CИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, УСТРОЙСТВО ВЫДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И БЛОК ДЕМОДУЛЯЦИИ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Предполагаемые система управления, устройство выделения координат и блок демодуляции для его реализации относятся к области разработки систем автоматического управления летательными аппаратами и динамическими объектами и может быть использовано в образцах техники, использующих оптические линии связи, а также в установках для научных исследований.
Наиболее близкой к предлагаемой по совокупности существенных признаков является система управления [1], выбранная в качестве прототипа и содержащая последовательно соединенные приемные устройства входного сигнала и устройство выделения координат выходного сигнала, устройство выработки команд управления, систему управления нормальными перегрузками.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является устройство выделения координат [2], выбранное в качестве прототипа и содержащее последовательно соединенные объектив, принимающий сигнал от источника излучения, оптический растр, фотоприемник излучения, частотный детектор, блок демодуляции а также генератор опорных напряжений, подключенный к оптическому растру и блоку демодуляции.
Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является блок демодуляции для осуществления указанного способа [3] и выбранный в качестве прототипа, содержит два блока умножения с объединенными входами.
Система управления летательным аппаратом работает следующим образом. Входным воздействием для системы управления летательным аппаратом является угловое отклонение летательного аппарата от линии визирования. Объектив фокусирует световой поток источника излучения на оптическом растре, который имеет прозрачные и непрозрачные сектора, расположенные радиально, и совершает плоскопараллельное перемещение (сканирование), что обеспечивает частотную модуляцию и пространственную селекцию светового потока бортового источника излучения. Частотно-модулированный световой поток воспринимается фотоприемником и преобразуется в соответствующие электрические сигналы. Частотно-модулированный сигнал с фотоприемника со сплошной чувствительной поверхностью поступает в частотный детектор. Выходной сигнал с частотного детектора содержит информацию об угловых отклонениях летательного аппарата от линии визирования, которая поступает в устройство выделения координат. Устройство выделения координат вырабатывает напряжения, соответствующие линейным отклонениям летательного аппарата от линии визирования. В качестве опорных напряжений для работы оптического растра и при демодуляции сигнала используются сигналы с генератора опорных напряжений. Напряжения, пропорциональные отклонению летательного аппарата от линии визирования по курсу и тангажу, с выхода устройства выделения координат поступают на блок формирования команд, где преобразуются в сигналы управления, предназначенные для передачи по линии связи на летательный аппарат.
Современные условия применения летательных аппаратов потребовали создать такой способ управления летательным аппаратом и систему управления для его реализации, которые позволили бы преодолеть ряд технических трудностей. Например, при нахождении источника излучения на краю оптического растра и частичном или полном кратковременном выходе его из поля зрения объектива в системе управления летательным аппаратом возникают существенные проблемы с выделением координат источника излучения и соответственно правильного формирования команд управления. Сам фотоприемник со сплошной чувствительной поверхностью вносит высокие шумовые составляющие в результирующий сигнал на его выходе (особенно при высоких температурах эксплуатации), что существенно уменьшает соотношение сигнал/шум в системе управления. Особенно это оказывает большое влияние на конечном участке управления и может приводить к большому промаху.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение качества и надежности процесса управления летательным аппаратом при нахождении летательного аппарата с источником излучения на краю оптического растра и частичном или полном кратковременным выходе его из поля зрения объектива, а также при нахождении в центре поля зрения объектива на конечном участке наведения без изменения конструкции самого летательного аппарата.
Поставленная задача решается тем, что в систему управления, содержащую последовательно соединенные устройство выделения координат и блок формирования команд управления, дополнительно введен задатчик допустимых значений, выход которого соединен с первым входом устройства выделения координат.
