывания рамок», и, как следствие, не обеспечивается стабилизация и слежение за целью [2-6].
Ввиду отмеченного недостатка, в работе [7] предложена кинематическая схема ССиН ЛВ (рис.1), обеспечивающая углы наведения по высоте ± 123 °, по азимуту ± 1S0 °.
Из кинематических уравнений связей следует, что в случае, когда линия визирования ССиН направлена точно на цель, угловые скорости движения рам карданова подвеса связаны с угловыми скростями движения основания и угловыми скоростями движения цели уравнениями (1):
®у3опт — 2фз + (wх0 cos фу — wz0 sin фу ) sin фz
ф у =—---------------------- ----------- ---------wу 0;
cos Ф z '
Wz3опт фу sin 2фз sin ф cos2ps
+ sin фу) - Wy0 tg 2фз sin фz - wz0 (cos фу - tg 2фз sin pу cos pz).
^3опт гу^ш^тз'Yz ~
Cpz =-------Wx0 (tg 2Фз cos Фу cos Фz + (1)
где ф2 - угол поворота внутренней рамки относительно наружной; фз (рад) - угол поворота зеркала относительно внутренней рамки; ф^ (рад) - угол поворота наружной рамки; проекции векторов угловой скорости на связанные с ними оси обозначены, соответственно,
68
Ю
XI
Юу, ю(рад/с) (при этом 1=0 - для основания; 1=1 - для наружной
Ду:
рамки; і = 2 - для внутренней рамки; і=3 - для зеркала); Ю
ЮД2 (рад/с) - проекции угловой скорости цели на оси системы координат, связанной с направлением на цель; фз, (фу, ф2 (рад/с) - относительные угловые скорости подвижного зеркала, внутренней рамки и наружной рамки, соответственно.
Рис.1. Принципиальная кинематическая схема ССиН: 1, 5,
11 - блоки управления исполнительными двигателями; 2, 8,
14 - исполнительные двигатели; 3 - внутренняя рамка; 4,13,18,
20 - датчики угловой скорости (ДУС); 6 - блок вычисления погрешностей стабилизации линии визирования: а - погрешность по азимуту; в - погрешность по углу места; 7, 21 - датчики угла;
9 - наружная рамка; 10 - основание; 12 - фотоприемное устройство с объективом; 15,16,17 - зеркала, жестко связанные с наружной рамкой; 19 - подвижное зеркало; ОХ07020 - система координат, связанная с подвижным основанием
Из первого уравнения системы (1) следует, что для того, чтобы при фz ® 90° угловая скорость фу не стремилась к бесконечности, необходимо выполнение условия:
2фз — ФуЗопт + (wx0 cos Фу — wz0 sin Фy )sin Фz • (2)
Таким образом, движение ЛВ по двум осям при больших углах вертикального наведения обеспечивается дополнительной осью вращения.
При постоянном выполнении условия (2) угол ф з может неограниченно возрастать (например, при наличии постоянной угловой скорости наведения по азимуту Юузопт). Из второго уравнения системы (1) видно,
что угол поворота Фз подвижного зеркала 19 ограничен и не должен выходить за пределы ± (40...42) °. Кроме того, угол фз ограничен конструкцией ССиН. Поэтому управление необходимо строить таким образом, чтобы условие (2) выполнялось только при фz ® 90°, т.е. при угле, при котором оси вращения наружной рамки и зеркала совпадают.
При фz ® 0 угол фз должен стремиться к нулю (в принятой системе координат). С учетом данных требований изменим условие (2) и потребуем выполнения следующего кинематического соотношения:
2 2
[фу3опт + (wx0 cosфу — wz0 sin фу )sin фz ]sin фz — кфз cos фz
ф з ——----------------------------- -y--------------------------, (3)
где к > 0 - коэффициент, задающий отношение между максимальным углом фз и максимальной угловой скоростью (фу.
2
Коэффициент кфз cos фz определяет «жесткость» электрической пружины на оси вращения зеркала 19, которая образуется двигателем 2, коэффициентом обратной связи кфз cos фz и ДУ 21 (рис.1).
Для того, чтобы движение ССиН ЛВ соответствовало кинематическим уравнениям связей (1) и (З), необходимо сформировать соответствующие управляющие воздействия для исполнительных двигателей ССиН ЛВ (4).
из — -Кз (Jaadt)sin2 фz - К'уюлу sin2 фz + к'фз cos2 фz,
Uу —— Ку (J(&dt)cosфz — Ку[флу — Фу0] — К22фз cosфz, (4)
R иу sin2ф з sin ф z
иz —— К Е-----К z W ^—-^-------------—,
соб2ф з соб2ф з
где а и Ь являются погрешностями наведения ССиН по каналам азимута и угла места, соответственно; из, и у, Uz (В) - задающие воздействия для
соответствующих двигателей; К з, К у, К2 (В • с/ рад) - коэффициенты
передачи контуров обратной связи соответствующих двигателей по сигналу ошибки стабилизации; к' (В/рад) - коэффициент, задающий отношение между максимальным углом фз и максимальной угловой скоростью фу;
К'у, К'г - коэффициенты передачи по внешним сигналам управления,
пропорциональным соответствующим угловым скоростям наведения.
