ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области оптико-электронных систем управления и может быть использовано в оптических системах промышленного назначения, навигационных системах, системах слежения за космическими объектами, системах управления заходом на посадку и других системах аналогичного назначения.

Известна оптико-электронная система [1], содержащая задающее устройство и последовательно соединенные телевизионную камеру (оптико-электронный прибор), устройство обработки видеосигнала, решающее устройство, в совокупности составляющие пеленгатор, определяющий координаты в растре, а также исполнительное устройство, выходной вал которого механически связан с телекамерой. Исполнительное устройство в этой системе выполняет функции блока наведения и стабилизации. Выход синхронизации телекамеры соединен со входом задающего устройства, а его выход - со вторым входом решающего устройства.

Недостатком данной оптико-электронной системы является высокая вероятность срыва автоматического сопровождения объекта при переходе из полуавтоматического режима работы (когда поиск, обнаружение и начальное сопровождение объекта осуществляет оператор) в автоматический (когда сопровождение объекта осуществляется по координатам, вырабатываемым блоком определения координат). Этот недостаток значительно снижает эффективность применения оптико- электронной системы.

Известна также система [2] (стр. 7, рис. 3), содержащая последовательно соединенные телевизионный датчик (оптико-электронный прибор), устройство усиления и обработки сигнала и видеоконтрольное устройство. Синхронизация работы этих устройств осуществляется от внешнего синхрогенератора. Отсутствие в этой системе блока наведения и стабилизации не позволяет ее использовать для слежения за подвижными объектами.

Известна также следящая система [3] (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.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является телевизионно-оптическая система [2] (стр. 8-9, рис. 4), содержащая последовательно соединенные телевизионный датчик, устройство усиления и обработки сигнала, вычислительное устройство (в совокупности образующие пеленгатор) и исполнительный орган. Исполнительный орган, выполняющий функции блока наведения и стабилизации, кинематически связан с оптико-электронным (телевизионным) датчиком пеленгатора.

В известной системе переход в автоматический режим осуществляется посредством предварительного разворота пеленгатора на предназначенный для сопровождения объект таким образом, чтобы он оказался в пределах его поля зрения. Однако при увеличении угловых скоростей и ускорений визирования объекта вероятность перехода в автоматический режим сопровождения падает. Это объясняется, с одной стороны, падением контраста изображения объекта, перемещающегося относительно растра (см. [2], стр. 209-212). С другой стороны, если предварительный разворот пеленгатора осуществляется в полуавтоматическом режиме с участием человека-оператора, увеличиваются ошибки сопровождения высокоскоростного объекта оператором в силу ограниченности его динамических характеристик, приводящих к недопустимым переходным процессам в оптико-электронной системе, вызывающих срыв автосопровождения [4].

Увеличение угловой скорости визирования объекта происходит всякий раз, когда он, например, совершает маневр или проходит относительно оптико-электронной системы с малым параметром и т.д. Это приводит к увеличению "мертвой" зоны оптико-электронной системы, в которой, в силу указанных причин, невозможен переход в автоматический режим работы, что в свою очередь ухудшает эффективность комплексов, в которых используется оптико-электронная система.

С другой стороны, повышение надежности перехода в автоматический режим можно достигнуть за счет уменьшения коэффициента усиления в контуре "блок наведения и стабилизации - оператор", т.е. уменьшая перерегулирование в переходном процессе, вызывающем срыв автосопровождения. Однако заниженный коэффициент в контуре автоматической системы сопровождения (т.е. низкая добротность контура) приводит, как известно, к снижению точности сопровождения, ухудшению характеристик оптико- электронной системы в целом [5].

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности сопровождения объекта, в том числе с качающегося основания, за счет повышения надежности перехода из полуавтоматического режима работы в автоматический и обратно, повышения точности сопровождения, что достигается уменьшением динамических ошибок сопровождения высокоскоростных целей в полуавтоматическом и автоматическом режимах и уменьшением перерегулирования в переходном процессе в момент перехода из режима в режим, а также расширения зоны действия оптико-электронной системы.

