Результат интеллектуальной деятельности: ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ПОИСКА И СОПРОВОЖДЕНИЯ

Изобретение относится к области оптико-электронных систем управления, предназначенных преимущественно для автоматического сопровождения подвижных объектов с перемещающегося основания.

Известна оптико-электронная система для сопровождения объектов со следящим стробом, имеющая полуавтоматический и автоматический режимы работы. Она содержит телевизионную камеру, устройство обработки видеосигнала, решающее устройство, интегратор, задающее устройство, привод наведения [1] (стр. 232, рис.7.17). Недостатками данной телевизионной системы являются невысокая точность сопровождения с подвижного основания из-за отсутствия системы стабилизации оптической линии визирования и значительной динамической инерционности системы исполнительного привода и контура электронного слежения, а также трудность перехода на автосопровождение быстродвижущихся объектов.

Известна следящая система [2] (стр.228, 229, рис.6.7), состоящая из последовательно соединенных датчика поступательного движения, вычислителя, гиростабилизатора, пеленгатора и усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом гиростабилизатора. Данная система позволяет осуществлять работу с качающегося основания. Однако в связи с тем, что для стабилизации используется гиропривод, отсутствует практическая возможность стабилизации массивных оптических приборов, т.е. приборов с большими фокусными расстояниями и диаметрами входного зрачка. Это не позволяет обеспечить сопровождение объектов, находящихся на большой дальности либо имеющих малый контраст относительно фона. В этой системе также затруднен переход на автосопровождение объекта.

В литературе описана также следящая система [2] (стр.229, 230, рис.6.8), состоящая из последовательно соединенных датчика угловой скорости, сумматора, усилителя мощности, двигателя и пеленгатора. Выход пеленгатора соединен со вторым входом сумматора. В этой системе датчик угловой скорости, сумматор, усилитель мощности и двигатель выполняют функции устройства наведения и стабилизации. Недостатком известной оптико-электронной системы сопровождения является невозможность автоматизированного перевода системы в автоматический режим. Это объясняется отсутствием устройств для программного разворота пеленгатора для нахождения объекта. В данной системе захват объекта на автосопровождение возможен лишь путем точного совмещения изображения объекта со стробом (окном анализа), что затруднительно даже при значительном рассогласовании положений объекта и строба в картинной плоскости пеленгатора, не говоря уже о случае, когда объект находится вне поля зрения. Кроме того, отсутствие устройств для динамической коррекции не позволяет в достаточной мере реализовать возможности исполнительного устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является оптико-электронное устройство [2] (стр.110-112, рис.3.23), состоящее из связанных между собой оптико-электронного пеленгатора и привода с усилителем мощности. Эта система имеет входы приема оптического сигнала, внешнего целеуказания и коррекции. Здесь привод с усилителем мощности выполняет с учетом подаваемых на них сигналов компенсации функции устройства наведения и стабилизации. В процессе сопровождения разворот пеленгатора на объект осуществляется приводом по сигналам от пеленгатора. Недостатком этой системы является отсутствие измерителей качек, что затрудняет использование этой системы на носителях, подверженных воздействию качек. Кроме того, отсутствие функциональных блоков для программного разворота пеленгатора для поиска объекта затрудняет осуществление перехода на автосопровождение.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение автоматизации автозахвата, при одновременном повышении точности автосопровождения с подвижного носителя.