Поставленная задача решается также тем, что в устройство выделения координат, содержащее генератор опорных напряжений, блок демодуляции и последовательно соединенные объектив, оптический растр, второй вход которого соединен со вторым входом блока демодуляции и выходом генератора опорных напряжений, фотоприемник излучения и частотный детектор, дополнительно введены последовательно соединенные блок анализа, второй выход которого соединен с первым входом бока демодуляции, и блок оценки частоты, третий вход которого соединен с выходом блока демодуляции, причем второй вход блока демодуляции соединен со вторым входом блока оценки частоты, выход которого соединен со вторым входом блока анализа, а выход частотного детектора соединен с первым входом блока анализа, третий вход которого является первым входом устройства выделения координат, выход блока демодуляции является выходом устройства выделения координат.
Поставленная задача решается также тем, что в блок демодуляции, содержащий первый и второй умножители, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым входами первого умножителя, дополнительно введены последовательно соединенные блок расчета параметров, второй выход которого соединены с первыми входами первого и второго блоков умножения, и блок расчета координат, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков умножения, причем второй вход блока расчета параметров соединен со вторыми входами первого и второго блоков умножения, а первый и второй входы блока расчета параметров являются соответственно первым и вторым входами блока демодуляции, выход блока расчета координат является выходом блока демодуляции.
В заявляемых технических решениях предлагается обеспечить повышение качества и надежности процесса управления летательным аппаратом без изменения конструкции самого летательного аппарата, осуществлять расчет координат источника излучения по прогнозируемой частоте модулированного сигнала при нахождении летательного аппарата с источником излучения на краю оптического растра и частичном или полном кратковременным выходе летательного аппарата из поля зрения объектива, а также при нахождении летательного аппарата в центре поля зрения объектива на конечном участке управления, и, как следствие, повысить помехоустойчивость всей системы управления за счет расчета координат источника излучения по прогнозируемой частоте модулированного сигнала.
Предлагаемые технические решения поясняются рисунками фиг.1 и фиг.2, где фиг.1 представляет реализацию системы управления летательным аппаратом и реализацию устройства выделения координат, фиг.2 представляет реализацию блока демодуляции.
Реализация системы управления летательным аппаратом поясняет фиг.1, на которой обозначено: 1 - устройство выделения координат; 2 - блок формирования команд; 3 - задатчик допустимых значений частот. Реализацию устройства выделения координат 1 поясняет фиг.1, на которой обозначено: 4 - объектив; 5 - оптический растр; 6 - фотоприемник излучения; 7 - частотный детектор; 8 - генератор опорных напряжений; 9 - блок анализа; 10 - блок демодуляции; 11 - блок оценки частоты.
Реализация блока демодуляции 10 системы управления поясняет фиг.2, на которой обозначено: 12, 13 - первый и второй блок умножения; 14 - блок расчета параметров; 15 - блок расчета координат.
Система управления летательным аппаратом работает следующим образом. Входным воздействием для системы управления летальным аппаратом является угловое отклонение летательного аппарата от линии визирования. Объектив 4 фокусирует световой поток источника излучения, находящегося на борту летательного аппарата, на оптическом растре 5, который имеет прозрачные и непрозрачные сектора, расположенные радиально, и совершает плоскопараллельное перемещение (сканирование), что обеспечивает частотную модуляцию и пространственную селекцию светового потока бортового источника излучения. Частотно-модулированный световой поток воспринимается одноэлементным фотоприемником излучения 6 и преобразуется в соответствующие электрические сигналы. Частотно-модулированный сигнал с фотоприемника 6 поступает в частотный детектор 7. Выходной сигнал с частотного детектора 7 содержит информацию об угловых отклонениях летательного аппарата от линии визирования, которая поступает в блок анализа 9. Сигнал с задатчика допустимых значений частот 3 поступает на третий вход блока анализа 9, где осуществляется сравнение выделенной частоты модулированного сигнала с допустимым значением частоты. Если значение выделенной частоты находится в допуске, то с выхода