Решение этой задачи достигается тем, что в оптико-электронную систему, содержащую кинематически связанные между собой блок наведения и стабилизации и пеленгатор, введены видеоконтрольное устройство, последовательно соединенные датчик команд, коммутатор и первый преобразователь координат, а также корректирующее устройство, устройство компенсации погрешности оператора и второй преобразователь координат, при этом первый выход пеленгатора соединен со входом видеоконтрольного устройства, второй выход пеленгатора соединен со вторым входом коммутатора, выход первого преобразователя координат соединен с третьим входом коммутатора, вход устройства компенсации погрешности оператора соединен со вторым выходом коммутатора, вход корректирующего устройства соединен с третьим выходом коммутатора, второй преобразователь координат входом соединен с четвертым выходом и четвертым входом коммутатора, а выходом - со входом блока наведения и стабилизации, выходы же устройства компенсации погрешности оператора и корректирующего устройства соединены соответственно с пятым и шестым входами коммутатора.

Все используемые в предлагаемой системе блоки являются известными. В качестве видеоконтрольного устройства могут быть использованы мониторы на электронно-лучевых трубках, газоразрядных, светодиодных, жидкокристаллических матрицах и т.п. Датчик команд может быть рукояточного или кнюппельного типа, с использованием сферического элемента в передаче ("мышь"), устройством типа "световое перо", окулометрическим прибором и т.п. Пеленгатор может быть выполнен аналогично прототипу или описанному в [1]. Блок наведения и стабилизации может быть выполнен как это указано в [2], либо на базе любого типа приводов, например описанных в [6]. Коммутатор может быть выполнен на основе быстродействующих электронных коммутаторов типа 590КН1, 590КН6, 564КП1 [7] или с использованием реле (РЭС90, РЭС80 и т.д.), герконов.

Устройство компенсации погрешности оператора и корректирующее устройство могут быть выполнены на операционных усилителях, обеспечивающих простоту реализации зон нечувствительности, сумматоров, различных фильтров и т.п. [8] с использованием методов, приведенных в [5].

Первый преобразователь координат служит для пересчета из измерительной системы координат пеленгатора в стабилизированную сферическую систему координат, второй преобразователь координат служит для пересчета из стабилизированной сферической системы координат в нестабилизированную сферическую систему координат блока наведения и стабилизации. Преобразователи координат могут быть реализованы, как это описано в [9].

На чертеже представлена функциональная схема оптико-электронной системы.

Оптико-электронная система содержит последовательно соединенные пеленгатор 1 и видеоконтрольное устройство 2, последовательно соединенные датчик команд 3, коммутатор 4 и первый преобразователь координат 8, а также устройство компенсации погрешности оператора 5, корректирующее устройство 6 и последовательно соединенные второй преобразователь координат 9 и блок наведения и стабилизации 7, выходной вал которого кинематически связан с пеленгатором. При этом второй выход пеленгатора 1 соединен со вторым входом коммутатора 4, выход первого преобразователя координат (ПК1) 8 соединен с третьим входом коммутатора 4, вход устройства компенсации погрешности оператора (УКПО) 5 соединен со вторым выходом коммутатора 4, вход корректирующего устройства (КУ) 6 соединен с третьим выходом коммутатора 4, вход второго преобразователя координат (ПК2) 9 соединен с четвертым выходом и четвертым входом коммутатора 4, а выходы УКПО 5 и КУ 6 соединены соответственно с пятым и шестым входами коммутатора 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Поиск объекта оптико-электронной системой осуществляется в полуавтоматическом режиме оператором с помощью датчика команд, сигналы с которого поступают через ПК 1, устройство компенсации погрешности оператора 5, ПК2 на блок наведения и стабилизации (БНС) 7, поворачивающий поле зрения пеленгатора в требуемом направлении.

При этом на выходе ПК1 формируется сигнал рассогласования в стабилизированной системе координат
δε_c = δεcosγ-δβsinγ;

где
δε,δβ- сигналы рассогласования в измерительной системе координат;
δε_c,δβ_c- сигналы рассогласования в стабилизированной системе координат;
γ- угол скрутки измерительной системы координат (см. [9], стр. 138);
ε_c- угол места в стабилизированной системе координат.