Для достижения указанной задачи в оптико-электронную систему, содержащую последовательно соединенные устройство наведения и стабилизации и пеленгатор, введены последовательно соединенные преобразователь координат из инструментальной в исполнительную систему, первый сумматор, преобразователь координат из исполнительной в стабилизированную систему, второй сумматор и коммутатор, а также задатчик поискового сканирования и преобразователи координат из исполнительной в инструментальную и из инструментальной в стабилизированную системы. При этом второй выход устройства наведения и стабилизации соединен со вторым входом первого сумматора, третий выход устройства наведения и стабилизации соединен со входом преобразователя координат из исполнительной в инструментальную систему, первый выход пеленгатора соединен со входом преобразователя координат из инструментальной в исполнительную систему, второй выход - со входом преобразователя координат из инструментальной в стабилизированную систему, а второй вход - с выходом преобразователя координат из исполнительной в инструментальную систему, второй вход второго сумматора соединен с выходом задатчика поискового сканирования, выход преобразователя координат из инструментальной в стабилизированную систему соединен со вторым входом коммутатора, выход которого соединен со входом устройства наведения и стабилизации.

На чертеже в качестве иллюстрации приведена функциональная схема (для простоты - для одного канала) предлагаемой оптико-электронной системы.

Оптико-электронная система поиска и сопровождения (ОЭСПС) состоит из последовательно соединенных устройства наведения и стабилизации (УНС) 1, пеленгатора 2, преобразователя координат из инструментальной в исполнительную систему (ПКИнИс) 3, первого сумматора 4, преобразователя координат из исполнительной в стабилизированную систему (ПКИсС) 5, второго сумматора 6, коммутатора 7, выходом соединенного со входом устройства наведения и стабилизации, а также преобразователя координат из инструментальной в стабилизированную систему (ПКИнС) 8, преобразователя координат из исполнительной в инструментальную систему (ПКИсИн) 9 и задатчика поискового сканирования (ЗПС) 10. При этом второй выход УНС соединен со вторым входом первого сумматора, третий выход УНС соединен со входом ПКИсИн, выходом подключенного ко второму входу пеленгатора 2, чей второй выход связан со входом ПКИнС, выходом соединенного со вторым входом коммутатора 7, а второй вход второго сумматора - с выходом задатчика поискового сканирования.

Все блоки, используемые в системе, известны либо могут быть реализованы на базе известных узлов. Устройство наведения и стабилизации может быть выполнено, как в прототипе, либо аналогично описанному в [1], либо представлять собой последовательно соединенные корректирующее устройство, преобразователь координат из стабилизированной в исполнительную систему и сервопривод. При этом сервопривод может быть пневматическим, гидравлическим, электрическим, в т. ч. с использованием двух- и трехкоординатных моментных двигателей. Пеленгатор может быть реализован, как в прототипе, или быть выполнен в виде последовательно соединенных оптико-электронного прибора (телекамеры, тепловизора и т.п.) и телевизионного автомата для определения координат в растре, описанного, например в [1]. Реализация преобразователей координат описана, например, в [3]. Они могут быть выполнены на базе электромеханических преобразователей, аналоговых усилителей, цифровых решающих приборов. Сумматоры могут быть исполнены как на базе аналоговых усилителей [4], так и с помощью цифровой техники. Коммутатор может быть изготовлен с использованием электромеханических реле, герконов, транзисторных, в том числе полевых, ключей и т. п. Задатчик поискового сканирования может быть выполнен с использованием, например, магнитных или оптических носителей информации или реализован с использованием иных, в частности электронных, запоминающих устройств [5].

Работа оптико-электронной системы поиска и сопровождения осуществляется следующим образом.

Рассмотрим первоначально работу системы в процессе автосопровождения. В этом случае сигнал о положении изображения объекта относительно центра растра (или, что аналогично, центра поля зрения) поступает из пеленгатора 2 на вход преобразователя координат 8 из инструментальной в стабилизированную систему. Такое преобразование позволяет учесть возмущающие воздействия, действующие на носитель оптико-электронной системы. Работа преобразователя может быть описана, например, зависимостями (1):

где δε,δβ - сигналы рассогласования в инструментальной системе координат;
δε_c,δβ_c - сигналы рассогласования в стабилизированной системе координат;
γ - угол скрутки инструментальной системы координат (см. [3], стр.138).

