СТАБИЛИЗИРОВАННАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МУЛЬТИРОТОРНОГО ТИПА

Полезная модель относится к области авиационного вооружения и военной техники, в частности к области применения оптико-электронных систем в качестве полезной нагрузки в беспилотных летательных аппаратах специального назначения.
Известен «Прицельный комплекс боевого беспилотного летательного аппарата» (RU №2294514 С1, 2007 г.), включающий бортовое радио-оптико-электронное оборудование в составе: радиолокационной станции с фазированной решеткой, радиостанции связи с наземным командным пунктом, оптико-электронная система в видимом и ИК-диапазонах волн, блок питания, высотомер, отличающийся тем, что бортовое радио-оптико-электронное оборудование дополнительно включает центральный вычислительный блок, блок обработки видеоинформации и формирования команд управления, первый усилитель мощности и второй усилитель мощности, а оптико-электронная система включает телевизионный и тепловизионный каналы, двухкоординатное поворотное устройство и систему стабилизации линии визирования, при этом первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы центрального вычислительного блока электрически соединены соответственно с электрическим входом радиолокационной станции, выходом высотомера, выходом телевизионного сигнала оптико-электронной системы, первым входом блока обработки видеоинформации и формирования команд управления и электрическим выходом радиостанции связи, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы центрального вычислительного блока электрически соединены соответственно с электрическим входом радиолокационной станции, входом управления оптико-электронной системы, первым входом блока обработки видеоинформации и формирования команд управления, входом приводов пуска боеприпасов, первым электрическим входом радиостанции связи, первым входом первого усилителя мощности, второй и третий входы блока обработки видеоинформации и формирования команд управления электрически соединены соответственно с выходом телевизионного сигнала оптико-электронной системы и выходом двухкоординатного поворотного устройства оптико-электронной системы, второй, третий и четвертый выходы блока обработки видеоинформации и формирования команд управления электрически соединены соответственно со вторым электрическим входом радиостанции связи, вторым первого усилителя мощности и входом второго усилителя мощности, выходы первого и второго усилителей мощности электрически соединены соответственно со входом приводов рулей управления беспилотного летательного аппарата и входом двухкоординатного поворотного устройства оптико-электронной системы, а также, отличающийся тем, что телевизионный канал оптико-электронной системы выполнен с возможностью формирования сигналов узкого и широкого полей зрения, тепловизионный канал оптико-электронной системы выполнен с возможностью формирования сигналов узкого и широкого полей зрения, радиолокационная станция с фазированной решеткой выполнена с возможностью работы, как в режиме реального луча, так и в режиме синтезированной апертуры, система стабилизации линии визирования оптико-электронной системы выполнена в виде прямой гироскопической платформы и косвенной.
Известный прицельный комплекс предназначен для прицеливания оружия беспилотного летательного аппарата, использующего боеприпасы неуправляемого типа, сравнимого по точности попадания в цель с точностью попадания боеприпасов с головками самонаведения.
Недостатками указанного прицельного комплекса является то, что оптико-электронная система не обеспечивает захват и сопровождение цели, нормирование и дополнительную обработку телевизионного и тепловизионного изображений фоноцелевой обстановки в ненормированных условиях наблюдения: неблагоприятные метеоусловия, искусственные помехи, повышение глобального и локального контраста, нормирование средней яркости, повышение четкости, снижение флуктуационных и шумовых помех, адаптацию под конкретные условия наблюдения, оперативное изменение полей зрения, режимов улучшения изображений, переключение рабочих каналов в режиме захвата и сопровождения, комплексирование изображений тепловизионного и телевизионного каналов с соразмерными значениями полей зрения, измерение углового положения целей в местной системе координат изделия и относительно центра растра видеоизображения, требуемую точность приведения гироскопической платформы в условиях быстрых разворотов или неуправляемых вибраций беспилотного летательного аппарата.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленной полезной модели является полезная модель «Оптико-электронная система боевого беспилотного летательного аппарата» (RU №139683 U1, 2014 г.), включающая тепловизионный канал, телевизионный канал и лазерный дальномер-целеуказатель, отличающаяся тем, что лазерный дальномер-целеуказатель содержит единое передающее устройство, в котором вдоль первой оптической оси последовательно расположены передающий объектив, коллиматорный элемент, первое плоское наклонное зеркало, первый лазерный излучатель, второе плоское наклонное зеркало, оптический затвор и плоское зеркало, плоскости которого перпендикулярна первая оптическая ось, а вдоль второй оптической оси, параллельной первой, последовательно расположены третье плоское наклонное зеркало, второй лазерный излучатель и четвертое плоское наклонное зеркало, при этом первое и второе плоские наклонные зеркала выполнены со спектроделительным покрытием и имеют оптическую связь соответственно с третьим и четвертым плоскими наклонными зеркалами.
