Информационно-измерительная система стабилизации и наведения линии визирования с наклонным кардановым подвесом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Михед, Антон Дмитриевич

• Михед, Антон Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михед, Антон Дмитриевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

5

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ

И НАВЕДЕНИЯ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ

1.1 ИИССиН производства России и ближнего зарубежья

1.2 ИИССиН зарубежного производства

1.3 Схемы построения ИИССиН

1.4 Требования, предъявляемые к ИИССиН

1.5 Принципиальная схема ИИССиН с наклонным кардановым 22 подвесом

1.6 Выводы по главе

2. ГЕОМЕТРИЯ, КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА 25 ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ С НАКЛОННЫМ КАРДАНОВЫМ ПОДВЕСОМ

2.1 Геометрия рам наклонного карданова подвеса

2.2.1 Определение углов наведения ИИССиН по высоте и азимуту

2.1.2 Определение углов поворота рамок карданова подвеса 42 ИИССиН

2.2 Статические погрешности ПК

2.3 Кинематика ИИССиН с наклонным кардановым подвесом

2.4 Кинематика наклонной ИИССиН, учитывающая особенности 56 движения зеркала

2.5 Динамика ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, 60 учитывающая особенности движения зеркала

2.6 Выводы по главе

3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

87

88

СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ

3.1 Анализ геометрических соотношений ИИССиН о /

3.2 Кинематические зависимости ИИССиН

3.3 Исследование возмущающих моментов и динамических 76 погрешностей стабилизации ЛВ

3.4 Выводы по главе

4 ИСПЫТАНИЯ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ

4.1 Макетный образец ИИССиН

4.2 Алгоритм преобразования координат ИИССиН

4.3 Результаты экспериментальных исследований макетного образца 95 ИИССиН

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИЛОЖЕНИЕ В

97

98 100 108 109 119

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь,

БАРУ - блок автоматического регулирования усиления,

ВАК - высшая аттестационная комиссия,

ВБ - вычислительный блок,

ГС - гироскопический стабилизатор,

ГСП - гироскопическая стабилизированная платформа,

ДВ - двигатель,

ДС - двигатель стабилизации,

ДУС - датчик угловой скорости,

3JIB - задающая линия визирования,

ИД - исполнительный двигатель,

ИИССиН - информационно-измерительная система стабилизации и наведения,

JIB - линия визирования,

МВТ - масштабный вращающийся трансформатор, ПИ - пропорционально-интегральный, ПК - преобразователь координат, СК - система координат, У - усилитель.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительная система стабилизации и наведения линии визирования с наклонным кардановым подвесом»

ВВЕДЕНИЕ

Информационно-измерительные системы стабилизации и наведения (ИИССиН) используются на подвижных объектах военного и гражданского назначения для получения информации об угловых параметрах линии визирования (ЛВ) оптических приборов в режимах стабилизации и наведения. Для стабилизации и наведения ЛВ используют кардановы подвесы, осуществляющие компенсацию качки основания и угловые

повороты ЛВ.

Многоосные кардановы подвесы, обеспечивают углы поворота ЛВ в полной полусфере, но имеют большие габариты и массу и требуют для измерения параметров ориентации большое количество чувствительных элементов и сложные алгоритмы преобразования сигналов. Поэтому в настоящее время большинство ИИССиН имеют двухосный карданов подвес, содержащий наружную рамку, которая обеспечивает полный разворот вокруг своей оси вращения, и внутреннюю рамку, которая осуществляет поворот относительно наружной на углы, не превышающие 90 град.

При решении задачи ориентации ЛВ углы поворота двухосного карданова подвеса не обеспечивают обзор в полной полусфере. Ограничение применения двухосного карданова подвеса при больших углах наведения связано с тем, что скорость по оси наружной рамки подвеса, а также ускорения по обеим осям при углах наведения внутренней рамки, близких к 90 град., стремятся к бесконечности. Таким образом, при вертикальном расположении наружной рамки подвеса ИИССиН имеет в верхней полусфере область больших погрешностей, представляющую собой конус с

центром, перпендикулярным основанию.

Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации как «McDonnel Douglass», «Rockwell International Corp.», (США), «SFIM» (Франция), «Carl Zeiss» (Германия), ЦКБ «АРСЕНАЛ»,

(Украина), Белорусское оптико-механическое объединения (БелОМО), Уральский оптико-механический завод (УОМЗ), ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева», МВТУ им. Н.Э. Баумана (Россия) и др.

Обеспечить наведение JIB по оси высоты на углы более 90 град, с высокой точностью можно введением в двухосный карданов подвес ИИССиН дополнительной рамки, удерживающей наружную рамку в наклонном положении. В качестве чувствительных элементов двухосной ИИССиН используют датчики угловой скорости или трехстепенной гироскоп. Методики анализа кинематики, динамики и алгоритмы преобразования угловых координат двухосных ИИССиН с наклонным расположением наружной рамки карданова подвеса, имеющие целью обеспечить наведение J1B по оси высоты более 90 град, с высокой точностью, на данный момент отсутствуют.

Таким образом, задача разработки схем построения, математического описания, алгоритма преобразования информации и способов повышения точности стабилизации ИИССиН с наклонным кардановым подвесом для определения угловых параметров JIB является актуальной.

Объектом исследования диссертационной работы является ИИССиН с двухосным наклонным кардановым подвесом, дополнительной рамкой, исполнительными двигателями и гироскопическими датчиками, которые обеспечивают ориентацию ЛВ в верхней полусфере.

Предметом исследования являются математические модели ИИССиН с двухосным наклонным кардановым подвесом и алгоритм преобразования угловых координат ориентации ЛВ на подвижных объектах.

