СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при создании оптических приборов, таких, как телекамеры, спектрометры и гиперспектрометры для дистанционных измерений свойств объектов с космических аппаратов.
Предложенное техническое решение представляет собой устройство, содержащее элементы, модули, блоки и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в едином корпусе.
Подобные устройства, известные также под названием «сканер» или «сканатор», предназначены для наведения поля зрения соответствующего оптического прибора в заданном направлении.
Известна система наведения использованная телевизионной камеры на космическом аппарате «Фрагмент» [1], содержащая корпус, внутри которого на торсионах закреплено зеркало с возможностью качаться относительно среднего положения, для чего с зеркалом жестко соединена электрическая катушка в виде рамки, причем боковые плечи рамки находятся в зазоре полюсных наконечников постоянных магнитов, закрепленных в корпусе, что позволяет при подаче переменного тока в витки катушки производить сканирование поперек трассы полета.
Недостатком этого технического решения является невозможность отклонять зеркало вдоль трассы для исключения «смаза» при длительном наблюдении выбранных объектов, а так же невозможность быстро переводить поле зрения с одного объекта на другой.
Известен также сканер, использованный в составе космического фурье-спектрометра PFS [2], содержащий основание, имеющее выходное окно, с установленным на нем блоком, имеющим возможность вращаться с помощью мотора вокруг оси окна и содержащим плоское зеркало, имеющее возможность направлять через окно излучение, приходящее из второго блока, установленного на первом блоке, содержащим плоское зеркало, имеющего возможность вращаться с помощью мотора, установленного на первом блоке вокруг оси, перпендикулярной оси вращения первого блока.
Недостатком этого технического решения является большая масса устройства и низкая скорость сканирования.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [3], установленное перед спектрометром на космическом аппарате «Метеор М», содержащее корпус, с закрепленным в нем шаговым электродвигателем, соединенным с понижающим редуктором, через который вращение вала мотора передается на плоское зеркало, выполненное с возможностью при вращении отражать в спектрометр излучение от объектов, расположенных поперек трассы полета.
Недостатком наиболее близкого технического решения является невозможность достаточно долго удерживать выбранный объект в поле зрения из-за возникающего «смаза», вызванного движением космического аппарата по орбите, а также относительно низкая скорость (150° в секунду) перевода поля зрения от одного объекта к другому.
Требуемый технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, заключается в том, что к элементам конструкции, обеспечивающим перемещение поля зрения поперек трассы полета при вращении зеркала, добавлены элементы конструкции, обеспечивающие смещение поля зрения вдоль трассы полета при наклонах зеркала по отношению к оси его вращения, а также в увеличении скорости поворота поля зрения поперек трассы.
Поставленная задача решается, а требуемый результат достигается тем, что в системе наведения, содержащей плоское зеркало, установленное на платформе, имеющей возможность поворачиваться в корпусе устройства с помощью ведомого зубчатого колеса, закрепленного на платформе, причем соосно с платформой и ведомым зубчатым колесом установлен в корпусе устройства датчик угла поворота платформы, а ведущая шестерня посажена на вал электродвигателя поворота, установленного в корпусе устройства, согласно полезной модели плоское зеркало соединено с платформой с помощью двух шарнирных опор с возможностью наклоняться относительно оси вращения указанных шарниров с помощью зубчатого сектора, закрепленного на зеркале и находящемся в зацеплении с шестеренкой, надетой на вал электродвигателя наклона, установленного на платформе совместно с датчиком угла поворота вала этого двигателя.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве электродвигателя наклона используется шаговый двигатель.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что соосно с двигателем поворота в корпусе устройства установлен датчик угла поворота, и соосно с двигателем наклона на поворотной платформе также установлен датчик угла поворота.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что отношение числа зубьев ведущей шестерни в узле поворота к числу зубьев ведомого колеса равно 1:5.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что отношение радиуса шестеренки к радиусу сцепленного с ней зубчатого сектора равно 1:14.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве датчиков угла поворота использованы 12-разрядные энкодеры.
На чертеже представлена оптико-механическая схема системы наведения.
Фиг. 1 Схема системы наведения для оптического прибора.
