Моделирование работы малогабаритной системы стабилизации с увеличенными углами наведения, установленной на борту беспилотного летательного аппарата

DESIGN SELECTION SUBSTANTIA TION OF THE RADIAL-AXIAL BEARINGS

L.A.Savin, A.Yu.Korneev

Possible types of design of the radial-axial bearings are considered. The method of comparative estimation of the overall dimensions ratio of two types of the radial-axial bearings of rotors: liquid friction conical bearings and combination ofjournal and axial bearings is proposed and realized. Recommendations on selection and calculation of bearings units of rotary machines are done.

Key words: rotary machinery, journal bearings, radial-axial bearings, conical bearings, axial bearings

Savin Leonid Alexeevich, doctor of technical science, professor, manager of department, savin@ostu.ru, Russia, Oryol, State University - Education-Science-Production Complex,

Korneev Andrey Yur'evich, candidate of technical science, assistant professor, korneev_andrey@,mail. ru, Russia, Oryol, State University - Education-Science-Production Complex

УДК 629.591

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ С УВЕЛИЧЕННЫМИ УГЛАМИ НАВЕДЕНИЯ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА БОРТУ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В. С. Захариков

Рассмотрена система стабилизации и наведения, обеспечивающая расширенный диапазон углов горизонтального и вертикального наведения. В результате моделирования работы системы определены погрешности системы стабилизации и наведения линии визирования, установленной на борту беспилотного летательного аппарата.

Ключевые слова: система стабилизации; погрешности наведения; углы наведения.

В настоящее время при поиске и сопровождении различных целей широкое применение получили беспилотные летательные аппараты (БПЛА). БПЛА характеризуются малыми габаритами и массой, и, как следствие, высокой маневренностью. Для максимального использования возможностей оптико-электронных систем БПЛА применяются системы стабилизации и наведения линии визирования (ССиН ЛВ) [8]. Малые габа-

350

риты БПЛА требуют применения легких и малогабаритных ССиН ЛВ. Высокая маневренность носителя и отслеживаемых целей требуют увеличения углов наведения ССиН ЛВ.

Обзор работ [1], посвященных ССиН, показал, что практически все существующие в настоящее время ССиН ЛВ построены на основе двухосного карданова подвеса. Недостатком такого исполнения является то, что при угле вертикального наведения близком к 90 градусам проявляется эффект «складывания рамок», и, как следствие, не обеспечивается стабилизация и слежение за целью [2-6].

Ввиду отмеченного недостатка, в работе [7] предложена кинематическая схема ССиН ЛВ (рис.1), обеспечивающая углы наведения по высоте ±123°, по азимуту ±180°.

Из кинематических уравнений связей следует, что в случае, когда линия визирования ССиН направлена точно на цель, угловые скорости движения рам карданова подвеса связаны с угловыми скоростями движения основания и угловыми скоростями движения цели уравнениями (1).

Ф

У

Юу3опт 2фз + (юх0 СО^ ФУ Ю20 ^Іп фу ) ^Іп ф2

СОБ ф 2

Ю23опт — фу ^Іп 2фз ^Іп фг

Ю

У0

еов2фэ

Юх0(^2фз СОЇ5 фу сО8 ф2 +

+ БІИ фу ) -Юу0 tg2фз БІИ ф2 -Ю20 (ООБ фу - tg2фз БІИ фу ООБ ф2 ).

где ф2 - угол поворота внутренней рамки; фз (рад) - угол поворота зеркала; фу (рад) - угол поворота наружной рамки; проекции векторов угловой

скорости на связанные с ними оси обозначены, соответственно, Юхі, Шу,

Ю2і (рад/с) (при этом і=0 - для основания; і=1 - для наружной рамки; і=2 -для внутренней рамки; і=3 - для зеркала); Юлу, Юл2 (рад/с) - проекции угловой скорости цели на оси системы координат, связанной с направлением на цель; фз, фу, ф2 (рад/с) - относительные угловые скорости подвижного

зеркала, внутренней рамки и наружной рамки, соответственно.