Целью работы является повышение точности двухосной ИИССиН при углах наведения JIB в верхней полусфере, за счет введения наклонного карданова подвеса, рамки которого управляются исполнительными двигателями по сигналам гироскопических датчиков.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Определены аналитические зависимости между углами и угловыми скоростями наведения J1B и поворота рамок ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.

2. Построена трехмерная модель макетного образца ИИССиН и программно определены массовые и инерционные характеристики основных элементов карданова подвеса и дополнительной рамки.

3. Разработана математическая модель ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, учитывающая кинематику и динамику оптического элемента и проведено моделирование возмущающих моментов по осям подвеса, и погрешности стабилизации при углах наведения, близких к 90 град.

4. Разработан алгоритм преобразования информации, позволяющий вычислять углы поворота рамок ИИССиН по заданным углам наведения J1B.

5. Проведено экспериментальное исследование погрешностей ИИССиН с наклонным кардановым подвесом в режиме стабилизации при углах наведения по высоте более 90.

Для решения поставленных задач использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением методов аналитической геометрии, теории матриц, сферической тригонометрии, методов математического моделирования на ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях.

Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных ученых и специалистов: Ишлинским А.Ю., Пельпором Д.С., Ривкиным С.С., Неусыпиным А.К., Родионовым В.И. и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены аналитические выражения для двухосной ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, определяющие взаимную связь между углами поворота рамок подвеса и углами наведения JIB по азимуту и высоте,

отличающиеся от известных тем, что позволяют получать информацию при углах наведения JIB по высоте, близких к 90 град.

2. Разработана математическая модель ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, учитывающая особенности геометрии, кинематики и динамики ИИССиН, позволяющая определять возмущающие моменты по осям стабилизации и погрешности стабилизации при наведении JIB в

верхней полусфере.

3. Разработан алгоритм преобразования углов поворота рамок карданова подвеса ИИССиН по заданным углам наведения JIB и преобразователь координат (ПК), позволяющий реализовать предложенный алгоритм.

Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ЦКБА». Научные положения и результаты исследований диссертации реализованы в учебных дисциплинах «Принципы построения приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации» и «Моделирование систем ориентации, стабилизации и навигации» при подготовке студентов специальности 160402. Акты внедрения приводятся в приложении В.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, научно-исследовательские работы по лоту «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области оптики, лазерной физики и лазерных технологий» шифр «2010-1.1-122-012» по теме: «Исследование оптико-электронных методов пространственно-угловых измерений и создание на их основе широкого класса измерительных приборов повышенной точности» (шифр заявки «2010-1.1-122-0.12-016»).

1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ

1.1 ИИССиН производства России и ближнего зарубежья

Гиростабилизироеанные прицельные системы Уральского оптико-механического завода (УОМЗ) наиболее широко используются на российских боевых вертолетах и самолетах.

Сводные характеристики систем стабилизации оптического изображения производства УОМЗ, предназначенных для самолетов и вертолетов, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Характеристики ИИССиН производства УОМЗ

Тип Точность стабилизации скорости и ускорения наведения углы обзора масса, габариты количество осей стабилизации

ГС-1 3 угл. сек. ±60 ° высота ±120 ° азимут. 120 кг (без нагрузки, нагрузка- сфера 0 700мм, 90кг) три

ГС-2 3 угл. сек. ±60° высота + 120 ° азимут 25 кг (без нагрузки, нагрузка- сфера 0300мм, 20кг) три

ГОЭС 330 5 угл. сек. 60 град/сек + 45°...-115° высота ±235° азимут 460х460х613лш, три

56кг (блок стабилизации с нагрузкой)

соя-122 0,02 до 45 град/сек; 100 град/сек2 + 20°...-90° высота ±190° азимут 340х340х400лш ,51кг (блок стабилизации с нагрузкой) четыре

В вертолетных ИИССиН производства УОМЗ стабилизация изображения осуществляется за счет стабилизации всего блока аппаратуры. Для повышения точности и обеспечения широкого диапазона углов наведения в них используется трех или четырехосный карданов подвес стабилизируемой аппаратуры.

В авиационной ИИССиН ОЭПС-27, предназначенной для самолетов СУ-27, и ее модификации ОЭПС-29, предназначенной для истребителей МИГ-29, стабилизация изображения осуществляется за счет стабилизации зеркала. К данному типу относится и ИИССиН ОЛС 52Ш.

Внешний вид некоторых образцов ИИССиН производства УОМЗ приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Внешний вид ИИССиН производства УОМЗ

Известны разработки ИИССиН МВТУ им. Н.Э. Баумана, в которых используется принцип стабилизации всего блока оптической аппаратуры. Характеристики универсального гиростабилизатора углового положения киновидеоаппаратуры ГСП 4. приведены в таблице 1.3.

Система представляет собой трехосный гиростабилизатор с наружным кардановым подвесом и объектом стабилизации - телекамерой или видеокамерой.

Таблица 1.3 - Характеристики ИИССиН ГСП 4 разработанным МВТУ им. Н.Э. Баумана

Тип Точность стабилизации скорости и ускорения наведения углы обзора масса, габариты количество осей стабилизации

ГСП 4 60 угл. сек. 60 град/с; 240 град/с2 + 75°...-165° высота ± п • 360° азимут ± 60° крен 15 кг три

ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» выпускает системы стабилизации изображения «Агат-М» и «Ноктюрн» для танков.

В комплексе командира «Агат-М» три оптических канала размещены в одном корпусе. Стабилизация поля зрения каждого из каналов обеспечивается за счёт стабилизации головного зеркала, являющегося общим конструктивным элементом для всех трёх каналов.

