СТРУКТУРНО-ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к области систем слежения за подвижными объектами, в том числе с подвижного основания, и может быть использована влокац ионных и оптических, а также комбинированных системах промышленного назначения, навигационных системах, системах слежения за малоразмерными объектами, системах управления заходом на посадку и других системах аналогичного назначения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому техническому решению является следящая система, по патенту на полезную модель [1], выбранная в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит механически соединенные оптикоэлектронный пеленгатор и локационный пеленгатор, первое и второе устройства формирования координат наведения, входы которых соединены с первыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, последовательно соединенные формирователь логики режимов, управляющую часть и исполнительный блок, первым выходом кинематически связанный с пеленгаторами, а также первый коммутатор, вход управления которого соединен с выходом формирователя логики режимов, второй вход управляющей части через первую группу контактов первого коммутатора подключен к первому выходу первого либо второго устройства формирования координат наведения, третий ее вход через вторую группу контактов первого коммутатора подключен к одному из вторых выходов тех же устройств, четвертый и пятый ее входы соединены соответственно со вторым и третьим выходами исполнительного блока, второй коммутатор, выход которого является выходом системы и через группу контактов подключен к первому выходу оптикоэлектронного либо локационного пеленгатора, первый и второй ключи, первые входы которых соединены со вторыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, а выходы подключены ко второму и третьему входам формирователя логики режимов соответственно, последовательно соединенные первый блок оценки дисперсии, блок сравнения и инвертор, выход которого соединен со вторым входом первого ключа, а вход соединен со вторым входом второго ключа и управляющим входом второго коммутатора, второй блок оценки дисперсии, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения, входы первого и второго блоков оценки дисперсий соединены с первыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно.
Недостатком прототипа является низкая точность слежения за целью в условиях воздействия помех в различных диапазонах длин волн, что обусловлено значительным временем переключения на пеленгатор, который не подверженный воздействию помех в его рабочем диапазоне длин волн, из-за необходимости большого времени оценки текущей ситуации - дисперсии ошибки пеленга в каждом пеленгаторе, необходимой для принятия решения, при применении интенсивных нестационарных помех, что весьма критично для слежения за высокоманевренными целями, перемещающихся со сверхзвуковой скоростью.
При воздействии на вход оптикоэлектронного пеленгатора или локационного пеленгатора организованных помех маскирующего и имитирующего типов наблюдается существенный рост ошибок слежения за угловыми координатами цели без срыва сопровождения, тем пеленгатором, в рабочем диапазоне которого воздействует интенсивная нестационарная помеха.
В устройстве-прототипе в каждом пеленгаторе одновременно осуществляется оценка дисперсий ошибок пеленга, на формирование которых требуется достаточно большое время усреднения.
На основании сравнения этих оценок дисперсий ошибок пеленга происходит переключение на слежение за целью по данным того пеленгатора, в рабочем диапазоне длин волн которого такая помеха отсутствует и точность слежения цели выше. При этом время переключение определяется достаточно большим временем накопления и усреднения при формировании оценок дисперсий ошибок пеленга в каждом пеленгаторе. В результате, из-за значительного времени переключения, точность слежения за целью в условиях воздействия помех в различных диапазонах длин волн низкая. Особенно этот недостаток проявляется при частой смене различных диапазонов длин волн помех, когда в процессе слежения происходит частое переключение типов пеленгаторов.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании высокоточной структурно-перестраиваемой следящей системы, реализующей ускоренную оценку текущей точности слежения за целью локационного и оптикоэлектронного пеленгаторов с применением нечеткого логического контроллера (НЛК), и обеспечивающей ускоренный переход от сопровождения объекта по данным того пеленгатора, в диапазоне которого выявлено существенное воздействие помехи, к сопровождению по данным другого пеленгатора, в рабочем диапазоне которого помеха отсутствует или оказывает меньшее влияние на точность слежения за целью.
