СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ МОДУЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО

Полезная модель относится к области оптического приборостроения, в частности к гиростабилизированным устройствам, размещаемым на подвижных объектах для обеспечения стабилизации поля зрения, получения неподвижного изображения и управления линией визирования оптических приборов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Известна система стабилизации линии визирования [1], содержащая корпус, платформу с вертикальной осью, размещенную в подшипниках корпуса, зеркальный отражатель с горизонтальной осью, размещенный в подшипниках платформы, одноосный гироскопический стабилизатор (далее - ОГС) с контуром управления, выходная ось которого размещена в подшипниках платформы и кинематически связана передачей в соотношении 2:1 с горизонтальной осью зеркального отражателя, датчик угла, кинематически связанный с горизонтальной осью зеркального отражателя, исполнительный двигатель, установленный на вертикальной оси платформы, усилительно-корректирующее устройство, гироскопический чувствительный элемент, выполненный в виде гиромодуля, содержащего первый и второй датчики угловой скорости, расположенные так, что оси чувствительности первого и второго датчиков угловой скорости соосны соответственно вертикальной оси платформы и горизонтальной оси зеркального отражателя, усилительно-корректирующее устройство выполнено в виде цифрового модуля, при этом первый вход усилительно-корректирующего устройства соединен с выходом датчика угла, второй и третий его входы соединены соответственно с первым и вторым выходами гиромодуля, первый выход усилительно-корректирующего устройства подключен к исполнительному двигателю, второй его выход соединен с входом контура управления одноосного гироскопического стабилизатора.
Недостатком известной системы стабилизации линии визирования является то, что система имеет ограниченный угол обзора вертикального наведения, не превышающий 45 градусов. При больших углах вертикального наведения, близких к 60 градусам, система не может стабилизировать линию визирования, несмотря на сохранение управляемости. При больших углах поворота по оси вертикального наведения, близких к 90 градусам, момент, требуемый от двигателя на наружной рамке карданова подвеса ОГС, стремится к бесконечности и устройство теряет управляемость. Вторым недостатком данной системы является наличие кинематической передачи в соотношении 2:1 между горизонтальной осью вращения ОГС и горизонтальной осью зеркального отражателя. От точности выполнения этого соотношения зависит ошибка стабилизации поля зрения в вертикальной плоскости, что является очень трудоемкой операцией.
Задачей настоящей полезной модели является расширение диапазона углов горизонтального и вертикального наведения системы стабилизация линии визирования модуля оптоэлектронного, обеспечение высокого качества наблюдения и точности прицеливания.
Для решения поставленной задачи предложена система стабилизации линии визирования модуля оптоэлектронного (далее - ССМО), содержащая корпус, платформу с вертикальной осью, размещенную в подшипниках корпуса, первый исполнительный двигатель (далее - ИД1), установленный на вертикальной оси платформы, горизонтальную ось, размещенную в подшипниках платформы, гиромодуль (далее - ГМ), установленный на горизонтальной оси, цифровое усилительно-корректирующее устройство (далее - ЦУКУ), второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом ГМ, а первый выход ЦУКУ соединен с ИД1, первый датчик угла (далее - ДУ1) соединен с первым входом ЦУКУ. Новизна предложения состоит в том, что на горизонтальной оси установлены модуль оптоэлектронный (далее - МО), второй исполнительный двигатель (далее - ИД2), вход которого соединен со вторым выходом ЦУКУ, и ДУ1. На вертикальной оси платформы установлен второй датчик угла (далее - ДУ2), выход которого соединен с четвертым входом ЦУКУ. ГМ имеет три взаимно перпендикулярных оси чувствительности, две из которых расположены соосно с вертикальной осью платформы и горизонтальной осью, а третья - соосно с линией визирования модуля оптоэлектронного, при этом третий выход ГМ соединен с пятым входом ЦУКУ.
ГМ содержит установленные на каждой из трех осей чувствительности не менее трех дискретных микроэлектромеханических комбинированных датчиков.
В качестве первого и второго датчиков угла использованы цифровые датчики угла с не менее 21-разрядным цифровым кодом на выходе.
Структурно-кинематическая схема ССМО представлена на фигуре. ССМО содержит корпус 1, закрепленный на подвижном объекте, платформу 2 с вертикальной осью 3, размещенную в подшипниках 4 корпуса 1, ИД1 5, установленный на вертикальной оси 3 платформы 2, горизонтальную ось 6, размещенную в подшипниках 7 платформы 2, на горизонтальной оси 6 установлены МО 8, ИД2 9, ГМ 10, ДУ1 11, ЦУКУ 12, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом ГМ 10, ДУ1 11 соединенный с первым входом ЦУКУ 12, а первый выход ЦУКУ 12 соединен с ИД1 5, ИД2 9 соединен со вторым выходом ЦУКУ 12, ДУ2 13, установленный на вертикальной оси 3 платформы 2, соединен с четвертым входом ЦУКУ 12, третий выход ГМ 10 соединен с пятым входом ЦУКУ 12.