В тепловизионном прицеле «Ноктюрн» стабилизация осуществляется посредством зеркала. Характеристики стабилизаторов приведены в таблице 1.4.

На казённом предприятии ЦКБ «АРСЕНАЛ», Украина, разработан гироскопический стабилизатор поля зрения ГС ПЗП. ИИССиН представляет собой двухплоскостной независимый стабилизатор на основе миниатюрного

управляемого динамически настраиваемого гироскопа украинского производства. Технические характеристики представлены в таблице 1.5.

Точность стабилизации, приведенная в таблице, определялась при гармонической качке основания по азимуту и по высоте с амплитудой ±3° и частотой 0,7 -1,2 Гц.

Таблица 1.4 - Характеристики ИИССиН производства ФНПЦ ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева»

Тип точность стабилизации масса, габариты количество осей стабилизации

танковый тепловизионный прицел «Ноктюрн» 42 угл. сек. 55 кг две

танковый комплекс командира «Агат-М» 60 угл. сек. 541х355х233лш, 62 кг две

Таблица 1.5 - Характеристики ИИССиН разработки ЦКБ «Арсенал» (Украина)

Точность стабилизации 21 угл. сек.

Уход линии визирования <3мрад/мин по азимуту <1мрад/мин по высоте

Углы прокачки линии визирования + 20°... -10° высота ± 5° азимут

Скорость наведения линии визирования ±(0,02...3,5) град/с

Массогабаритные характеристики 14,5 кг, 0250x285 мм

ИИССиН производства Белорусского оптико-механического объединения (БелОМО) предназначена для дистанционного обзора земной поверхности с беспилотного летательного аппарата, обеспечивает слежение и

сопровождение наблюдаемых объектов, а также выдает информацию для управления летательным аппаратом с целью обеспечения его посадки в нужном районе.

Технические характеристики приведены в таблице 1.6.

Точность стабилизации, приведенная в таблице, определялась при синусоидальной пространственной качке с максимальной скоростью

'у

6,28град/с и ускорением 40град!с .

Таблица 1.6- Характеристики ИИССиН разработки БелОМО

Точность стабилизации 0,4°

Точность в режиме слежения 0,05°

Углы прокачки линии визирования ±30° высота ±30° азимут

Скорость наведения линии визирования ±(0,02...3,5) град/с

Массогабаритные характеристики: 15 кг, 018Ох6ООлш

1.2 ИИССиН зарубежного производства

Разработкой и производством ИИССиН, предназначенных для установки на летательных аппаратах, занимаются как крупные фирмы, работающие в интересах вооруженных сил - McDonnel Douglass, Rockwell International Corp., (США), SFIM (Франция), Carl Zeiss (Германия), так и менее известные. Характеристики вертолетных ИИССиН, представлены в таблице 1.7, а их внешний вид - в таблице 1.8.

Не утратили своей актуальности и малогабаритные системы стабилизации изображения, где стабилизация осуществляется за счет стабилизации оптического элемента - чаще всего плоского зеркала. Подобные схемы ИИССиН широко используются в танковых прицелах и перископах

подводных лодок. Характеристики таких систем, предлагаемых фирмой Carl Zeiss (Германия) приведены в таблице 1.9, а их внешний вид - в таблице 1.10.

Как видно из приведенных в таблице 1.9 данных, малогабаритные ИИССиН для наземных носителей составляет порядка десяти угловых секунд при движении носителя по стандартной трассе.

Таблица 1.7 - Характеристики вертолетных ИИССиН зарубежного производства

Тип точность стабилизац. скорости и ускорения наведения углы обзора масса, габариты количество осей стабилизации

MMS / McDonnel ouglass (США) 412 угл. сек. - ±30° высота ±190° азимут 0642мм, 72.5 кг 2

Athos / SFIM (Франция) 20 угл. сек. 12 град/с + 28°...-20° высота ±118 ° азимут 8.8 кг Стабилизированное зеркало

CHLIO / TRT (Франция) 30 угл. сек. - + 25°... - 70° высота ±120° азимут 8 кг 2

TICMII / GEC Avionics (Великобр.) 412 угл. сек. 028Ох47Олш, 15 кг 2

GyroCam 360 / HMC Helicopters Services (США) 60 град/с + 20°...-110 "высота 360° азимут 0381х528лш, 32 кг 5-й карданов подвес и виброизоляция

ULTRA 3000 / FLIR Systems Inc. (США) - 60 град/с + 40°...-110 °высота ±360° азимут 0251х376лш, 15 тег 2

Таблица 1.8 - Внешний вид ИИССиН зарубежного производства

MMS CHLIO TICMII GyroCam 360

r'i i ' ^ иИИИИВНИИИИИИИИ»: ■г » чЙ^Г^У'^Ш

Таблица 1.9 - Характеристики ИИССиН для наземных носителей производства Carl Zeiss (Германия)

Тип ТОЧНОСТЬ стабилизац. скорости и ускорения наведения углы обзора масса, габариты количество осей стабилизации

'ERIRTWL-B 16 угл. сек. 180 град/с -15°... + 45° высота пх 360° азимут Стабилизирований е зеркало

PERI-R17 А2 10 угл. сек -13°...+ 20° высота пх 360°азимут Стабилизированно е зеркало

PERI-CDR 10 угл. сек 45 град/сек высота 57 град/сек азимут -13°...+ 60° высота ях360о азимут 330x660 х 310мм , 67 кг Стабилизированно е зеркало

Стабилизирован ная система панорамного тблюдения и наведения 8 угл. сек. от 0.01 град! сек до 180 град J сек -\5°... +45° высота 7?х360о азимут 500x410 х380мм , 55 кг Двухосный карданов подвес

Таблица 1.10 - Внешний вид ИИССиН для наземных носителей производства Carl Zeiss (Германия)

PERI RTWL-B

lililí

PERI-CDR

PERI-R17 А2

К-Ч

Стабилизированная система панорамного наблюдения и наведения

Согласно проведенному обзору можно отметить ИИССиН MST с массой 43 кг, выпускаемую фирмой GCE-Marconi Sensors (Великобритания), близкую по характеристикам к ИИССиН УОМЗ.