Технический результат - повышение точности слежения за целью структурно-перестраиваемой следящей системой в условиях воздействия помех в различных диапазонах длин волн за счет повышения быстродействия при переключении на пеленгатор менее подверженный помехам.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Структурно-перестраиваемая следящая система, содержащая механически соединенные оптикоэлектронный пеленгатор и локационный пеленгатор, первое и второе устройства формирования координат наведения, входы которых соединены с первыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, последовательно соединенные формирователь логики режимов, управляющую часть и исполнительный блок, первым выходом кинематически связанный с пеленгаторами, а также первый коммутатор, первый вход которого соединен с выходом формирователя логики режимов, второй вход управляющей части через первую группу контактов первого коммутатора подключен к первому выходу первого либо второго устройства формирования координат наведения, третий управляющей части вход через вторую группу контактов первого коммутатора подключен к одному из вторых выходов тех же устройств формирования координат наведения, четвертый и пятый входы управляющей части соединены соответственно со вторым и третьим выходами исполнительного блока, второй коммутатор, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, а выход является выходом следящей системы, первый и второй ключи, первые входы которых соединены со вторыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, а выходы подключены ко второму и третьему входам формирователя логики режимов соответственно, при этом первый вход формирователя логики режимов является управляющим входом следящей системы, в отличие от прототипа, содержит нечеткий логический контроллер, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами оптикоэлектронного и локационного пеленгаторов соответственно, а выход подключен к вторым входам первого и второго ключей и третьему входу второго коммутатора, при этом нечеткий логический контроллер содержит последовательно соединенные блок фаззификации, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами нечеткого логического контроллера, блок нечеткого логического вывода и блок дефаззификации, выход которого является выходом нечеткого логического контроллера, базу знаний, первый и второй выходы которой соединены соответственно с третьим входом блока фаззификации и с вторым входом блока нечеткого логического вывода.
Все используемые для реализации заявляемой структурно-перестраиваемой следящей системы блоки являются известными, большинство из которых совпадают с блоками прототипа, либо могут быть реализованы на базе известных элементов известными методами.
Сущность изобретения поясняется иллюстрациями:
На фиг.1 изображена функциональная схема структурно-перестраиваемой следящей системы (для одного канала, функциональная схема второго канала аналогична), где:
1 - оптикоэлектронный пеленгатор (ОЭПл);
2 - локационный пеленгатор (ЛПл);
3 - первое устройство формирования координат наведения (УФКН);
4 - второе УФКН;
5 - формирователь логики режимов (ФЛР);
6 - управляющая часть (УЧ);
7 - исполнительный блок (ИБ);
8 - первый коммутатор (Ком.);
9 - второй Ком.;
10 - первый ключ (Кл.);
11 - второй Кл.;
12 - нечеткий логический контроллер (НЛК).
На Фиг.2 изображена функциональная схема НЛК 12, где:
13 - блок фаззификации (БФ);
14 - блок нечеткого логического вывода (БНЛВ);
15 - блок дефаззификации (БДФ);
16 - база знаний (БЗ).
На фиг.3 представлены эпюры напряжений, имитирующие воздействие шумовой помехи на первом входе ЛПл 2 на 20 с работы следящей системы.
На фиг.4 представлены средние квадратические отклонения (СКО) ошибок пеленгации: на первом выходе ОЭПл 1 и на первом выходе ЛПл 2.
На фиг.5 представлен пример временных процессов и соотношений СКО ошибок пеленгации при формировании команд переключения выхода структурно-перестраиваемой следящей системы на пеленгатор, менее подавленный помехой.