блока анализа 9 подается на вход блока демодуляции 10 выделенная частота. Если значение выделенной частоты находится вне допуска, то с выхода блока анализа 9 на вход блока демодуляции 10 поступает прогнозируемая частота модулированного сигнала, формируемая в блоке оценки частоты 11 по запомненным координатам источника излучения, которые вычисляются в блоке демодуляции 10. Признак о нахождении выделенной частоты в допуске или вне допуска формируется в блоке анализа 9 и подается на первый вход блока оценки частоты 11. При отсутствии признака о нахождении выделенной частоты вне допуска с первого выхода блока анализа 9 на выходе блока оценки частоты 11 формируется сигнал пропорциональный частоте, соответствующей текущим координатам источника излучения. В качестве опорных напряжений для работы оптического растра 5, блока оценки частоты 11 и при демодуляции сигнала в блоке 10 используются сигналы с генератора опорных напряжений 8. Блок демодуляции 10 включает последовательно соединенные блок расчета параметров 14 и блок расчета координат 15. В блоке расчета координат 15 рассчитываются координаты источника излучения по выделенной или прогнозируемой частоте модулированного сигнала. Координаты определяются как пересечение двух окружностей с параметрами, определенными с помощью блока расчета параметров 14, двух блоков перемножения 12, 13 и сигналов с блока опорных напряжений 8. Устройство выделения координат 1, включающее блоки 4-11, вырабатывает напряжения, соответствующие линейным отклонениям летательного аппарата от линии визирования. Напряжения, пропорциональные отклонению летального аппарат от линии визирования по курсу и тангажу, с выхода устройства выделения координат 1 поступают на блок формирования команд 2, где преобразуются в сигналы управления, предназначенные для передачи по линии связи на летательный аппарат.
В предлагаемой системе управления летательным аппаратом объектив 4, оптический растр 5, фотоприемник излучения 6, частотный детектор 7, генератор опорных напряжений 8 и блок формирования команд 2 могут быть выполнены как в прототипе. Блок анализа 9, блок демодуляции 10, блок оценки частоты 11 и задатчик допустимых значений частоты 3 могут быть выполнены на основе сигнальных микропроцессоров [4] и программируемых логических интегральных схем [5].
Предлагаемые система управления летательным аппаратом и входящие в нее устройство выделения координат и блок демодуляции по сравнению с прототипами позволяют достичь:
- существенного повышения надежности и помехоустойчивости системы управления за счет расчета координат источника излучения при нахождении летательного аппарата на краю оптического растра и частично или полном кратковременным выходе ее из поля зрения объектива;
- увеличения соотношения сигнал/шум на конечном участке управления за счет использования расчетных координат источника излучения при нахождении летательного аппарата в центре поля зрения объектива;
- повышения точности управления летательным аппаратом без изменения конструкции самого летательного аппарата;
Достижение всех перечисленных характеристик системы управления осуществляется за счет:
- задания допустимых значений частоты модулированного сигнала;
- сравнении выделенной частоты модулированного сигнала с допустимыми значениями;
- расчет прогнозируемой частоты модулированного сигнала при значениях выделенной частоты вне заданных допусках;
- определение координаты источника излучения по прогнозируемой частоте модулированного сигнала и прогнозируемым координатам источника излучения при значениях выделенной частоты вне заданных допусках;
- определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов и выполнением определенных параметрических соотношений.
Обосновать работу системы управления можно следующим образом. Выходной сигнал с фотоприемника излучения 6 можно описать выражением
где N - число пар чередующихся прозрачно-непрозрачных для излучения радиальных секторов модулирующего диска;
р
ω - частота сканирования растра;
R - радиус сканирования растра;
z
y
R, R - координаты источника излучения.
Частотный детектор 7 формирует сигнал, пропорциональный производной от угла Ψ, т.е. .
В блоке анализа 9 осуществляется сравнение выделенной частоты модулированного сигнала с выхода частотного детектора 7 и с допустимыми значениями частоты, получаемых с выхода задатчика допустимых значений частоты 3.
При значениях выделенной частоты в заданном допуске с выхода блока анализа 9 на блок демодуляции 10 подается выделенная частота, полученная с выхода частотного детектора 7.