1.3 Схемы построения ИИССиН

Классификация ИИССиН по количеству и расположению осей показана на рисунке 1.1. В зависимости от количества стабилизируемых осей ИИССиН делятся на одноосные, двухосные и трехосные. Одноосные ИИССиН в большинстве случаев осуществляют стабилизацию вокруг горизонтальной оси. Наиболее широкое применение получили двухосные системы стабилизации, которые в зависимости от расположения рамок делятся на системы с ортогональными осями и с наклонной осью наружной рамки двухосного карданова подвеса [54]. Различают два варианта ортогонального расположения осей: азимут-высота и высота-азимут, с расположением оси наружной рамки перпендикулярно и параллельно основанию [55, 60, 63]. В зависимости от наклона наружной рамки по азимуту или по высоте ИИССиН способна

осуществлять наведение в передней или верхней полусферах. Трехосные ИИССиН имеют 6 возможных комбинаций расположения осей азимута, высоты и крена [18].

Рисунок 1.1- Классификация ИИССиН по количеству и расположению осей

Схема стабилизации всего оптического прибора показана на рисунке 1.2. Стабилизация ЛВ, направленной по оси X, осуществляется исполнительными двигателями 3 по сигналам гироскопов за счет поворота наружной рамки по оси У и платформы 2 по оси Ъ.

лв

Рисунок 1.2 - Схема стабилизации оптического прибора: 1 - наружная рамка, 2 - оптический прибор (платформа), 3 - исполнительный двигатель

•и*

При стабилизации оптического элемента возможны следующие варианты его расположения [32]:

1. Оптический элемент смонтирован в собственном кардановом подвесе, кинематически связанным с кардановым подвесом управляемого информационно-измерительного гироскопического стабилизатора (ГС).

2. Оптический элемент жестко закреплен на внутренней раме карданова подвеса ГС.

3. Применяются два оптических стабилизируемых элемента, один из которых жестко закреплен на внутренней, а другой - на наружной раме карданова подвеса ГС (рисунок 1.3, а).

4. Оптический элемент закреплен на наружной раме карданова подвеса ГС и связан механически с осью его внутренней рамки (рисунок 1.3, б).

Последняя схема крепления оптического элемента является наиболее простой и обеспечивает наименьшие искажения оптического изображения, что и обусловило ее широкое использование.

Кинематическая связь стабилизирующего элемента с оптическим при установке последнего как на наружной раме, так и в собственном кардановом подвесе, может быть выполнена в виде ленточной, рычажной или зубчатой передачи [54, 55].

Рисунок 1.3 — Схемы стабилизации оптических элементов: а - с двумя зеркалами; б - с одним зеркалом;

1 - наружная рамка, 2 - стабилизирующий элемент (гироскоп), 3 - стабилизируемые элементы (зеркала), 4 - исполнительные двигатели

Применение двухосного карданова подвеса позволяет осуществлять стабилизацию оси ОХ, оптического прибора, установленного на платформе 2. Управляющие моменты по осям необходимо формировать как функции углов качки основания и наведения платформы. Ось наружной рамки 1 устанавливают параллельно той оси, вокруг которой необходимо обеспечивать углы поворота больше ±90°. На рисунке 1.4,а изображен двухосный карданов подвес, обеспечивающий круговой обзор по азимуту и углы наведения по высоте, не превышающие ±90°.

Изучению двухосных кардановых подвесов с ортогональными осями посвящено значительное количество работ [1, 4, 5, 29, 33, 61]. Однако, такое конструктивное решение не обеспечивает стабилизацию JIB при углах

4

4

а)

б)

наведения по внутренней оси, близких к 90 градусам. Повысить углы обзора можно введением в карданов подвес дополнительной рамки 3, удерживающей в наклонном положении двухосный карданов подвес [82, 83] (рисунок 1.3а).

Карданов подвес, приведенный на рисунке 1.46, обеспечивает углы наведения по высоте больше +90° за счет установки его в дополнительную рамку 3 [82,83].

Рисунок 1.4 - Кинематические схемы двухосных кардановых подвесов: а - ось поворота наружной рамки установлена перпендикулярно основанию; б - наружная рамка наклонена под углом (р() к основанию и жестко

Высокие требования к увеличению углов обзора, а так же к качеству стабилизации JIB, приводят к необходимости более точного математического описания ИИССиН, анализу её геометрических особенностей, кинематики и динамики [10].

Y

У,

а)

б)

установлена в дополнительной рамке

1.4 Требования, предъявляемые к ИИССиН

Гироскопические ИИССиН можно разделить на стабилизаторы навигационных систем и систем наведения и автосопровождения [25, 36, 51]. К системам наведения и автосопровождения относят системы, определяющие углы курса, крена и тангажа объекта, к системе навигации - системы, определяющие координаты центра масс объекта относительно какой-либо опорной системы координат [33,51]. Гироскопические стабилизаторы, служат для стабилизации качки основания, целеуказания и сопровождения исследуемого объекта.