При движении объекта по трассе по вертикальной оси 3 и горизонтальной оси 6 платформы 2 действуют различные внешние возмущающие моменты, вызывающие отклонение платформы и линии визирования МО от стабилизируемого направления, при этом при помощи ГМ снимается сигнал, пропорциональный угловой скорости отклонения лини визирования относительно стабилизированного направления. ГМ 10 имеет три взаимно перпендикулярных оси чувствительности, две из которых расположены соосно с вертикальной осью 3 платформы 2 и горизонтальной осью 6 платформы 2, а третья ось чувствительности расположена соосно с линией визирования МО 8. При малых углах поворота платформы 2 управление на ИД1 5 системы стабилизации формируется ЦУКУ по сигналам с первого выхода ГМ 10 и ДУ2 13, а ИД2 9 управляется ЦУКУ по сигналам со второго выхода ГМ 10 и ДУ1 11. При больших углах поворота управление ИД1 5 системы стабилизации осуществляется ЦУКУ по сигналам с третьего выхода ГМ 10 и ДУ2 13. Тем самым обеспечивается стабилизация линии визирования МО при любых углах горизонтального и вертикального наведения.
Предлагаемая схема построения ГМ 10 может быть реализована с использованием малогабаритных микроэлектромеханических комбинированных датчиков, например, CMS300/CMS390 фирмы SELICON SENSING. Для получения нужного результата необходимо разместить по каждой оси не менее трех датчиков с применением системы цифровой фильтрации, усреднения и температурной коррекции данных, полученных с них, реализованной в ЦУКУ.
Основной причиной ухудшенной работы стабилизированных прицелов является дрожание линии прицеливания, вызываемое остаточными угловыми перемещениями гиростабилизированной платформы в системе. Основное воздействие на это остаточное перемещение оказывает "шум" гироскопа. Традиционным методом сведения до минимума этого дрожания является использование гироскопов с низким "шумом", но они являются дорогостоящими. Альтернативным методом является повышение точности гироскопов электронным способом (путем подавления шума измерения) до того, как их выходные сигналы будут поданы в систему управления гиростабилизированной платформы, так, чтобы расчетное значение перемещения платформы было ближе к фактическому значению, чем необработанное измерение. Для обеспечения оценок углового перемещения может использоваться калмановская фильтрация, эти оценки более точные, чем измеренные значения. Электронное повышение точности добавляет схемные сложности, но может оказаться более экономичным, чем обращение к более точным и дорогим гироскопам с более низким "шумом". Если устранение более низких уровней вибрации (дрожания) не требуется, электронное повышение может давать релаксацию характеристик "шума" гироскопа, позволяя использовать более дешевые гироскопы, удовлетворяя в то же время требования полной спецификации. Такой метод фильтрации реализован в ЦУКУ. Для повышения точности в ГМ применен метод многоканальных измерений, для этого по каждой оси размещены не менее трех микроэлектромеханических комбинированных датчиков, сигнал с которых усредняется в ЦУКУ.
Обычно системы, основанные на гироскопах, работают в режиме управления положением или скоростью, а при наличии акселерометров система может работать в режиме управления ускорением, что увеличивает ширину полосы стабилизации. Для улучшения качества стабилизации в алгоритм управления системы включены миниатюрные линейные акселерометры, которые входят в состав комбинированных датчиков (например, STM300/STM390 содержит датчик угловой скорости и три линейных акселерометра). ЦУКУ использует считываемые угловые ускорения для выработки команд перемещения для управления исполнительными двигателями в платформе стабилизации. Использование комбинированных датчиков снижает стоимость, массу и потребление энергии, обеспечивает лучшие температурные характеристики и создает более устойчивую аппаратуру с большим сопротивлением механическому удару.
Ошибка микромеханических комбинированных датчиков, измеряющих угловую скорость, имеет несколько инерциальных составляющих, одной из которых является нестабильность смещения. Эти датчики подвержены нестабильности смещения нуля, при которой начальная нулевая точка гироскопа дрейфует во времени из-за интегрирования присущих ему внутренних несовершенств и шумов. Стабильность смещения откалибрована в известном температурном диапазоне в ЦУКУ при помощи системы температурной коррекции. Однако интегрирование постоянной погрешности смещения приводит к угловой ошибке. Эта ошибка будет накапливаться по мере оценки скорости вращения или угла поворота системы в течение длительного времени. Для нейтрализации долговременного дрейфа в ЦУКУ реализована система обновления угловой скорости. Всякий раз, когда становится достоверно известно, что система находится в полностью стационарном состоянии, смещение ГМ обнуляется по соответствующим осям.
ССМО построена по принципу системы косвенной стабилизации, в которой стабилизирующие моменты создаются только исполнительными двигателями или другими исполнительными устройствами, а моменты гироскопической реакции гироскопов не используются для непосредственной компенсации моментов, возмущающих платформу. ГМ в предложенной системе используется лишь для выявления отклонений платформы от заданного положения и для формирования управляющих сигналов. Для более точного определения положения платформы и выявления отклонения ее от заданного положения в качестве датчиков угла использованы цифровые датчики угла с не менее 21-разрядным цифровым кодом на выходе.
Реализация заявляемой схема построения системы позволяет отказаться от использования ОГС и кинематической передачи 2:1, в результате снизить стоимость, массу, потребление энергии и обеспечить требуемые характеристики по точности отработки угла, ошибке стабилизации не более 0,12 мрад, повысить точность прицеливания и сопровождения цели за счет расширения диапазона скоростей наведения и обеспечения малого дрейфа стабилизируемого направления.
Использованные источники информации:
1. Евразийский патент №029390, G02B 23/02, G12B 5/00, опуб. 30.03.2018 (прототип).