Известная полезная модель предназначена для осуществления следующих операций: обнаружения цели; определения дальности до цели; определения координат цели; лазерного подсвета обнаруженной цели при наведении управляемого вооружения; обнаружения пятна лазерного подсвета цели; автоматического захвата цели; формирования стробов для предъявления оператору изображения цели, находящейся в поле зрения; автоматического сопровождения цели; формирования и выдачи целеуказания тепловизионных головок самонаведения, работающих по принципу «выстрелил - забыл -поразил».
Недостатками в указанном прототипе оптико-электронной системы боевого беспилотного летательного аппарата является то, что не обеспечивается:
высокая стабильность резонатора лазерного излучателя дальномера-целеуказателя к изменениям геометрии составляющих резонатора;
требуемая точность стабилизации гироскопической платформы в условиях быстрых разворотов и/или неуправляемых вибраций беспилотного летательного аппарата.
Цель полезной модели заключается в повышении стабильности оси визирования дальномера-целеуказателя и точности оси визирования оптических приборов, установленных на гиростабилизированной платформе беспилотного летательного аппарата в условиях быстрых разворотов и/или неуправляемых вибраций.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности и точности оси визирования беспилотного летательного аппарата при обеспечении захвата и сопровождения цели.
Требуемый технический результат полезной модели достигается тем, что оптико-электронная система беспилотного летательного аппарата, включает подвижную часть, состоящую из: телевизионного канала, тепловизионного канала средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR) и/или тепловизионного канала коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR), лазерного дальномера-целеуказателя; подвижной средней части (вилки) и стационарной части (основание).
В полезной модели, лазерный излучатель лазерного дальномера-целеуказателя с устройством питания и управления лазерным излучателем состоит из совмещенного выходного и заднего зеркала оптического резонатора, узла клиньев, отражателя, кристалла, призмы поворотной, призмы Довэ, брюстеровских поляризаторов, электрооптического затвора, пластины λ/4, блока устройства питания и управления лазерным излучателем, системы термостабилизации и платы управления электрооптическим затвором, единого блока питания линеек лазерных диодов, драйвера лазерных диодов, драйвера системы термостабилизации; система гироскопической стабилизации состоит из комплекса оптических приборов, платформы с установленными на ней блоками гироскопических чувствительных элементов по трем осям и блоком трехкомпонентных миниатюрных вибрационных акселерометров, двухосевого карданового подвеса с консольным закреплением оси наружной рамы, привода горизонтальной плоскости, датчика угла вертикальной плоскости, датчика угла горизонтальной плоскости, усилительно-преобразующего устройства сигнала горизонтальной плоскости, интегратора сигнала горизонтальной плоскости, привода вертикальной плоскости, усилительно-преобразующего устройства сигнала вертикальной плоскости, интегратора сигнала вертикальной плоскости, преобразователя координат, блока управления.
Полезная модель имеет один пункт формулы и иллюстрирована четырьмя фигурами чертежа, где:
на фиг. 1 изображена структурная схема стабилизированной оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата мультироторного типа;
на фиг. 2 изображена структурная схема лазерного излучателя дальномера-целеуказателя с устройством питания и управления лазерным излучателем оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата мультироторного типа;
на фиг. 3 изображена структурная схема гироскопического стабилизатора индикаторного типа оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата мультироторного типа;
на фиг. 4 изображена функциональная схема гироскопического стабилизатора индикаторного типа оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата мультироторного типа.
