Результат интеллектуальной деятельности: МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СПОСОБ САМОНАВЕДЕНИЯ С ДИСКРЕТНЫМИ КОРРЕКЦИЯМИ ТРАЕКТОРИИ

Изобретение относится к области автоматического управления при самонаведении движущегося объекта (в дальнейшем «объект») на другой движущийся объект (в дальнейшем «цель»).

Известен способ сближения движущегося объекта при самонаведении по информации о факте визирования цели (патент РФ №2552990), когда траекторию объекта формируют в виде сменяющих друг друга дуговых отрезков, по которым объект перемещается с постоянной угловой скоростью, а смену ее знака производят по заданному управляющему алгоритму при условии совпадения в момент визирования цели направлений вектора скорости объекта и линии визирования.

При этом реализуемый средний угол наклона траектории объекта относительно инерциальной системы координат (средний угол упреждения) не постоянен, даже если условия сближения (значения величин векторов скорости объекта и цели и углов наклона их векторов скорости относительно инерциальной системы координат) неизменны, причем при минимальном сближении может существовать промах, определяемый некоторой константой.

Требуемый технический результат предлагаемого способа заключается в следующих его свойствах:

- постоянный средний угол упреждения траектории объекта в случае неизменности условий сближения,

- минимальный кинематический промах, (а при постоянстве условий сближения - нулевой),

а также:

- отсутствие недопустимых перегрузок на объект в процессе самонаведения;

- возможность сближения с целью на конечном участке в положениях «больше навстречу» или «больше вдогон»;

- обеспечение гарантированного промаха при нештатной ситуации в положениях сближения «сверху» или «снизу»;

- обход материального препятствия (преграды) в процессе самонаведения;

- сближение с целью одним откорректированным дуговым отрезком с нулевым промахом в случае постоянства условий процесса самонаведения.

Дополнительно должно соблюдаться условие совпадения в момент визирования цели вектора скорости объекта и линии визирования.

Для реализации указанных свойств траекторию объекта формируют в виде циклических, сменяющих друг друга дуговых отрезков, по которым объект перемещается с постоянной угловой скоростью, при этом смену ее знака производят в начальный момент цикла: по факту визирования цели при условии совпадения в момент визирования цели вектора скорости объекта и оси максимальной чувствительности локатора, а в середине цикла - по факту равенства углов наклона линий, соединяющей местоположения объекта и цели в начальный момент цикла и наступившего совпадения в результате разворота данный момент.

Рассмотрим картину сближения объекта с целью, когда существует промах, фиг. 1, если цель перемещается, например, по траектории 1:O₁F, а объект по траектории 2 - OA₁ABCG.

На фиг. 1 обозначено:

V - скорость объекта;

V₁ - скорость цели;

OO₁ - расстояние до цели в «i-1» момент времени, равное r_i-1;

ВВ' - расстояние до цели в «i» момент времени, равное r_i;

q - средний угол упреждения относительно линии визирования.

Значение q определяется соотношением:

размерность q в радианах,

ω - угловая скорость объекта,

Т - время движения объекта до смены знака

O₂O,=О₂А₁ - радиус разворота объекта, равный R;

Ох₀ - направление оси максимальной чувствительности локатора;

A₁А₄ - линия, соединяющая одномоментное нахождение объекта и цели;

Ох - координата инерциальной системы,

α - угол рассогласования между линиями одномоментного нахождения объекта и цели в начальный момент и текущий;

θ_в - угол наклона траектории объекта (его вектора скорости) и линии визирования в начале цикла относительно инерциальной системы координат;

FG - статический промах, примерно равный минимальному расстоянию между объектом и целью.

Для обеспечения нулевого промаха предлагается проводить коррекцию траектории объекта по задаваемым алгоритмам с использованием информации о расстоянии до цели:

1) в начале и конце каждого цикла траектории

(в точках О, В, С, …, фиг. 2);

2) в момент смены знака угловой скорости объекта, то есть в начале и конце каждого полуцикла траектории (в точках О, А, В, В₇, С, фиг. 2).