Из первого уравнения выражения (1) следует, что для того, чтобы при ф2  90° угловая скорость фу не стремилась к бесконечности, необходимо выполнение условия:

2фз _ ЮуЗопт +

Таким образом, движение ЛВ по двум осям при больших углах вертикального наведения обеспечивается дополнительной осью вращения.

Рис. 1. Принципиальная кинематическая схема ССиН:

1, 5,11 - блоки управления исполнительными двигателями;

2, 8,14 - исполнительные двигатели; 3 - внутренняя рамка;

4,13,18, 20 - датчики угловой скорости (ДУС);

6 - блок вычисления погрешностей стабилизации линии визирования: а - погрешность по азимуту; в - погрешность по углу места;

7, 21 - датчики угла; 9 - наружная рамка; 10 - основание;

12 - фотоприемное устройство с объективом;

15,16,17 - зеркала, жестко связанные с наружной рамкой;

19 - подвижное зеркало; ОХ0Г020 - система координат, связанная

с подвижным основанием

При постоянном выполнении условия (2) угол ф з может неограниченно нарастать (например, при наличии постоянной угловой скорости на-

ведения по азимуту Музопт). Из второго уравнения системы (1) видно, что угол поворота j подвижного зеркала 19 ограничен и не должен выходить за пределы ± (40...42)°. Кроме того, угол j з ограничен конструкцией ССиН. Поэтому управление необходимо строить таким образом, чтобы условие (2) выполнялось только при jz  90°, т.е. при угле, при котором оси вращения наружной рамки и зеркала совпадают.

При jz  0 угол jз должен стремиться к нулю (в принятой системе координат). С учетом данных требований изменим условие (2) и потребуем выполнения следующего кинематического соотношения:

2 2

[wуЗопт + (wx0 cos jу — wz0 sin jy)sin jz]sin jz — kj cos jz

js =—-------------------- -----------------------------------------------y-,

где к > 0 - коэффициент, задающий отношение между максимальным углом jз и максимальной угловой скоростью jy; коэффициент кj,3 cos jz

определяет «жесткость» электрической пружины на оси вращения зеркала 19, которая образуется двигателем 2, коэффициентом обратной связи

2

^з cos jz и ДУ 21 (рис.1).

Для того, чтобы движение ССиН ЛВ соответствовало кинематическим уравнениям связей (1) и (3), необходимо сформировать соответствующие управляющие воздействия для исполнительных двигателей ССиН

ЛВ (4).

U з = - K з (j cdt )sin2 j z - K 'у ылу sin2 j z + к j cos2 j z,

Uy = — Ky (Jodt)cos jz — Kу[wлу — wy0] — K22 jз cos jz,

U =—K b K 'm — Uysin2j зsin j z

U z K z K zw лz ,

соб2ф з соб2ф з

где а и Ь являются погрешностями наведения ССиН по каналам азимута и угла места, соответственно; из, и у, иг: (В) - задающие воздействия для

соответствующих двигателей; Кз, К у, Kz (В • с рад) - коэффициенты

передачи контуров обратной связи соответствующих двигателей по сигналу ошибки стабилизации; к' () - коэффициент, задающий отношение

между максимальным углом фз и максимальной угловой скоростью фу; К'у, K'z - коэффициенты передачи по внешним сигналам управления, пропорциональным соответствующим угловым скоростям наведения.

В соответствии с описанным в работе [2] принципом работы ССиН и представленными выше уравнениями построена функциональная схема ССиН (рис.2).

Рис. 2. Функциональная схема работы ССиН ЛВ

Для оценки погрешностей стабилизации и наведения проведено численное моделирование работы системы при трехкомпонентной качке основания и наличии угловых скоростей движения цели. При моделировании учитывались характеристики используемых чувствительных элементов - датчиков угловой скорости (ДУС), поскольку они определяют минимально достижимые погрешности стабилизации и наведения. Поскольку при построении малогабаритной ССиН ЛВ важными параметрами являются масса и габариты самого ДУС для моделирования работы ССиН выбраны математические модели волоконно-оптического (ВОГ, ВГ941ЛБ фирмы «Физоптика», масса 25 г, габариты 24х50 мм) и микромеханического гироскопов (ММГ, ADXRS620 фирмы Analog Devices, масса меньше 0,5 г).