Структурная схема стабилизированной оптико-электронной системы представлена на фиг. 1, состоит из:
1 - подвижная часть;
2 - подвижная средняя часть (вилка);
3 - стационарная часть (основание);
4 - телевизионный канал;
5 - объектив с контроллером объектива;
6 - телевизионный канал;
7 - плата коммутации и питания;
8 - тепловизионный канал средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR) и/или коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR);
9 - объектив с контроллером объектива;
10 - матрица тепловизора;
11 - лазерный дальномер-целеуказатель;
12 - телескоп;
13 - лазерный излучатель;
14 - устройство питания и управления лазерным излучателем;
15 - объектив;
16 - фотоприемное устройство;
17 - система стабилизации;
18 - блоки гироскопических чувствительных элементов;
19 - блок трехкомпонентных миниатюрных вибрационных акселерометров;
20 - абсолютный датчик угла X;
21 - микроконтроллер оси X;
22, 23 - трехфазный контроллер двигателя, расположенного по оси X;
24 - двигатель по оси X;
25 - комбинированное вращающееся контактное устройство;
26 - абсолютный датчик угла Z;
27 - микроконтроллер оси Z;
28, 29 - трехфазный контроллер двигателя, расположенного по оси Z;
30 - двигатель по оси Z;
31 - плата датчиков и драйвера арретира оси Z и привод арретира оси Z;
32 - плата датчиков и драйвера арретира оси X и привод арретира оси X;
33 - плата управления и обработки стационарной части;
34 - процессорный модуль;
35 - разъем Ethernet;
36 - разъем питания.
Стабилизированная оптико-электронная системы беспилотного летательного аппарата мультироторного типа содержит три основных функциональных узла:
подвижную часть 1, имеющую обтекаемую форму и содержащую оптический блок 49: телевизионный 4 и тепловизионный каналы 8, лазерный дальномер-целеуказатель 11; систему стабилизации 17 и вычислитель подвижной части 7;
подвижную среднюю часть (вилку) 2, содержащую приводы обеих осей вместе с контроллерами 21-23, 27-29, 31-33, источник питания и комбинированное вращающееся контактное устройство 25;
неподвижную часть 3, содержащую основной вычислитель 33, 34, блок интерфейсов и механический демпфер.
Схема содержит ряд важных вспомогательных компонентов:
электромеханические приводы арретиров (по каждой из осей), служащих для надежной фиксации подвижной части относительно неподвижного основания при взлете и посадке, а также в транспортировочном положении, при этом подвижная часть подворачивается зрачками внутрь вилки, обеспечивая защиту последних;
высокоточные датчики абсолютного углового положения каждой оси, обеспечивающие дискретность угловых отсчетов с точностью 2,5 угл. сек;
бесколлекторные двигатели, развивающие угловой момент более 1,4 Нм.
Стабилизированная оптико-электронная система беспилотного летательного аппарата мультироторного типа обеспечивает выполнение следующих функций:
формирование интегрированных цифровых видеопотоков, полученных от каналов телевизионного и тепловизионных для фиксированных промежуточных значений полей зрения по каждому из каналов;
круглосуточно в ограниченно сложных метеоусловиях формирование интегрированного цифрового потока данных фонно-целевой обстановки в оптическом контрасте, полученном с помощью телевизионного канала и тепловом контрасте, полученного с помощью тепловизионного канала;
формирование двухспектральных интегрированных цифровых изображений фоно-целевой обстановки;
по внешнему целеуказанию обнаружение целей в видимом и средневолновом ИК диапозонах длин волн и их автоматическое сопровождение;
измерения дальности до цели;
определение координат цели относительно геометрических осей беспилотного летательного аппарата;
лазерный подсвет обнаруженных целей для наведения управляемого вооружения;
автоматическое сопровождение целей;
формирование регулированного строба, в соответствии с угловым размером цели, для предъявления оператору изображений целей;
встроенный контроль функционирования составных частей оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата;
автоматическую блокировку (приведение в походное положение) оптико-электронной системы при взлете и посадке беспилотного летательного аппарата, а также по внешней команде.