В ПК2 осуществляется пересчет из стабилизированных сферических координат в нестабилизированную сферическую систему координат (НССК) блока наведения и стабилизации.

x_н = cosε_ccos(β_c-α)cosψ+sinε_csinψ;


где
ε_н,q_н- углы наведения исполнительного устройства в НССК;,
ε_c,β_c- углы наведения исполнительного устройства в СССК;
α,ψ,θ- углы курса, тангажа и крена носителя соответственно.

Следует отметить, что введение преобразователей координат необходимо по крайней мере по двум причинам. Во-первых, при их отсутствии в оптико-электронной системе возникают перекрестные связи по каналам вертикального и горизонтального наведения, что при больших углах наведения и качек может привести к потере устойчивости. Во-вторых, введение этих преобразователей аналогично введению компенсирующих связей по качкам в блок наведения и стабилизации по величине качек, что существенно уменьшает динамическую ошибку стабилизации (см. , например, [10], стр. 125-134). Из выражений (1) и (2) видно, что при малых углах качек и наведения преобразователи координат вырождаются в линейные и в соответствующих системах могут быть реализованы, например, на масштабирующих усилителях.

Следует также отметить, что уменьшение ошибок стабилизации позволяет разгрузить оператора от трудновыполнимой для него работы (постоянная времени оператора не менее 0,1 с, [4], а спектр качек обычно лежит в пределах 0,5-10 Гц) и облегчает использование им способностей к экстраполяции.

Поиск объекта и контроль наведения проводится оператором по экрану видеоконтрольного устройства (ВКУ) 2. Обнаружив объект, оператор совмещает поле захвата пеленгатора с изображением объекта, при этом задачей оператора является компенсация углового рассогласования изображения объекта относительно центра поля захвата. Как правило, поле захвата и автосопровождения (строб) имеют размер меньше, чем все поле зрения. Сигнал с выхода устройства компенсации погрешности оператора 5 используется после преобразования из стабилизированной сферической в нестабилизированную сферическую систему координат в ПК2 для управления БНС 7.

В процессе сопровождения объекта в полуавтоматическом режиме корректирующее устройство 6 переводится в режим подготовки запоминания начальных условий. Для этого коммутатором 4 вход КУ подключается ко входу ПК2. Наиболее просто запоминание начальных условий реализуется, когда корректирующие фильтры содержат конденсаторы, например, если корректирующее устройство представляет собой изодромный элемент. В этом случае можно реализовать запоминание аналогично ячейкам выборки-хранения. Т.е. до момента фиксации начальных условий передаточная функция представляет собой апериодическое звено с малой постоянной времени, а с момента фиксации - интегрирующий элемент (интегратор, изодром и т.п.). В более сложных случаях для запоминания начальных условий можно воспользоваться методами, изложенными в [11], стр. 183-190. Это позволяет добиться равенства сигналов с выхода устройства компенсации погрешности оператора и корректирующего устройства в момент перехода в автоматический режим и тем самым позволяет избежать переходного процесса, приводящего к срыву автосопровождения.

В режиме автоматического сопровождения сигнал со второго выхода пеленгатора 1 подается через первый преобразователь координат 8, корректирующее устройство 6, второй преобразователь координат 9 на блок наведения и стабилизации 7. При этом в момент перехода на автосопровождение в КУ 6, как указывалось выше, фиксируются начальные условия. Аналогично вышеописанному для корректирующего устройства 6 в режим подготовки запоминания начальных условий переходит УКПО 5. Это обеспечивает возможность перевода системы в полуавтоматический режим управления в случае неудачного перехода в режим автосопровождения или при возникновении необходимости перезахвата объекта.

Отсутствие такого запоминания привело бы к потере объекта в случае прерывания автосопровождения при высокой угловой скорости либо при уходе объекта в дальнюю зону, когда условия для полуавтоматического сопровождения более благоприятны, чем в автоматическом (угловые скорости наведения малы, пороговое отношение сигнал/шум для человека может достигать 0,5 (см. [2], стр. 17-19), а для автоматических координаторов - не менее 3 для крупных объектов).

Следует заметить, что, хотя КУ и УКПО выполняют аналогичные функции - динамическая коррекция замкнутого контура сопровождения, - использование в оптико-электронной системе лишь одного из них невозможно, т.к. передаточные функции человека-оператора и пеленгатора существенно различаются. Это не позволяет оптимизировать параметры контуров в автоматическом и полуавтоматическом режимах при едином блоке динамической коррекции.