В соответствии с описанным в работе [2] принципом работы ССиН и представленными выше уравнениями построена функциональная схема ССиН (рис.2).
Рис.2. Функциональная схема ССиНЛВ
Для оценки погрешностей стабилизации и наведения проведено численное моделирование работы системы при трехкомпонентной качке основания и наличии угловых скоростей движения цели. При моделировании учитывались характеристики используемых чувствительных элементов - датчиков угловой скорости (ДУС), поскольку они определяют минимально достижимые погрешности стабилизации и наведения. Поскольку при построении малогабаритной ССиН ЛВ важными параметрами являются масса и габариты самого ДУС для моделирования работы ССиН выбраны математические модели волоконно-оптического (ВОГ, ВГ941AS фирмы «Физоптика», масса 25 г, габариты 24х50 мм) и микромеханического гироскопов (ММГ, ADXRS620 фирмы Analog Devices, масса меньше 0,5 г).
Моделирование проведено при параметрах качки основания, приведенных в табл.1 [8] в программе Matlab. Результаты моделирования приведены в табл.2. Полученные значения погрешностей стабилизации и наве-
дения являются амплитудными и получены без учета дополнительных возмущений, влияющих на измерение угловых скоростей.
Таблица 1
Параметры качки основания ССиНЛВ, установленной на борту БПЛА
' ——Ось системы координат Параметр ' ' ——— Х о *0 г о
Амплитуда угловой скорости качки основания, й0, рад/с 1 0,9 0,5
Частота качки основания П/0, Г ц 1 0,5 1,5
Таблица 2
Погрешности ССиН ЛВ, установленной на борту БПЛА
Режим Погрешности стабилизации, угл.сек
идеальный ДУС ВОГ ММГ
а в а в а в
Стабилизации 4,8 3 14,5 11 17 40
Наведения при постоянной скорости слежения за целью 5,2 4,2 16 70 16 78
Наведение при переменной скорости слежения за целью 5 4 13 22 14 50
Результаты моделирования показали, что предложенная кинематическая схема и способы управления ее рамками, позволяют обеспечить малые погрешности стабилизации и наведения при значительных амплитудах качки основания. Влияние ДУС на погрешность системы стабилизации заметно, но даже в этом случае для выбранных датчиков обеспечиваются достаточно малые погрешности.
Список литературы
1. Захариков В.С. Системы стабилизации и наведения линии визирования, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью /
В.С. Захариков, В. А. Смирнов // Известия ТулГУ. Технические науки, Тула, 2011. С.80-86.
2. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д. Н.
Еськов, Ю. П., Ларионов, В. А. Новиков [и др.]. Л.: Машиностроение, 1988. 240 с.
3. Бабаев А. А. Стабилизация оптических приборов / А. А. Бабаев -Л.: Машиностроение, 1975. 190 с.
4. Боднер В.А.Стабилизация летательных аппаратов и автопилоты / В.А. Боднер, М.С. Козлов. М.: Оборонгиз, 1961, 508 с.
5. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Ч.1. / Д.С. Пельпор. М.: Высшая школа, 1971. 567 с.
6. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации / Е.Р. Рахтеенко. М.: Машиностроение, 1989. 227 с.
7. Захариков В.С. Система стабилизации и наведения линии визирования с увеличенными углами обзора / В.А, Смирнов, В.С. Захариков,
B.В. Савельев // Гироскопия и навигация, № 4. Санкт-Петербург , 2011.
C.4-11.
8. Лебедев А.А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов/ А.А. Лебедев, Л.С. Чернобровкин. М.: Машиностроение, 1973. 615 с.
9. Бабаев А. А. Стабилизация оптических приборов / А.А. Бабаев. Л.: Машиностроение, 1975. 190 с.
Владимир Александрович Смирнов, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Вячеслав Сергеевич Захариков, аспирант, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SYSTEM OF STABILIZA TION AND GUIDANSE A LINE OF SIGHT WHICH EXTENDED
FILD OF VIEW
V.A. Smirnov, V.S. Zacharikov
System stabilization and guidance providing extended range of horizon and vertical angles guidance was considered in this article. Errors of system stabilization and guidance of line of sight installing on board unmanned aerial vehicles was considered as a result modeling work system.
Key words: stabilization system, guidance errors, targeting angles.
Smirnov Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, sva37@tula.net, Tula State University,
Zacharicov Vyacheslav Zacharovich, postgraduate, zaharikovvs@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