На фиг. 2 изображена структурная схема лазерного излучателя 13 дальномера-целеуказателя с устройством питания и управления лазерным излучателем 14, состоящих из совмещенного выходного и заднего зеркала оптического резонатора 37, узла клиньев 38, отражателя 39, призмы поворотной 40, призмы Довэ 41, брюстеровских поляризаторов 42, электрооптического затвора 43, пластины λ/4 44, устройство питания и управления лазерным излучателем 14, система термостабилизации и плата управления электрооптическим затвором 45, единый блок питания линеек лазерных диодов 46, драйвер лазерных диодов 47, драйвер системы термостабилизации 48.
Достоинством приведенной схемы является то, что наличие двух призм, обеспечивают стабильность резонатора к изменениям геометрии («нерасстраиваемость») составляющих резонатора, а также наличие юстировочного узла клиньев 38, обеспечивающего возможность совмещения выходного и заднего зеркал резонатора на одной подложке.
Плата управления затвором предназначена для формирования импульса напряжения заданной амплитуды, формы и длительности, необходимого для управления электрооптическим затвором. Функционально блок питания делится на драйвер питания и управления линейками лазерных диодов и драйвер системы термостабилизации.
Драйвер лазерных диодов 47 предназначен для формирования импульсов тока заданной частоты, длительности и амплитуды в нагрузке и формирования сигнала защиты от превышения максимально допустимой амплитуды импульса тока через лазерные диоды или напряжения на зарядном конденсаторе.
Драйвер системы термостабилизации 48 предназначен для измерения и регулирования температуры на лазерные диоды, измерения температуры на корпусе прибора. Регулирование осуществляется изменением напряжения на термоэлектрических элементах по алгоритму.
Х
Y
Z
X
Y
Z
На фиг. 3 изображена структурная схема системы гироскопической стабилизации, состоящая из оптического блока приборов 49, платформы 50 с установленными на ней блоком гироскопических чувствительных элементов по трем осям ГГГ 18 и блоком трехкомпонентных миниатюрных вибрационных акселерометров AAA 19, двухосевого карданового подвеса с консольным закреплением оси наружной рамы (на фиг. 3 не показан), привода горизонтальной плоскости 51, датчика угла вертикальной плоскости 52, датчика угла горизонтальной плоскости 53, усилительно-преобразующее устройство сигнала горизонтальной плоскости 54, интегратора сигнала горизонтальной плоскости 55, привода вертикальной плоскости 56, усилительно-преобразующее устройство сигнала вертикальной плоскости 57, интегратора сигнала вертикальной плоскости 58, преобразователь координат 59, блок управления 60.
На фиг. 4 изображена функциональная схема системы гироскопической стабилизации, состоящая из: оптического блока приборов 49 (объекта стабилизации), платформы 50, чувствительных элементов 61, формирователя момента 62, приводов 63.
B
H
Возмущающий момент по оси стабилизации М., действующий на объект стабилизации в двухосном подвесе, вызывает движение объекта стабилизации в инерциальном пространстве. Параметры этого движения углы α и угловые скорости  измеряются чувствительным элементом гироскопа или акселерометра, сигнал которых после преобразований, необходимых для получения требуемой точности, удовлетворительных характеристик устойчивости и качества регулирования, поступает на привод стабилизации.
O.C
В.Н.
Привод прикладывает к объекту стабилизации момент М., уравновешивающий момент внешних сил М. При этом движение гироскопа не оказывает силового воздействия на платформу, что позволяет применять в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора малогабаритные гироскопы, а также лазерные, волоконно-оптические и микромеханические гироскопы.
Система стабилизации включает в себя два контура обратной связи системы стабилизации и два контура обратной связи системы автоматического управления. При осуществлении ручного режима управления гиростабилизатором контуры обратной связи системы управления разомкнуты.