Основные требования, предъявляемые к гироскопическим системам показаны в таблице 1.11 [9, 28, 29, 39].

Таблица 1.11- Требования предъявляемые к гироскопическим ИИССиН

Характеристика Предъявляемые требования

Информационно-измерительные гироскопические стабилизаторы навигационных систем Информационно-измерительные гироскопические стабилизаторы систем наведения и автосопровождения

Дрейф Малый Не предъявляют строгих требований

Динамическая Не предъявляют строгих Малая

погрешность требований

Скорости

управлений и углы Малые Большие

наведения

Несмотря на значительное число работ, посвященных динамике гироскопических стабилизаторов [12, 16, 18, 22, 39, 59], в них в, основном, рассматривались системы стабилизации, предназначенные для инерциальных

навигационных систем. Однако системы стабилизации и наведения предъявляют к контуру стабилизации специфические требования, обеспечение которых практически не рассматривалось. Таким образом, задача исследования систем стабилизации и наведения JIB является актуальной.

1.5 Принципиальная схема ИИССиН с наклонным кардановым подвесом

ИИССиН JIB решает задачи ориентации JIB относительного заданного направления и слежения за наблюдаемым объектом в пространстве [9].

ИИССиН предназначена для компенсации качки основания и управления движением оптической JIB прибора при работе от оператора в полуавтоматическом режиме.

Принципиальная схема ИИССиН с наклонным расположением карданова подвеса, защищенная патентом РФ на полезную модель JM° 106358, изображена на рисунке 1.5. ИИССиН содержит дополнительную рамку 1, установленную на основании с возможностью её поворота на неограниченный угол (рр относительно оси Yp, перпендикулярной основанию. Наружная рамка

Л __w С»

2 расположена в дополнительной рамке и наклонена относительно последней на постоянный угол (р0 с возможностью вращения наружной рамки относительно оси Y на угол <ру. На наружной раме в подшипниках закреплена

платформа 3 (зеркало с гироскопом). Платформа способна поворачиваться на угол (pz относительно оси Z, перпендикулярной оси вращения Y. JIB совпадает с осью X. Управление ИИССиН производиться с помощью исполнительного двигателя (ИД) 4 платформы, ИД 5 наружной рамки и ИД 6 дополнительной рамки, расположенных на осях вращения Z, Y и Yp соответственно. При

качке основания платформа под действием возмущающих моментов изменяет своё положение относительно гироскопа, расположенного на платформе, сигналы с которого, через усилители 7 . и 8, поступают на ИД 4,5.

Дополнительная рамка управляется по сигналам задающего блока 9 [35, 67].

22

Для прохождения JIB к оптико-электронному координатору с дополнительной рамкой жестко связаны зеркала 10.

Введение дополнительной рамки ограничивает углы прокачки по оси наружной рамки. Так, при углах наведения наружной рамких, близких к 90 град, скорость по оси дополнительной рамки, а так же ускорения по обеим осям будут стремиться к бесконечности. Для предотвращения указанного фактора требуется осуществлять регулирование угла поворота наружной рамки с помощью устройства управления дополнительной рамкой.

При математическом описании движения ИИССиН, работающей в режимах стабилизации и наведения, необходимо представлять её уравнения в системах координат, связанных с наблюдаемым объектом и подвижным основанием. Этим требованиям отвечают математические модели, использующие в качестве базовых переменных углы наведения JIB [66,69].

Повышение требований к точности стабилизации, а так же увеличению углов обзора и скоростей управления JIB приводит к необходимости разработки математических моделей, учитывающих геометрические, кинематические и динамические особенности ИИССиН с наклонным кардановым подвесом.

1.6 Выводы по главе

Анализируя результаты данной главы, можно сделать следующие выводы:

1) Разработана классификация двухосных ИИССиН с наклонным кардановым подвесом по количеству и расположению осей наведения.

2) Предложена схема ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, защищенная патентом РФ на полезную модель № 106358, которая позволяет повысить точность ИИССиН при углах наведения, близких к 90 град.

2. ГЕОМЕТРИЯ, КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ С НАКЛОННЫМ КАРДАНОВЫМ ПОДВЕСОМ

2.1 Геометрические зависимости рам наклонного карданова подвеса 2.1.1 Определение углов наведения ИИССиН по высоте и азимуту

При определении углов поворота ИИССиН возникают задачи преобразования угловых координат, например, преобразование углов наведения ИИССиН из системы координат связанной с основанием, на котором установлена ИИССиН, в систему координат, связанную с направлением на цель [65, 71].

На рисунке 2.1 показана схема наклонного двухосного карданова подвеса. Здесь внутренняя рамка 2, вращающаяся относительно оси 02г на угол <р2, расположена в наружной рамке 1 с возможностью вращения последней относительно оси ОУх на угол сру. Наружная рамка 1 наклонена на угол срй и установлена в дополнительной рамке 3, способной поворачиваться относительно оси ОУр на угол <рр.

Рисунок 2.1 - Схема рамок наклонного двухосного карданова подвеса

Для определения углового положения элементов карданова подвеса ИИССиН были введены следующие СК (рисунок 2.2): OX0Y0Z0 - СК, оси которой связанны с основанием; начало О находиться на пересечении осей вращения элементов ИИССиН; OXpYpZp - СК, связанная с дополнительной

рамкой; OXxYxZx - СК, оси которой связанны с наружной рамкой 1; OX2Y2Z2 -СК, оси которой связанны с внутренней рамкой 2 (платформой или зеркалом) и соответственно с JIB; О^Г - СК, связанная с 3JIB и направлением на цель (ось ОНаправление на цель определено в системе координат OX0Y0Z0 углом азимутального пеленга <рА в плоскости OX0Z0 и пеленга по высоте срв в плоскости 0%'tj' , перпендикулярной плоскости OX0Z0.