Полученные в ПКИнС сигналы через коммутатор 7 выдаются на вход устройства наведения и стабилизации 1. УНС осуществляет разворот пеленгатора в сторону объекта таким образом, чтобы его изображение оказывалось в центре поля зрения. Поскольку пеленгатор (или его перемещаемые составные части) является достаточно массивным, устройство наведения и стабилизации имеет существенные ошибки. Чтобы эти ошибки как можно меньше влияли на процесс определения координат в растре пеленгатором, на его второй вход подается сигнал смещения, по которому следящий строб отклоняется на соответствующую величину. Но для формирования этой поправки необходимо пересчитать величины текущих ошибок устройства наведения и стабилизации 1 из исполнительной системы координат УНС в инструментальную систему координат пеленгатора 2. Эту функцию выполняет ПКИсИн 9. Преобразования, выполняемые в нем, могут быть, например, описаны уравнениями (2):

где δϕ_иy,δq_иy - ошибки устройства наведения и стабилизации в исполнительной системе координат;
ϕ_иy - угол места устройства наведения и стабилизации в исполнительной системе координат;
δϕ_н,δq_н - ошибки устройства наведения и стабилизации в инструментальной системе координат.

Нужно отметить, что введение связи по ошибке привода в пеленгатор не только облегчают условия функционирования пеленгатора, но и приводят к уменьшению динамической ошибки определения координат пеленгатором.

Для обеспечения перехода на автосопровождение необходимо обеспечить выполнение, по крайней мере, нескольких условий. Во-первых, изображение объекта должно находиться внутри окна захвата (строба). Во-вторых, не должно возникать больших переходных процессов после перехода на автосопровождение. Чтобы минимизировать переходные процессы, желательно сохранить насколько возможно идентичность структур в режимах поиска и автосопровождения. Это обеспечивается за счет формирования сигнала, аналогичного преобразованной координате пеленгатора 2 на выходе коммутатора 7. Для этого во втором сумматоре 6 сигнал, вырабатываемый задатчиком поискового сканирования 10, сравнивается с текущей координатой линии визирования, проходящей через центр строба. Обе эти величины берутся в стабилизированной системе координат. Очевидно, что задание закона сканирования в стабилизированной системе координат обеспечивает большую универсальность. Если в ЗПС 10 занести в качестве начальных условий положение центра сектора сканирования, то полная координата может быть получена путем добавления к начальным условиям программных поправок. Получение же координаты линии визирования в стабилизированной системе несколько более сложно. В первом сумматоре 4 определяют координату линии визирования в исполнительной системе координат УНС 1. Чтобы ее получить, нужно к координате центра поля зрения, которая однозначно связана с перемещением УНС (второй его выход), добавить поправки на положение строба. Как уже говорилось выше, для обеспечения аналогичности структуры строб и в режиме поиска подвижен. Поскольку фактическая величина смещения строба выдается в инструментальной системе координат, требуется осуществить пересчет в исполнительную систему координат. Эта операция выполняется в ПКИнИс 3, например, с использованием зависимостей (3):

где δε_н,δβ_н - координаты строба в исполнительной системе координат.

Здесь следует обратить внимание на два момента. Во-первых, использование подвижного строба позволяет компенсировать динамические ошибки устройства наведения и стабилизации 1, которые особенно велики в случае воздействия качек. Во-вторых, использование при расчете координаты линии визирования фактического положения строба позволяет учесть динамические ошибки контура управления стробом, вызываемые, в частности, запаздыванием, квантованием и т.п.

Наконец, последней операцией, необходимой для получения координаты линии визирования в стабилизированной системе координат, является пересчет их из исполнительной, выполняемой в ПКИсС 5. Могут, в частности, использоваться зависимости (4):

где ε_н,β_н - координаты линии визирования в исполнительной системе координат;
ε_c,β_c - координаты линии визирования в стабилизированной системе координат;
α,ψ,θ - соответственно углы курса, тангажа и крена носителя.