На чертеже обозначены:
1 - зеркало;
2 - шарнирная опора;
3 - платформа;
4 - вал;
5 - корпус;
6 - втулка;
7 - зубчатое колесо;
8 - шестерня;
9 - электродвигатель поворота;
10 - датчик угла поворота (энкодер) платформы;
11 - зубчатый сектор;
12 - шестеренка;
13 - электродвигатель наклона;
14 - датчик угла поворота (энкодер) вала двигателя наклона;
15 - барабан;
16 - шлейф;
17 - электронная плата;
18 - датчик угла поворота (энкодер) вала двигателя поворота;
О-О' - входная оптическая ось оптического прибора, она же ось поворота;
Р-Р' - ось наклонов зеркала.
Система наведения установлена перед входным окном спектрального (оптического) прибора, будучи соединена с последним своим корпусом 5.
Предложенная система наведения содержит плоское зеркало 1, установленное на двух опорах 2, закрепленных на платформе 3.
Платформа имеет вал 4, связанный с корпусом устройства 5 через втулку 6. На платформе 3 закреплено соосно с валом 4 зубчатое колесо 7, находящееся в зацеплении с шестерней 8, которая закреплена на валу двигателя 9.
В корпусе 5 соосно с валом 4 установлен энкодер 10.
Особенностью возможного выполнения системы наведения является то, что зеркало 1 через зубчатый сектор 11, сцепленный с шестеренкой 12, может отклоняться на заданные углы электродвигателем 15, угол поворота вала которого измеряется энкодером 14. Указанные элементы, образующие узел наклона, установлены на платформе 3. От узла наклона к электронной плате 17, установленной в корпусе 5, идет гибкий шлейф через барабан 15, закрепленный на платформе 3.
Особенностью возможного выполнения системы наведения является также то, что в качестве двигателей 13 и 9 должны быть использованы шаговые моторы с большим числом шагов (200) на один оборот.
Особенностью возможного выполнения системы наведения является также то, что в корпусе 5 установлен энкодер 18 соосно с валом мотора 9, причем дискретность показаний энкодера позволяет определять угловое положение ротора шагового мотора с погрешностью не больше 0,1 от величины его шага.
Требуемый технический результат определяется тем, что в предлагаемом устройстве благодаря наклонам зеркала 1 по направлению движения космического аппарата можно значительное время удерживать поле зрения на выбранном объекте.
Кроме того, точное знание положения ротора шагового двигателя 9 позволяет с высокой точностью управлять разгоном, торможением и остановкой, а также обеспечивает жесткую фиксацию ротора, а, следовательно, и зеркала 1 в заданном положении.
Управление моторами осуществляется электронным узлом, размещенным на плате 17.
Система наведения работает следующим образом.
После получения целеуказания, т.е. требуемых углов поворота и наклона зеркала, электронный узел начинает управлять одновременно обоими двигателями.
Наклон зеркала обеспечивается пошаговой работой двигателя 13 до тех пор, пока энкодер 14 не зафиксирует достижения заданного угла, после чего управление двигателем прекращается. Угол наклона зеркала определяется как угол поворота вала мотора, деленный на коэффициент редукции пары: шестеренка 12 - сектор 11.
По измеренному начальному угловому положению зеркала 1 вокруг оси поворота О-О' и полученному очередному угловому положению электронный узел на плате 17 рассчитывает на каждый шаг двигателя 9 точные моменты подачи тока в его обмотки, что обеспечивает ускоренное вращение с максимальным для данного двигателя моментом (и, следовательно, с максимальным ускорением), до определенного рассчитанного угла, и затем торможение опять-таки с максимальным тормозящим моментом. После остановки двигателя уточняется отклонение достигнутого угла от заданного и производится окончательная доводка в пошаговом режиме.
Во время работы непрерывно определяется угол поворота зеркала энкодером 10.
Предложенное устройство обладает более высокой скоростью наведения, по сравнению с устройствами, в которых шаговые двигатели работают пошагово, что обусловлено оптимальным режимом работы двигателя (разгон-торможение) благодаря точному знанию положения ротора двигателя, измеряемого с помощью дополнительного энкодера, соосного с валом двигателя.
Источники информации:
1. Морозов П.А., Рожавский Э.И., Терентьев В.И. Особенности конструирования магнитоэлектрического сканирующего устройства системы «Фрагмент» // Оптико-электронные приборы в космических экспериментах. М.; Наука, 1983. С. 39-46.
2. Formisano V., Angrilli, F., … Moshkin В., (in all 45). The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express Mission // Planetary and Space Science, 2005, V53, p. 963-974.
3. Завелевич Ф.С., Головин Ю.М., Десятое А.В., и др. Фурье-спектрометр для дистанционного зондирования атмосферы Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2006. Т. 3. №1. с. 224-230.