Режим стабилизации по оси Z (горизонтальной оси), согласно фиг. 4, при любых углах тангажа сигналы гироскопических чувствительных элементов поступают в преобразователь координат, где в соответствии с показаниями угла поворота объекта стабилизации вокруг оси тангажа формируется комбинированный сигнал гироскопических чувствительных элементов. Сигнал через усилительно-преобразующее устройство поступает на привод стабилизации. Управление по оси Z осуществляется подачей управляющего сигнала с блока управления 60 в канал обратной связи контура стабилизации.
При углах поворота объекта стабилизации вокруг оси тангажа близких к 90° может привести к потере работоспособности гиростабилизатора, для сохранения работоспособности двухосного гиростабилизатора применяется второй гироскопический чувствительный элемент, ось чувствительности которого перпендикулярна оси чувствительности первого чувствительного элемента, а также применяется блок трехкомпонентных миниатюрных вибрационных акселерометров 19 в качестве дополнительного источника регистрации быстрых разворотов и/или неуправляемых вибраций. При любых углах тангажа работоспособность гиростабилизатора сохраняется либо путем переключения канала стабилизации по оси Z с одного гироскопического чувствительного элемента на второй в зависимости от угла тангажа, либо комбинацией двух гироскопических чувствительных элементов с весовым коэффициентом, в том числе при условии работоспособности блока трехкомпонентных миниатюрных вибрационных акселерометров.
Режим стабилизации по оси X (вертикальной оси), связанной с изображением, осуществляется посредством подачи сигнала гироскопического чувствительного элемента через усилительно-преобразующее устройство 57 на привод стабилизации 56, управление осуществляется подачей управляющего сигнала с блока управления 60 в канал обратной связи контура стабилизации.
Состояние и режимы работы системы стабилизации оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата:
состояние механического арретирования, когда гиростабилизатор включен, комплекс оптических приборов жестко связан с беспилотным летательным аппаратом механическими арретирами, оптические оси приборов направлены вертикально вверх, для защиты оптически-прозрачных элементов конструкции на сфере;
состояние электрического арретирования, когда гиростабилизатор включен, гироскопическая стабилизация включена, сигналы с датчиков углового положения объекта стабилизации поступают на приводы стабилизации по соответствующим осям, объект стабилизации связан с беспилотным летательным аппаратом, производится выставка оптических осей приборов в перпендикулярное оси курса положение;
состояние гироскопической стабилизации в инерциальном пространстве с возможностью ручного управления в горизонтальной и вертикальной плоскостях, производится обзор земной поверхности, разведка и поиск цели;
состояние захвата и сопровождения цели, гироскопическая стабилизация включена, включена система автоматического управления гиростабилизатором по сигналам отклонения линии визирования от оптической оси, получаемых после обработки изображений с оптических приборов.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить стабильность оси визирования дальномера-целеуказателя и точность оси визирования оптических приборов, установленных на гиростабилизированной платформе беспилотного летательного аппарата в условиях быстрых разворотов и/или неуправляемых вибраций.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемый комплекс может быть изготовлен в соответствии с предлагаемым описанием и чертежами на основе известных комплектующих изделий при использовании современного технологического оборудования и использован по прямому назначению для стабилизации оптико-электронной системы беспилотного летательного аппарата.
Источники информации:
1. Тарасов В.В., Здобников А.Е., Груздев В.В., Гомзин А.В., Лачугин В.А. Патент на изобретение RU №2294514 С1 «Прицельный комплекс боевого беспилотного летательного аппарата». 2005128325/02. Заяв. 13.09.2005. Опубл. 27.02.2007. Бюл. №6.
2. Тарасов В.В., Груздев В.В., Грушинский В.А. Патент на полезную модель RU №139683 U1 «Оптико-электронная система боевого беспилотного летательного аппарата». 2013111592/28. Заяв. 15.03.2013. Опубл. 20.04.2014. Бюл. №11.