Как уже говорилось ранее, координата линии визирования сравнивается с координатой задатчика поискового сканирования 10 во втором сумматоре 6. При этом получается контур с обратной связью по отслеживанию задаваемой координаты, что позволяет более точно, чем при работе в разомкнутом контуре, отработать требуемые воздействия. Кроме того, аналогично сказанному для работы в режиме автосопровождения пересчет координат линии визирования в стабилизированную систему координат позволяет учесть качки, действующие на носитель, и, следовательно, дополнительно повысить точность отработки закона сканирования. Итак, пеленгатор 2 перемещается в установленном секторе по заданному закону. Когда изображение объекта попадает в строб, производится автозахват. Он может осуществляться как путем сравнения изображений в стробе с ранее записанными в память пеленгатора априорными эталонными изображениями, так и в результате подачи на пеленгатор внешней команды по результатам наблюдения оператором за процессом. Так как в момент перехода на автосопровождение координаты с выходов второго сумматора 6 и ПКИнИс равны между собой, то переходный процесс будет вызываться в основном различиями в траекториях движения объекта и принятым законом сканирования. То есть при начальном равенстве координат и учете движений носителя скачкообразное изменение претерпят только скорости, ускорения и производные более высоких порядков.

Таким образом, достигается выполнение условий, необходимых для автоматизированного перехода на автосопровождение. Следует еще упомянуть о двух моментах. Как видно из сказанного выше, для начала поиска следует переместить пеленгатор в некоторое начальное положение. Это может делаться и человеком-оператором, и автоматически. На чертеже возможность задания такого сигнала показана как дополнительный вход коммутатора 7. Из анализа формул, описывающих работу преобразователей координат, также видно, что для работы, по крайней мере части из них, требуется использование измерителей возмущений, действующих на носитель, и соответствующие связи между преобразователями координат и измерителями. В ряде случаев требуется также обеспечить и взаимосвязи между преобразователями, а также УНС с преобразователями. Такого рода взаимосвязи не отражены на чертеже и в формуле изобретения в силу их очевидности.

Таким образом, в предложенном техническом решении возможность автоматизации автозахвата обеспечивается в результате:
1) обеспечения аналогичности контуров в режиме поиска и автосопровождения и уменьшения в результате переходных возмущений;
2) высокой точности отработки закона сканирования в результате использования замкнутого контура с обратной связью и использования информации о качках носителя для их компенсации, а также учета при расчете положения линии визирования фактических координат УНС и строба пеленгатора;
3) учета ошибок устройства наведения и стабилизации для корректировки положения строба и тем самым более точного задания положения линии визирования в пространстве.

Одновременно в силу аналогичности контуров достигается повышение точности автосопровождения. В том числе, точность определения координат в стробе повышается как за счет учета возмущений носителя и, как следствие, уменьшения динамических возмущений в контуре следящего строба, так и использования компенсирующей связи на строб по ошибке устройства наведения и стабилизации. Последняя в автоматическом режиме позволяет уменьшить отклонение изображения объекта от центра строба, т.е. величину сигнала на входе определителя координат пеленгатора, и, следовательно, снизить динамическую ошибку определения координат.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Барсуков Ф.И., Величкин А.И., Сухарев А.Д. "Телевизионные системы летательных аппаратов", М., "Советское радио", 1979, стр.232, рис.7.17, аналог.

2. Максимов М. В., Горгонов Г.И. "Радиоэлектронные системы самонаведения", М., "Радио и связь", 1982, стр.110-112, прототип, стр.228-230, аналог.

3. Ривкин С.С. "Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании", М., "Наука", 1978.

4. Тетельбаум И. И. , Шнейдер Ю.Р. "400 схем для АВМ", М., "Энергия", 1978.

5. Васенков А.А. "Микропроцессорные БИС и микроЭВМ", М., "Советское радио", 1980.