При значениях выделенной частоты вне заданного допуска на первый вход блока оценки частоты 11 с первого выхода блока анализа 9 подается признак о нахождении выделенной частоты модулированного сигнала вне допуска и блок оценки частоты 11 переходит в режим прогнозирования частоты модулированного сигнала.
oy
oz
p
p
При наличие признака о значениях выделенной частоты вне заданного допуска в блоке оценки частоты 11 по запомненным на момент нахождения частоты выделенного сигнала в допуске координатам источника излучения R и R, получаемых с выхода блока демодуляции 10, и сигналам cos(ωt) и sin(ωt) с выхода блока опорных напряжений 8 осуществляется расчет прогнозируемой частоты модулированного сигнала:
oy
oz
p
p
На небольших интервалах времени, когда значения координат источника излучения R и R мало меняются, значение прогнозируемой частоты меняется во времени из-за изменения сигналов cos(ωt) и sin(ωt).
С выхода блока анализа 9 подается расчетная прогнозируемая частота модулированного сигнала, полученная с выхода блока оценки частоты 11.
На выходе блоков 12 и 13 и блока 14 осуществляется расчет параметров окружности, определяемых частотой и радиусом вращения оптического растра 5 и положением источника излучения по следующим зависимостям соответственно:
В блоке 15 осуществляется расчет координат источника излучения:
где y[n],z[n],r[n] - параметры, вычисленные по (4) для дискретных значений времени;
Анализ формул (1)-(5) показывает, что повышается качество и надежность процесса управления летательным аппаратом без изменения конструкции самого летательного аппарата, и, как следствие, повышается помехоустойчивость всей системы управления за счет расчета координат источника излучения при нахождении летательного аппарата с источником излучения на краю оптического растра и частичном или полном кратковременным выходе летательного аппарата из поля зрения объектива, а также при нахождении летательного аппарата в центре поля зрения объектива на конечном участке управления. При этом расчет координат источника излучения осуществляется по прогнозируемой частоте модулированного сигнала и запомненным координатам источника излучения, определенных на момент времени предшествующему пропаданию признака нахождения выделенной частоты модулированного сигнала в заданных допусках.
Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают повышение качества и надежности процесса управления летательным аппаратом без изменения конструкции самого летательного аппарата, и, как следствие, повышение помехоустойчивости всей системы управления за счет расчета координат источника излучения по прогнозируемой частоте модулированного сигнала при нахождении летательного аппарата на краю оптического растра и частичном или полном кратковременным выходе летательного аппарата из поля зрения объектива, а также при нахождении летательного аппарата в центре поля зрения объектива на конечном участке управления.
Следовательно, использование новых элементов, соединенных в соответствии с фиг.1 и фиг.2 и указанными функциональными характеристиками, определенными соотношениями (1)-(5), в предлагаемой системе управления летательного аппарата выгодно отличает предлагаемые технические решения от прототипа, так как обеспечивает повышение надежности и точности всей системы управления.
Источники информации:
1. Лебедев А.А., Карабанов В.А. Динамика систем управления беспилотными летательными аппаратами. М., Машиностроение. 1965, стр.28-32, рис.1.7.
2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. М., Машиностроение. 1977, стр.133-179, рис.112, 115, 117, 121, 144.
3. Казамаров А.А., Палатник A.M., Раднянский Л.О. Динамика двумерных систем автоматического регулирования. М., Наука, 1967, стр.94-98, рис.2.1.1, стр.219-221, рис.3.1.2, стр.262-263, рис.4.1.1.
4. Руководство пользователя по сигнальным микропроцессорам ADSP2100. Пер. с английского О.В.Луневой под ред. А.Д.Викторова. С.-Петербургский государственный электротехнический университет, С.-Петербург, 1997, стр.520.
5. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы «Altera». Проектирование устройств обработки сигналов. М., «Додека», 2000.