Первый вариант сближения: измерение расстояния r производится в начале и конце каждого цикла.

На фиг. 2, представлено сближение объекта, перемещающегося по

траектории с противоположными по знаку и равными по модулю угловыми скоростями ω₀, причем смену знака разворота в точке А проводят, когда линия, соединяющая одномоментное нахождение объекта и цели, занимая начальное положение OO₁ промежуточное А₁А₄, займет в точке А положение АА₃, параллельное начальному. При этом формируется средний угол упреждения q_x относительно инерциальной системы координат а угол наклона траектории объекта (вектора его скорости) примет величину θ_см=2q_x.-θ_в.

Значение величины расстояния отрезка

OB'=OO₁-ВВ',

а значение отрезков

То есть:

r_i-1 - расстояние до цели в предыдущий момент,

r_i - расстояние до цели в текущий момент.

Вместе с тем, количество полуциклов n траектории объекта до цели после измерения текущего расстояния r_i при условии неизменности условий сближения равно:

а в общем виде это соотношение с учетом (1): выглядит так:

- целая часть числа полуциклов n,

m - дробная часть n, (m<1).

Рассмотрев геометрические соотношения в фигуре OFO₁, можно сделать вывод, что каждым линейным отрезкам: OА, АВ, … В₇С, равным между собой при постоянных параметрах сближения, соответствуют равные отрезки OA', A'B', … B₇'C₁, фиг. 1 и 2, общим целым числом , а оставшаяся дробная часть характеризует значения добавки к указанным величинам линейных отрезков.

При этом верно соотношение:

Принимая во внимание, что:

OA'=B₇'C₁

Вместе с тем, из кинематических соотношений при перемещениях объекта:

L - длина отрезка прямой, стягивающий концы дугового отрезка, по которому объект перемещается с постоянной угловой ω и линейной V скоростями, постоянными радиусом разворота R и средним углом упреждения q, вытекает, что:

Окончательно, с учетом (4), (7), (имея в виду, что до проведения коррекции угловая скорость объекта имела заданное значение ω₀, радиус разворота был равен R₀, длина прямой линии, стягивающей концы дуговых отрезков OA, АВ, … - L₀, при постоянном значении среднего угла упреждения q), значения L_корр, R_корр и ω_корр для корректирующего воздействия при перемещении цели по траектории 1 устанавливают из (4) в виде:

С учетом (3):

из (9) и (10):

На фиг. 3 показана коррекция по алгоритму (10) в конце процесса сближения:

r_i-1=175 мм

r_i=94 мм

L_-0=30

R₀=32 мм

[n]=2

m=0,32

Значение корректирующего воздействия определяется:

(размерность: радиан в секунду или минуту)

Геометрически - это траектория 3:

L_корр=39,6 мм

R_корр=42,2 мм

Можно проводить коррекции и в начале процесса самонаведения, при этом вычисления и реализация корректирующего изменения траектории объекта по алгоритму (10) проводят сразу после получения информации о расстоянии до цели: фиг. 4. При отсутствии коррекции промах - FG. Расстояние r_i-1 равно 250 мм, расстояние r_i составляет 203 мм. Минимальный радиус разворота R₀ равен 19 мм. Число полуциклов n равно:

Для осуществления нулевого промаха требуется коррекция:

R_корр=R₀(1+m)=31,1 мм, это траектория 4.

Итак, число полуциклов при сближении с целью после коррекции должно выражаться целым числом (m=0).

Второй вариант сближения: измерение расстояния r' производится в начале и конце полуцикла траектории.

В этом случае все выводы, изложенные выше, сохраняются, только измерения расстояния проводятся чаще, из-за чего повышается точность наведения при маневрировании цели.

При этом количество полуциклов определяется

где:

r'_i-1 - значение величины расстояния до цели в начале полуцикла сближения;

r'_i - значение расстояния до цели в конце полуцикла,

или:

Алгоритмы для коррекции траектории выглядят, как нетрудно убедиться, так:

L_корр=L_-0(1+m)

R_корр=R₀(1+m)

то есть L_корр и R_корр прямо пропорционально значению

а

ω_корр обратно пропорционально ему:

На фиг. 5 показана в этом случае траектория 5. Траектория коррекции такая же, как и на фиг. 4 по модулю, но противоположна по знаку.