Структурно-перестраиваемая следящая система содержит механически соединенные ОЭПл 1 и ЛПл 2, первые входы пеленгаторов являются первым и вторым внешними входами системы, первое УФКН 3 и второе УФКН 4, входы которых соединены соответственно, с первыми выходами ОЭПл 1 и ЛПл 2, последовательно соединенные ФЛР 5, УЧ 6 и ИБ 7, первым выходом кинематически связанный с пеленгаторами, первый Ком. 8, первый вход (управления) которого соединен с выходом ФЛР 5. Второй вход УЧ 6 через первую группу контактов первого Ком. 8 подключен к первому выходу первого УФКН 3 либо второго УФКН 4. Третий вход УЧ 6 через вторую группу контактов первого Ком. 8 подключен к одному из вторых выходов первого УФКН 3 либо второго УФКН 4. Четвертый и пятый входы УЧ 6 соединены соответственно со вторым и третьим выходами ИБ 7. Второй Ком. 9, первый и второй входы которого соединены с первыми выходами соответственно ОЭПл 1 и ЛПл 2, а третий вход соединен с выходом НЛК 12. Выход второго Ком. 9 является выходом структурно-перестраиваемой следящей системы. Первый вход ФЛР 5 является третьим внешним входом структурно-перестраиваемой следящей системы. Положение контактов в первом Ком. 8, при котором второй и третий входы управляющей части 6 отключены от обоих УФКН 3 и 4, соответствует режиму предварительного разворота по целеуказанию от внешней системы. Первый 10 и второй 11 ключи, первые входы которых соединены со вторыми выходами соответственно ОЭПл 1 и ЛПл 2, а выходы подключены ко второму и третьему входам ФЛР 5 соответственно, при этом первый вход ФЛР 5 является управляющим входом следящей системы.
В отличие от прототипа, в предлагаемую структурно-перестраиваемую следящую систему введен НЛК 12, первые и вторые входы которого соединены соответственно с первыми выходами ЛПл 2 и ОЭПл 1, а выход соединен с вторыми входами первого 10 и второго Кл. 11 и третьим входом второго Ком. 9.
НЛК 12 содержит БЗ 16 и последовательно соединенные БФ 13, БНЛВ 14 и БДФ 15. Первый и второй входы БФ 13 являются соответственно первым и вторым входами НЛК 12, а выход БДФ 15 является выходом НЛК 12. Третий вход БФ 13 и второй вход БНЛВ 14 соединены соответственно с первым и вторым выходами БЗ 16.
При описании работы предлагаемой структурно-перестраиваемой следящей системы аналогично прототипу предполагается, что передача однородных массивов данных (элементов видеосигнала, релейных команд, наборов координат) осуществляется по каналам связи (шинам), использующим, например, временное, частотное, кодовое разделение сигналов, т.е. того или иного рода мультиплексирование.
При этом ЛПл 2 имеет диаграмму направленности, более широкую, чем поле зрения ОЭПл 1, а также значительно большую дальность действия.
Кроме того, поскольку устройство, обеспечивающее синхронизацию работы системы слежения, может находиться как в любом из блоков системы, так и быть конструктивно выделенным, этот аспект работы в дальнейшем не рассматривается и подразумевается, что работа блоков синхронизирована. Следует также отметить, что входы и выходы блоков показаны как функциональные, физически же их реализация может иметь от одного (и более) входа-выхода, например, соединенного с общей шиной данных или многоабонентским мультиплексным каналом обмена, или локальной сетью, объединяющей блоки. Информация, необходимая для работы данного канала, поступает на ее блоки из внешней системы и из второго канала.
Первый и второй внешние входы структурно-перестраиваемой следящей системы являются информационными входами электромагнитных волн рабочих диапазонов пеленгаторов.
Работа заявляемой структурно-перестраиваемой следящей системы осуществляется следующим образом (рассматривается работа канала по одной угловой координате, работа второго канала аналогична).
Первый Кл. 10 представляет собой закрытый ключ, а второй Кл. 11 представляет собой открытый ключ при подаче на их вторые входы высокого потенциала, и соответственно наоборот при подаче на их вторые входы низкого (нулевого) потенциала.
Пусть в начальный момент времени и, например, до 20 с, управление сервоприводом (УЧ 6 и ИБ 7) осуществляется по информации от ЛПл 2, так как, что показано на фиг.4, (высокий потенциал на втором входе) на выходе ОЭПл 1 присутствуют значительные СКО ошибки слежения за целью, а ЛПл 2 имеет меньшие СКО ошибки слежения за целью. При таких соотношениях значений СКО ошибок слежения целесообразно слежение за целью вести по данным ЛПл 2, как более точное.