Из описанного видно, что в предлагаемой системе за счет введения КУ (УКПО), первого и второго преобразователя координат, создается замкнутый контур наведения и стабилизации линии визирования пеленгатора в автоматическом (полуавтоматическом) режиме, что позволяет существенно уменьшить динамическую ошибку электромеханического контура от возмущений, обусловленных перемещением подвижного основания. В результате существенно уменьшается скорость перемещения изображения объекта относительно растра. Следовательно, уменьшаются потери контраста и искажения образа объекта из-за "смазывания" изображения. Кроме того, уменьшение скорости перемещения относительно растра облегчает работу оператора (см. [12], стр. 30, 31). Это приводит к повышению надежности сопровождения объекта с качающегося основания, повышению дальности его сопровождения и повышению точности определения его координат при прочих равных условиях.

Кроме того, поскольку ошибка определения координат объекта автоматическим координатором пеленгатора 1 тем больше, чем больше время решения задачи (ошибка из-за запаздывания), а оно тем меньше, чем меньше размер строба, и в то же время требуемый минимальный размер строба тем меньше, чем меньше ожидаемое перемещение изображения объекта относительно строба от цикла к циклу, имеет место дополнительное повышение точности определения координат за счет минимизации размеров следящего строба. При этом также повышается помехозащищенность в автоматическом режиме за счет пространственной селекции.

Повышение эффективности сопровождения цели достигается за счет повышения надежности перехода из полуавтоматического режима работы в автоматический и наоборот в результате введения начальных условий на корректирующее устройство и устройство компенсации погрешности оператора при работе в полуавтоматическом и автоматическом режимах соответственно. Это дает возможность избежать переходных процессов в оптико-электронной системе, приводящих к срыву сопровождения. Возможность перехода из режима в режим без срыва сопровождения позволяет расширить зону работы системы, т.к. объединяются возможности работы в дальней зоне при малом отношении сигнал/шум в полуавтоматическом режиме с возможностью работы в ближней зоне в автоматическом режиме с высокой точностью даже при высоких угловых скоростях.

Таким образом, в предлагаемой системе повышение точности сопровождения при одновременном повышении дальности сопровождения и устойчивости сопровождения при воздействии качек обеспечивается за счет обеспечения стабилизации линии визирования и использования двухрежимности работы с учетом совокупности блоков и связей, приведенных на фиг.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ф.И.Барсуков, А.И.Величкин, А.Д.Сухарев "Телевизионные системы летательных аппаратов", М., "Советское радио", 1979, стр. 228-229, рис. 7. 11
2. Г.Н.Грязин "Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения", Л., "Машиностроение", Ленинградское отд-е, 1988.

3. Максимов М. В., Горгонов Г.И. "Радиоэлектронные системы самонаведения", М., "Радио и связь", 1982.

4. И. Е. Цибулевский "Человек как звено следящей системы", М., Наука, 1981, стр.93-108.

5. В.А.Бесекерский, Е.П.Попов "Теория систем автоматического регулирования", М., "Наука", 1966, стр. 184-195, 267-281.

6. М.Г.Чиликин, А.С Сандлер "Общий курс электропривода", М., "Энергоиздат", 1981.

7. В. Л.Шило "Популярные цифровые микросхемы". Справочник. М., "Радио и связь", 1987, стр. 142-150, 224-228.

8. И.М.Тетельбаум, Ю.Р.Шнейдер "400 схем для АВМ", М., "Энергия", 1978, стр. 20-35.

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

10. Г.М.Уланов "Динамическая точность и компенсация возмущений в системах автоматического управления (накопление и компенсация возмущений)", М., "Машиностроение", 1971.

11. "Руководство по проектированию элементов и систем автоматики. Пособие по курсовому и дипломному проектированию", вып. 3-й, под ред. чл.-корр. АН СССР проф. Б.Н.Петрова, М., "Оборонгиз", 1959.

12. B.C.Бабенко "Оптика телевизионных устройств" - 2-е изд., перераб. и доп., М., "Радио и связь", 1982.