Важно отметить, что окончательно сблизиться с целью при самонаведении можно в положениях, «больше навстречу» - сближение объекта с целью по откорректированной траектории под углом, меньшим среднего угла упреждения траектории объекта q, или «больше вдогон»: под углом, большим q. Положение «больше навстречу» реализуется при:

а) начале движения объекта по откорректированной траектории из текущего положения в начале цикла сближения при четном количестве полуциклов до цели;

например, на фиг. 6 после коррекции, начиная с точки S₁, которая является начальным циклом траектории S₁ S₂ S₃ … до встречи с целью в точке F, объект совершит 8 полуциклов; согласно расположения отрезка S₈F объект сблизится с целью в положении «больше навстречу»;

б) начале движения объекта по откорректированной траектории из текущего положения в середине цикла сближения при нечетном количестве полуциклов до цели;

например, на фиг. 7 объект совершает 7 полуциклов до встречи с целью, начиная с середины цикла BS₁ в точке S₀.

Положение «больше вдогон» реализуется при:

в) начале движения объекта по откорректированной траектории из текущего положения в начале цикла сближения при нечетном количестве полуциклов до цели;

например, на фиг. 8 отрезок S₇F показывает сближение в положении «больше вдогон» при количестве полуциклов 7, с начала цикла в точке S₁

г) начале движения объекта по откорректированной траектории из текущего положения в середине цикла сближения при четном количестве полуциклов до цели;

например, на фиг. 9 имеется 6 полуциклов при сближении «больше вдогон», начиная с середины цикла в точке S₁.

Следует отметить, что количество полуциклов до цели при необходимости легко изменить с четного на нечетное и, наоборот, произведя очередной разворот с параметрами:

n_ч - значение четного количества полуциклов траектории объекта

n_нч - значение нечетного количества полуциклов траектории объекта.

Другими словами, при одноразовом развороте объекта в необходимый момент с половиной действующего значения угловой скорости (удвоенном значением радиуса разворота), количество полуциклов до цели уменьшится на единицу, а четность изменится с четного на нечетное, и, наоборот, если оно было нечетным, то оно уменьшится на единицу и станет четным.

На фиг. 10 показано перемещение объекта по траектории OF, состоящей из нечетных 9 полуциклов (показано пунктиром) и 8 четных полуциклов (сплошная линия) построенных по алгоритму (13); траектория 10 - это перемещение объекта с половиной значения ω₀.

На фиг. 11 показана коррекция 11 (перемещение объекта с угловой скоростью ω=0,5 ω₀) для изменения числа полуциклов траектории с четного количества 8 на нечетное 7 по алгоритму (14).

Предлагаемый способ самонаведения обеспечивает не только сближение с целью в заданном положении при методическом нулевом промахе, но и при заданной необходимости обладает возможностью гарантировано сделать промах, то есть пройти мимо цели, причем - с заданной стороны: «сверху», или «снизу».

Потребность в реализации данной возможности возникает при появлении критической ситуации, например, когда объект сам становится целью.

Для осуществления необходимой коррекции необходимо придать объекту угловую скорость ω_пр, использовав сначала формулы управляющих коррекций (10) или (12) для создания нулевого промаха, а затем уменьшить угловую скорость при сближении с объектом или в два раза:

или в несколько раз:

n' - количество полуциклов, заменяемых одним дуговым отрезком.

Порядок проведения корректирующих воздействий в данном случае следующий:

- проведение подсчета количества n полуциклов до цели по формулам (2) или (11)

- реализация корректирующего воздействия по формуле (10), учитывая заданное положение «больше навстречу» или «больше вдогон»

- определение номера цикла, с которого начинается финальное корректирующее воздействие

- проведение финального корректирующего воздействия по формуле (15) или (16).

При организации промаха «сверху» по алгоритму (15) первоначальную коррекцию организуют в позиции сближения «больше навстречу».