Признак наличия режима слежения со второго выхода ЛПл 2 через открытый второй Кл. 11 поступает на третий вход ФЛР 5. Второй Кл. 11 в начальный момент времени открыт под воздействием управляющего сигнала (высоким потенциалом на втором входе) с выхода НЛК12. Этот же управляющий сигнал (высокий потенциал), поступая на управляющий третий вход второго Ком. 9, через группу контактов подключает к выходу предлагаемой структурно-перестраиваемой следящей системы первый выход ЛПл 2, с которого результаты измерения угловой координаты объекта выдаются на выход - во внешнюю систему, и отключает от выхода структурно-перестраиваемой следящей системы первый выход ОЭПл 1.
При этом первый Кл. 10 закрыт тем же управляющим сигналом (высоким потенциалом на втором входе) с выхода НЛК 12, и сигнал признака наличия режима слежения со второго выхода ОЭПл 1 на второй вход ФЛР 5 не поступает.
ФЛР 5 выдает со своего выхода команду управления на управляющий первый вход первого Ком. 8 и на первый вход УЧ 6. При этом первый выход первого Ком. 8 подключен через его первую группу контактов к первому выходу второго УФКН 4, второй выход первого Ком. 8 подключен через вторую группу контактов ко второму выходу второго УФКН 4. Выходы первого УФКН 3 остаются, соответственно, отключенными. При этом первый и второй выходы первого Ком. 8 соединены, соответственно, со вторым и третьим входами УЧ 6.
Первое и второе УФКН 3 и 4 предназначены для выработки изменяющегося значения рассогласования соответственно или углового положения цели и оптической оси ОЭПл 1, или углового положения цели и равносигнального направления ЛПл 2. При этом на первый выход каждого из УФКН 3, 4 поступает значение угловой координаты, на второй выход - значение ее производной. Реализация УФКН 3, 4 позволяет выдавать значения координат и их производных в системе координат, необходимой для функционирования УЧ 6. Блоки УФКН 3 и 4 могут быть выполнены, как это описано в прототипе.
В результате из полученных на второй и третий входы сигналов в УЧ 6 формируется сигнал управления ИБ 7 сервопривода. Блок УЧ 6 может быть выполнена, как это описано в прототипе.
Блок ИБ 7 может быть выполнен, как это описано в прототипе. Второй выход ИБ 7, подключенный к четвертому входу УЧ 6, является выходом датчика угла поворота вала сервопривода (первый выход ИБ 7), кинематически связанного с пеленгаторами. Третий выход ИБ 7, подключенный к пятому входу УЧ 6, является выходом тахогенератора для замыкания обратной связи по скорости вращения вала сервопривода. В соответствии с сигналом управления, ИБ 7 разворачивает вал сервопривода таким образом, чтобы осуществлялся непрерывный процесс слежения за целью или ЛПл 2, или ОЭПл 1, и реализовались требуемые параметры переходных процессов управления.
В процессе слежения за целью значения сигналов рассогласования с выходов ОЭПл 1 и ЛПл 2 одновременно поступают, соответственно, на первый и второй входы НЛК 12.
В НЛК 12 осуществляется сравнительная нечеткая оценка ошибок слежения и выработка управляющего сигнала одновременно на третий вход второго Ком. 9 и на вторые входы первого Кл. 10 и второго Кл. 11.
Работа НЛК 12 осуществляется по алгоритму Сугено нулевого порядка, изложенному в [2].
Блок БЗ 16 содержит совокупность логических правил, вида:
1
где x - входная лингвистическая переменная «Вход-1»;
2
х - входная лингвистическая переменная «Вход-2»;
y - выходная переменная;
ij
i
а - нечеткое терм-множество, характеризующее уровень сигнала "Низкий", "Средний", "Высокий", по которому оценивается значение переменной x в j-м правиле , ;
n=2 - количество входных лингвистических переменных;
m - количество правил в базе знаний;
j
j0
d=b - заключение j -го правила;
j0
b - константы.