Рисунок 2.2 - Системы координат для определения ориентации ИИССиН

Определим зависимости между углами (рА,(рв и (рр,ср{),(ру,ср2 с помощью матричного метода преобразования угловых координат [17, 37]. Для вывода

результирующей матрицы поворотов на углы ср(), (ру, (р2 воспользуемся преобразованием СК, связанной с дополнительной рамкой ОХр к СК ОХ2У222, связанной с платформой, которое запишем в следующем виде:

[х2,¥2,г2] = А1хр,гр,гр\, (2.1)

где элементы матрицы А - [а. ] (/,/=1,2,3) выражаются через углы <Ро><Ру><Р,-

Преобразование координат можно записать так же следующим образом: [^Л^}=В[Хр,¥р^р\, (2.2)

где элементы матрицы В = . \ (у= 1,2,3) могут быть выражены через

углы (рА,(рв.

Без учета динамических погрешностей СК платформы ОХ1У121 и ЗЛВ О^С, совпадают, поэтому матрицы А и В должны быть равны, т.е.

Ы=Ы (2.3)

Определим матрицу А методом последовательных поворотов на углы (р(),(ру,(р2. Постоянный наклон осей ОХр1 и 0¥р{ относительно ОХр и 0¥р на

угол <р0 обеспечивается матричным преобразованием

\ХР\' Ур\ - ]= АРо \ХР' ,1р \,

где матрица А имеет вид

>0

СО8^0 8т^0 0 -БШ^о СО8<р0 0 0 0 1

(2.4)

Поворот наружной рамки 1 относительно дополнительной 3 на угол д> , описывается матричным преобразованием

[х1,у1,г1] = Аь[хр1,¥р1,гр1\,

где матрица А имеет вид

Ай

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Михед, Антон Дмитриевич

Основные результаты выполненных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена классификация двухосных ИИССиН с наклонным кардановым подвесом по количеству и расположению осей наведения.

2. Разработана схема ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, защищенная патентом РФ на полезную модель № 106358, которая позволяет повысить точность ИИССиН при углах наведения, близких к 90 град.

3. Определены аналитические выражения, позволяющие вычислять углы поворота рамок наклонного карданова подвеса ИИССиН при заданных углах наведения JIB по высоте и азимуту.

4. Получены кинематические зависимости между угловыми скоростями ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, позволяющие исследовать относительные угловые скорости поворота рамок.

5. Разработана динамическая модель и структурная схема ИИССиН с наклонным кардановым подвесом и оптическим элементом, расположенным на наружной рамке карданова подвеса, соединенным с платформой кинематической передачей с соотношением 1:2, которая позволяет определять погрешности стабилизации ЛВ при углах наведения по высоте 90 град.

6. Даны рекомендации по выбору угла наклона двухосного карданова подвеса для заданных углов наведения JIB по азимуту и высоте.

7. Показана возможность наведения ЛВ по высоте на углы 90 град. ИИССиН с наклонным кардановым подвесом путем моделирования геометрических зависимостей между углами поворота рамок ИИССиН и углами наведения JIB по азимуту и высоте.

8. Проведен анализ относительных угловых скоростей рамок наклонного карданова подвеса, показавший, что трехмерная качка основания вызывает переменные и постоянные составляющие углов пеленга, определяемые амплитудами и частотами качки.

9. Показано, что при угле наведения JIB по высоте 80 град, в наклоном кардановом подвесе динамическая погрешность уменьшается с 30 до 6 угл. мин.

10. Разработан алгоритм преобразования углов поворота рамок наклонного карданова подвеса ИИССиН по заданным углам наведения, который реализуется комбинациями тригонометрических функций.

11. Проведено экспериментальное исследование наклонного макетного образца двухосной ИИССиН при углах наведения по высоте 80 и 100 град., результаты которого подтвердили теоретические выводы о возможности создания ИИССиН с наклонным кардановым подвесом, обеспечивающей стабилизацию JIB с погрешностью, порядка 6 угл. мин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михед, Антон Дмитриевич, 2011 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Автоматическая стабилизация оптического изображения/Д.Н. Еськов, Ю.П. Ларионов, В.А. Новиков и др.-Л.: Машиностроение, 1998.-240 с.

2. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем/С.М. Зельдович, М.И. Малтинский, О.М. Окон и др.-Л.: Судостроение, 1976.-255 с.

3. Александров А.Г. Синтез регуляторов многомерных систем. -М.: Машиностроение, 1986.- 272 с.

4. Александров А.Д. Индикаторные гироскопические платформы. -М.: Машиностроение, 1979.- 375 с.

5. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987. - 295 с.

6. Астапов Ю. М. Медведев B.C. Статистическая теория систем автоматического регулирования и управления.- М.: Наука, 1982.-304с.

7. Ахметжанов A.A., Кочемасов A.B. Следящие системы и регуляторы. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-288с.

8. Бабаев A.A. Амортизация, демпфирование и стабилизация оптических приборов.-Л.: Машиностроение, 1984.-232 с.

9. Бабаев A.A. Стабилизация оптических приборов.-Л.: Машиностроение, 1975.-192 с.

10. Бабичев В.И. Области применения и особенности бортовых гироприборов управляемых ЛА ракетно-артиллерийских комплексов // Оборонная техника.- 1994.-N 5-6.- С. 5-6.

11. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский М.Г. Управление электроприводами. -Л.: Энергоиздат, 1982.-392 с.

12. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации.-Л.: Судостроение, 1968.-351 с.

13. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики. -Саратов: Изд-во Саратов, ун-та, 1980, 389 с.

14. Гайдук А. Р. Алгебраические методы анализа и синтеза систем автоматического управления.- Ростов: Изд-во Ростовского ун-та, 1988.-208 с.

15. Гайдук А.Р. Аналитический синтез автоматических систем с управлением по состоянию и воздействиям // Изв. ВУЗов. Электромеханика. -1982.-№5.- С. 55-58.

16. Гайдук А.Р. Синтез систем автоматического управления по передаточным функциям // Изв. ВУЗов. Автоматика и телемеханика.-1980. -N 1.-С. 11-14.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.- М.: Наука, 1967.- 576 с.

18. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. 4.2. Гироскопические стабилизаторы / Под ред. Д. С. Пельпора. М.: Высшая школа, 1977.- 223 с.

19. ГоровицА. Синтез систем с обратной связью/ Под ред. М.В. Меерова. -М.: Сов. радио, 1970.-600 с.

20. ДаффинР., Питерсон Э. Геометрическое программирование.-М.: Мир, 1972.-311 с.

21. ДиткинВ.А., Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению.- М.: Высшая школа, 1965.- 467 с.

22. Еськов Д.Н., Степин Ю.А., Горопин В.А. Методы и средства стабилизации оптического изображения // Оптико-механическая промышленность.- 1982.-N 1.- С.25-30.

23. Заде Л., Дезоер Ч. Теория линейных систем. -М.:Наука, 1970.-703с.

24. Захаров В.К., Лыпарь Ю.И. Электронные устройства автоматики и телемеханики.- Л.: Энергоатомиздат, 1984. -432 с.

25. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976.-671 с.

26. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем,- М.: Мир, 1971.-208 с.

27. Карманов В.Г. Математическое программирование. - М.: Наука, 1975.-306 с.

28. Карпов В. К. Принципы построения и оптимальный синтез гироскопических систем, работающих в совмещенных режимах // Изв. ВУЗов. Приборостроение.-1990.-№ 1. С. 54-58.

29. Карпов В.К., Родионов В.И., Болоболкин A.B., Рыбаков C.B. Проектирование гироскопических приборов и систем. -Тула, ТулПИ, 1998.-85с.

30. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров/ Под ред. Арамановича. -М.: Наука, 1984.-831 с.

31. Корякин О.Г. Динамика индикаторных гиростабилизаторов телевизионных приемников излучения // Оборонная техника.- 1994.-N 5-6.С.61-63.

32. Корякин О.Г., Рогов C.B. Особенности конструкций управляемых гироприводов // Оборонная техника.- 1994,- № 5-6.- С. 17-20.

33. Корякин О.Г., Родионов В.И. Системы стабилизации и управления информационно-поисковых приборов и комплексов // Оборонная техника. -1995.-№6. -С.53-57.

34. Красовский A.A., Поспелов Г.И. Основы автоматики и технической кибернетики. -М.: Госэнергоиздат, 1962. -600 с.

35. Кузовков Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1977.- 184 с.

36. Кузовков Н.Т. Системы стабилизации летательных аппаратов. -М: Высшая школа, 1976.-304 с.

37. Ланкастер П. Теория матриц. -М.: Наука, 1982.-269 с.

38. Лившиц H.A., Пугачев В. Н. Вероятностный анализ систем автоматического управления. 4.2. Нелинейные системы, системы дискретного действия. -М.: Сов. радио, 1963.- 483 с.

39. ЛунцЯ.Л. Ошибки гироскопических приборов. -Л.: Судостроение, 1968.-232 с.

40. Мееров М. В. Исследование и оптимизация многосвязных систем управления. -М.: Наука, 1986.-236 с.

41. Методы теории чувствительности в автоматическом регулировании и управлении / Под ред. Розенвассера и P.M. Юсупова.-Л.: Энергия, 1971.341 с.

42. Михед А.Д., Родионов В.И., Смирнов В.А. Кинематика и динамика двухосной системы стабилизации и наведения линии визирования, учитывающая особенности движения зеркала. / Инженерная физика №11. Москва: Изд-во «Научтехлитиздат», 2010. 20-24с.

43. Михед А.Д., Смирнов В.А. Математическая модель системы стабилизации и наведения оптической линии визирования, учитывающая особенности кинематики зеркала// Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Тула: Изд-во ТулГУ, -2008г. -С.271-275.

44. Михед А.Д., Смирнов В.А. Анализ возмущений действующих на систему стабилизации оптического изображения. // Пути совершенствования ракетно-артиллерийских комплексов, средств управления войсками и оружием, их эксплуатации и ремонта. -2008г. -С.35-36.

45. Михед А.Д., Клейменов Р.И., Родионов В.И. Динамическая настройка вибрационных гироскопов. // IV-я магистерская научно-техническая конференция Тульского государственного университета: сборник докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009г.-С.167-168.

46. Михед А.Д., Родионов В.И. К вопросу повышения качества стабилизации оптического изображения. / Молодежные инновации: сборник докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. -С.357-359.

47. Михед А. Система стабилизации и наведения с двухосным наклонным кардановым подвесом. / Молодежные инновации: сборник докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. -С.282-285.

48. Михед А.Д. Исследование возмущений, действующих на систему стабилизации и наведения линии визирования с плоским зеркалом. Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С391-395.

49. Михед А.Д., Родионов В.И., Исследование системы стабилизации и наведения с двухосным наклонным кардановым подвесом. / Навигация и управление движением: Материалы докладов XII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением"/ Научн. Редактор д.т.н. O.A. Степанов. Под общ. ред. Академика РАН В.Г. Пешехонова - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ«Электроприбор», 2010. С.22-25.