При организации промаха «снизу» по этому алгоритму первоначальную коррекцию организуют в позиции «больше вдогон».

На фиг. 12 показана траектория объекта при реализации промаха «сверху». После первоначальной коррекции в точке S₁, от точки S₂ до точки F насчитывается 7 циклов. На шестом цикле в точке С проводят окончательную коррекцию в соответствии с (15): реализуют траекторию 12.

Если на пути движения объекта находится препятствие, то для его обхода используют формулу запланированного промаха «справа» или «слева», реализовав его после подсчета количества полуциклов N до препятствия:

L - расстояние до препятствия,

L₀ - линейное расстояние одного полуцикла, равное:

L₀=2 R₀ sin q, где R₀ известный радиус разворота объекта.

На фиг. 13 показан обход препятствия слева после коррекции в точке В.

Отметим, что при откорректированной траектории и постоянных условиях самонаведения можно сблизиться с целью одним полуциклом, например, по дуговой траектории 14, используя формулу:

где n - количество полуциклов до встречи с целью.

Траектория показана на фиг. 14:

n=8,

угловая скорость ,

радиус разворота R=8R₀=160 мм.

Управление объектом при аппаратной реализации предлагаемого способа осуществляется, например, с помощью функциональной схемы, представленной на фиг. 15, на которой введены следующие обозначения:

16 Объект; с собственной системой стабилизации;

17 Система управления объектом, организующая самонаведение;

18 Рулевой привод - реализует управляющее воздействие на объект;

19 Преобразователь - осуществляет управление рулевым приводом по командам БЭВМ;

20 Быстродействующая электронная вычислительная машина БЭВМ -управляет процессом наведения по заложенным алгоритмам;

21 Устройство обмена УО - переводит поступающую информацию на язык ЭВМ;

22 Измеритель значения угловой скорости объекта ω;

23 Прибор, реализующий инерциальную систему координат, оси которой являются началом отсчета углов;

24 Локатор цели - фиксирует факт визирование цели, когда вектор скорости объекта направлен в сторону цели;

25 Радар - осуществляет измерение расстояния до цели;

26 Движущаяся цель;

27 Устройство сравнения величин углов относительно инерциальной системы координат - осуществляет сравнение величин углов и выдачу сигнала о равенстве их значений для смены знака разворота объекта.

28 Блок ввода данных по условиям сближения.

По программе, записанной в БЭВМ 20, организуют циклические, сменяющие друг друга дугообразные развороты объекта 16, для чего после получения сигнала о факте визирования цели БЭВМ запоминает значение угла наклона траектории в этот момент и подает команду через преобразовательное устройство 19 на рулевой привод 18, который выдает управляющее воздействие δ для разворота объекта с заданной угловой скоростью; также запоминаются расчетные значения количества и четности дуговых отрезков до цели.. Когда угол наклона линии, соединяющей точки одновременного расположения объекта и цели относительно инерциальной системы координат снова станет равным первоначально запомненному значению, знак угловой скорости меняют на противоположный, тем самым замыкая первый полуцикл. Следующую смену знака разворота по окончании цикла осуществляют в момент совпадения углов наклона относительно инерциальной системы координат оси локатора и вектора скорости объекта по факту визирования цели.

Одновременно, в момент смены знака разворота или по окончании цикла производят коррекцию траектории с учетом введенных начальных данных по алгоритмам (10) или (12), а также осуществляют положение при окончательном сближении - «больше вдогон» или «больше навстречу», а еще, если было нужно, обеспечивают гарантированный промах и преодоление препятствий.

Все эти корректирующие воздействия проводятся расчетными алгоритмами БЭВМ автоматически с использованием предварительных условий, полученных перед началом сближения от блока 28.

В заключение следует отметить, что все коррекции данного метода самонаведения проводятся с изменением значений величины угловой скорости объекта в сторону их уменьшения, исключая тем самым появления недопустимых перегрузок, воздействующих на объект.

Данное изобретение может быть применено как самостоятельный способ самонаведения, так и в сочетании с другими способами, а также, например, в компьютерных играх.