Терм-множества описываются гауссовой функцией принадлежности:
i
i
ij
где µ(x)∈[0,1] - степень принадлежности x еткому терм-множеству а;
k - координата максимума функции принадлежности;
l - коэффициент концентрации функции принадлежности.
1
ij
2
2j
Блок БФ 13, получая информацию на свой третий вход с первого выхода БЗ 16, реализует масштабирование и логическое преобразование сигналов, поступающих с первого выхода ОЭПл 1 в лингвистическую переменную х, заданную на терм-множестве а, и сигнала с выхода ЛПл 2 в лингвистическую переменную х, заданную на терм-множестве a.
i
Совокупность входных лингвистических переменных x образует входной вектор X, который поступает на первый вход БНЛВ 14.
1
2
l
2
m
Блок БНЛВ 14, получая сигнал с выхода БФ 13 на свой первый вход, а также информацию со второго выхода БЗ 16 на свой второй вход, осуществляет нечеткий логический вывод, вычисляя степени принадлежности текущего входного вектора Х=(х,х) к заключениям правил d,d,…,d по формуле:
,
j
i
i
ij
где µ(x) - степень принадлежности значения x нечеткому терм-множеству а, рассчитанная по выражению (2);
^ - t - норма, которая соответствует логической операции «И» и реализована в алгоритме Сугено посредством умножения.
В результате применения формулы (3) ко всем правилам БЗ 16 значение выходной переменной y НЛВ 15 вычисляется как:
Выходной переменная y БНЛВ 14 поступает на вход БДФ 15.
БДФ 15 выполняет операцию деффазификации выражения (4) по формуле:
*
Значение y масштабируется с уровнем логического нуля или логической единицы и передается в виде управляющего сигнала с выхода БДФ 15 и, соответственно, с выхода НЛК 12.
0j
Предварительно, перед работой структурно-перестраиваемой следящей системы, осуществляется настройка параметров m,k,l,b. БЗ 16 по результатам соответствующих предварительных натурных испытаний следящей системы.
Блок НЛК 12 может быть выполнен в виде аппаратно-программного модуля на базе микроконтроллеров, например серии HCS12 производства [3].
На выходе НЛК 12 вырабатывается сигнал управления вторым Ком.9 и первым Кл.10 и вторым и Кл.11, в результате переключений формируется та или иная структура следящей системы, выходной сигнал которой определяется наиболее точным пеленгатором в текущей ситуации.
Пока значение СКО ошибки слежения за целью с выхода ОЭПл 1 будет превосходить значение СКО ошибки слежения за целью с выхода ЛПл 2, выходной сигнал НЛК 12 будет иметь уровень логической единицы, в противном случае - логического нуля.
При постановке помехи в рабочем диапазоне ЛПл 2 (на 20 с слежения - фиг.3) в момент времени 20 с фиг.5.а) на выходе ЛПл 2 возникают большие шумовые значение СКО ошибки слежения за целью.
1
2
На фиг.5 представлен пример временных процессов и соотношений СКО ошибок пеленгации при формировании команд переключения выхода структурно-перестраиваемой следящей системы на ОЭПл, менее подавленный помехой, начиная от момента времени постановки помехи в канале ЛПл - а) (принято для примера на 20 с), до момента времени переключения для прототипа выхода структурно-перестраиваемой следящей системы на ОЭПл, менее подавленный помехой - с), с временной задержкой величины Δ и до момента времени переключения выхода для заявляемой структурно-перестраиваемой следящей системы на ОЭПл, менее подавленный помехой - b), с временной задержкой величины Δ.
На фиг.5, b показан момент формирования сигнала команды переключения в заявляемом устройстве при использовании НЛК 13, при этом сигнал переключения на пеленгатор с меньшим значением СКО ошибки слежения за целью, не подавленный помехой, формируется быстрее, чем в прототипе, как показали результаты математического моделирования.