50. Михед А.Д., Родионов В.И., Исследование системы стабилизации и наведения с двухосным наклонным кардановым подвесом / А.Д. Михед. // Навигация и управление движением. -СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ«Электроприбор», 2010. -С.46-50.

51. Назаров Б.И. Хлебников Г.А. Гиростабилизаторы ракет. -М.: Воениздат, 1975.-215 с.

52. Неусыпин А. К. Гироскопические приводы. - М.: Машиностроение, 1978.- 191 с.

53. Одинцов А. А. Теория и расчет гироскопических приборов.- Киев : Высшая школа, 1985. -392 с.

54. Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации: Справ, пособие. -М.: Машиностроение, 1982.-165 с.

55. Пельпор Д. С., Колосов Ю. А., Рахтеенко Е. Р. Расчёт и проектирование гироскопических стабилизаторов. -М.: Машиностроение, 1972.-325 с.

56. ПервозванскийA.A. Курс теории автоматического управлениям.: Наука, 1986.-615 с.

57. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. -М.: Наука, 1989.- 304 с.

58. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического управления и регулирования,- М.: Наука, 1979.- 256 с.

59. Поцелуев А. В. Статистический анализ и синтез сложных динамических систем.- М.: Машиностроение, 1987.- 208 с.

60. Проектирование и расчет динамических систем / Под ред. В.А. Климова.- Л.: Машиностроение, 1974.- 360 с.

61. Проектирование гироскопических систем ч.2./ Под ред. Д.С. Пельпора.- М.: Высшая школа, 1977.- 222 с.

62. Ракитский Ю. В., Устинов С.М., Черноруцкий М.Г. Численные методы решения жестких систем. -М.: Наука, 1979.-208 с.

63. Репников А. В., Сачков Г. П., Черноморский А.И. Гироскопические системы. -М.: Машиностроение, 1983,- 319с.

64. Ривкин С. С. Статистический синтез гироскопических устройств. Л.: Судостроение, 1970.- 424 с.

65. Ривкин С. С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании.- М.: Наука, 1978,- 320 с.

66. Родионов В. И. Геометрия и кинематика совмещенных систем стабилизации и управления // Оборонная техника.-1993.-N 3.- С.22-26.

67. Родионов В.И. Управление гиростабилизатором, инвариантным к внешним воздействиям // Гравиинерциальные приборы и измерения,- Тула: Тул. политех. ин-т.-1980.-С.22-24.

68. Родионов В.И., Смирнов В.А. Динамика индикаторных гиростабилизаторов прицельных устройств // Оборонная техника.-1999.-N 34.- С.13-16.

69. Родионов В.И., Смирнов В.А. Математические модели двухосных управляемых гиростабилизаторов // ТулГУ. -Тула, 1998.-44 с. Деп. в ВИНИТИ 19.08.98, №2600-В 98.

70. Родионов В.И., Михед А.Д. Динамика системы стабилизации и наведения линии визирования с двухосным наклонным кардановым подвесом.

/ Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Проблемы специального машиностроения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011., -С. 191-195.

71. Родионов В.И., Михед А.Д. Геометрия системы стабилизации и наведения с наклонным расположением карданова подвеса. / Приводная техника №2(90). Москва: Изд-во ООО НПФ «ОБРИС», 2011, -С.34-37.

72. Ройтенберг Я. Н. Гироскопы.- М.: Наука 1975. -592с.

73. Свешников A.A., Ривкин С.С. Вероятностные методы в прикладной теории гироскопов. -М.: Наука, 1974.-536 с.

74. Следящие приводы т. 1/ Под ред. Б.К. Чемоданова. -М.: Энергия, 1976.-480 с.

75. Справочник по теории автоматического управления / Под ред. A.A. Красовского.- М.: Наука, 1987.-712 с.

76. Табак В, Куо Б. Оптимальное управление и математическое программирование,- М.: Наука, 1975.- 280 с.

77. Фабрикант Е. А., Журавлев П.Д. Динамика следящего привода гироскопических стабилизаторов.-М. Машиностроение, 1984.-264 с.

78. Филонов М.П., Родионов В.И., Аджиев Д.С. Математическое описание системы стабилизации изображения оптических приборов с учетом динамики зеркала Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального -машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 5 (2) -С. 69-72.

79. Филонов М.П., Родионов В.И. Двухосные гиростабилизаторы с цифровыми контурами регулирования Известия ТулГУ. Серия «Проблемы специального - машиностроения». - Тула, 2001. - Вып. 4. 4.2. -С. 197-200.

80. Филонов М.П., Родионов В.И., Хвалина Е.А. Гироскопические системы стабилизации и управления линией визирования оптических приборов //Датчики и системы № 5, 2001. -С.5-6.

81. Филонов М.П., Родионов В.И., Смирнов В.А., Хвалина Е.А. Динамика системы стабилизации и наведения линии визирования при учете

кинематики оптического элемента. Известия ТулГУ. Серия «Машиностроение». - Тула, 2002. - Вып. 7 -С.84-90.

82. Патент РФ на полезную модель № 106358. А.Д. Михед, В.И. Родионов. Двухосный управляемый гиростабилизатор в подвесе. МПК С01С21/18. Заявл. 16.12.2010. Опубл. 10.07.2011. Бюл. №19.

83. Патент Великобритании № 1236807. Стабилизированная оптическая система. МПК 002В7/00. Заявл. 28.10.1968. Опубл. 23.06.1971. Бюл. №19.