Моделирование проведено при параметрах качки основания, приведенных в табл.1 [8] в программе Matlab. Результаты моделирования приведены в табл.2. Полученные значения погрешностей стабилизации и наведения являются амплитудными и получены без учета дополнительных возмущений, влияющих на измерение угловых скоростей.

Таблица 1

Параметры качки основания ССиНЛВ, установленной на борту БПЛА

———Ось системы " -----—координат Параметр Х 0 *0 г 0

Амплитуда угловой скорости качки основания, , рад/с 1 0,9 0,5

Частота качки основания Ую, Гц 1 0,5 1,5

Таблица 2

Погрешности ССиН ЛВ, установленной на борту БПЛА

Режим Погрешности стабилизации, угл.сек

идеальный ДУС ВОГ ММГ

а в а в а в

Стабилизации 4,8 3 14,5 11 17 40

Наведения при постоянной скорости слежения за целью 5,2 4,2 16 70 16 78

Наведение при переменной скорости слежения за целью 5 4 13 22 14 50

Результаты моделирования показали, что предложенная кинематическая схема и способы управления ее рамками, позволяют обеспечить малые погрешности стабилизации и наведения при значительных амплитудах качки основания. Влияние ДУС на погрешность системы стабилизации заметно, но даже в этом случае для выбранных датчиков обеспечиваются достаточно малые погрешности.

Список литературы

1. Захариков В.С. Системы стабилизации и наведения линии визирования, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью /

В.С. Захариков, В.А. Смирнов // Известия ТулГУ. Технические науки, г. Тула, 2011 г. - С.80-86.

2. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д. Н. Еськов, Ю. П., Ларионов, В. А. Новиков и др. - Л.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

3. Бабаев А. А. Стабилизация оптических приборов / А. А. Бабаев -

Л.: Машиностроение, 1975. - 190 с.

4. Боднер В.А.Стабилизация летательных аппаратов и автопилоты / В.А. Боднер, М.С. Козлов. - М.: Оборонгиз, 1961 - 508 с.

5. Пельпор Д.С. Гироскопические системы.ч.1./ Д.С. Пельпор - М.: Высшая школа, 1971. - 567 с.

6. Рахтеенко Е.Р. Гироскопические системы ориентации / Е.Р. Рахтеенко - М.: Машиностроение, 1989. - 227 с.

7. Захариков В.С. Система стабилизации и наведения линии визирования с увеличенными углами обзора / В.А, Смирнов, В.С. Захариков,

B.В. Савельев // Гироскопия и навигация, № 4, г. Санкт-Петербург , 2011 г.,

C.4-11.

8. Лебедев А. А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов/ А.А. Лебедев, Л.С. Чернобровкин - М.: Машиностроение, 1973 -615 с.

9. Бабаев А. А. Стабилизация оптических приборов / А.А. Бабаев -Л.: Машиностроение, 1975. - 190 с.

Захариков Вячеслав Сергеевич, асп., zaharikovvs@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

POINTING ERRORS OF SMALL-SIZED SYSTEM OF STABILIZA TION WITH AN INCREASING ANGLES GUIDANCE INSTALLED ON BOARD UNMANNED AERIAL

VEHICLES

V.S. Zakharikov

System stabilization and guidance providing extended range of horizon and vertical angles guidance was considered in this article. Errors of system stabilization and guidance of line of sight installing on board unmanned aerial vehicles was considered as a result modeling work system.

Key words: system stabilization, pointing errors, pointing angle.

Zakharikov Vyacheslav Sergeevich, graduate student of cathedra “Instruments and biotechnical systems", Russia, Tula, Tula State University