На фиг.5, с показан момент формирования сигнала команды переключения в прототипе по результатам оценки дисперсий, когда формируется команда переключения, но с запаздыванием, обусловленным достаточно большим временем усреднения при формировании оценок дисперсий ошибок слежения в каждом пеленгаторе.
3
3
1
2
Разность Δ величин временной задержки переключения пеленгаторов в прототипе и заявляемом устройстве Δ=Δ-Δ - это выигрыш во времени переключения структурно-перестраиваемой следящей системы на ОЭПл, менее подавленной помехой, для заявляемого устройства по сравнению с прототипом.
На первом выходе ОЭПл 1 продолжают формироваться сигналы углового рассогласования между положением цели и оптической оси ОЭПл 1, поступающие на первый вход НЛК 12 и имеющие прежнее значение СКО ошибки слежения за целью, до момента постановки помехи (на 20 с слежения - фиг.3) в рабочем диапазоне частот ЛПл 2.
При этом на втором выходе ОЭПл 1, продолжает формироваться сигнал режима сопровождения, поступающий на первый вход первого Кл 10.
В зависимости от помеховой обстановки и вида маневренности сопровождаемой цели, в момент времени t=20 сек. масштабируемая оценка ошибки рассогласования на выходе ОЭПл 1, формируемая в НЛК 12, станет меньше соответствующей оценки ошибки рассогласования ЛПл 2.
При этом сигнал на выходе НЛК 12 устанавливается в значение логического нуля (низкий потенциал), который одновременно поступает на управление первым Кл.10 и вторым Кл.11 ключами и Вторым Ком.9.
Второй Ком. 9 при этом отключит выход системы слежения от выхода ЛПл 2, и подключит его к выходу ОЭПл 1. Второй Кл. 11 закроется, а первый Кл.10 наоборот откроется. При этом на третьем входе ФЛР 5 пропадет сигнал сопровождения, а на втором входе - сигнал сопровождения появится.
В результате ФЛР 5 вырабатывает сигнал управления первым Ком. 8 и выдает команду на переключение с ЛПл 2 на ОЭПл 1 в УЧ 6.
Первый Ком. 8 переключает второй и третий входы УЧ 6 на первый и второй выходы первого УФКН 3 соответственно. УФКН 3 формирует координату наведения и ее производную в соответствии с требованиями к наведению ОЭПл 1, а УЧ 6 реализует плавный переход, сглаживая разрыв в значениях координат, неизбежно образующийся при переключении. Выходом следящей системы с этого момента времени является выход ОЭПл 2. В результате переключений формируется та структура следящей системы, выходной сигнал которой определяется наиболее точным пеленгатором в текущей ситуации
Также возможна ситуация с СКО ошибок пеленгации пеленгаторов и наоборот, когда переключение выхода структурно-перестраиваемой следящей системы происходит с информации от ОЭПл на информацию от ЛПл, при соответствующих параметрах помехи и СКО ошибок пеленгации.
В дальнейшем, если в оптическом диапазоне возникнут интенсивные помехи естественного (например, засветки Солнцем) или искусственного происхождения (отстрел ловушек, выставление дымовых завес), дисперсия измерений на выходе ОЭПл 1 возрастет, и произойдет обратное переключение на сопровождение объекта по данным ЛПл 2, который в этот момент может оказаться не подавленным помехами.
Таким образом, в предлагаемой структурно-перестраиваемой следящей системе повышение точности определения координат объекта в условиях воздействия интенсивных нестационарных помех в различных диапазонах излучения по сравнению с прототипом достигается за счет выигрыша во времени переключения структурно-перестраиваемой следящей системы на тот пеленгатор, в диапазоне работы которого помеха отсутствует или оказывает меньшее влияние на точность измерения координат объекта.
Источники информации:
1. Патент РФ №70003, МПК G01S 13/66, 2008 г. - прототип.
2. Sugeno, М., Industrial applications of fuzzy control, Elsevier Science Pub. Co., 1985.
3. HCS12 Microcontrollers. S12CPUV2 Reference Manual, Rev. 4.0 03/2006 Freescale Semiconductor Pub.