Спосіб визначення кутів візування нашоломною системою візування

Спосіб визначення кутів візування нашоломною системою візування, який полягає в визначенні кутови х координат орієнтації в просторі вісі візиру, установленого на рухомій основі, та суміщенні перехрестя візиру з ціллю, який відрізняється тим, що вимірюють величину швидкості кутового розвороту р ухомої основи відносно вертикальної вісі базової системи координат, суміщують контрольні та стабілізовані мітки в полі зору візиру, а координати азимутальної орієнтації вісі візиру визначають із співвідношення: Технічне рішення, що пропонується, відноситься до оптико-електронного приладобудування, частково, але не виключно, до шоломних систем візування, і може бути використане під час розробки оптико-електронних систем визначення розворотів захисного шолому оператора в різних галузях те хніки. У теперішній час широко відомі структурні схеми побудови нашоломних систем візування, до складу яких входять оптико-локаційні блоки (ОЛБ), розташовані на об'єкті, реперний, вузол, який являє собою набір дискретних, рознесених один від одного джерел (або приймачів) випромінювання, певним чином орієнтованих відносно вісі візиру (лінії візування оператора), установлених на рухомій основі, електронний блок та обчислювач. Докладно конструкцію відомих пристроїв та принцип їх дії описано в таких джерелах: - Шоломні пристрої індикації та прицілювання, ВАРКТ, 1975 № 3, стор. 24-30; - Патенти США № 3.375.375, № 3.678.238, № 4.193.689, Англії № 1.520.154, № 2.082.905. Аналіз відомих пристроїв, визначення вісі візиру показує, що в усіх пристроях бортові оптиколокаційні блоки установлені жорстко та на об'єкті, а візир з орієнтованими відносно його вісі реперними елементами встановлено на рухомій основі, наприклад, на шоломі оператора, і переміщується в процесі роботи відносно ОЛБ. Створення пристрою такого типу засновано на способі дистанційного слідкування за поворотом шолому оператора, а визначення кутів віз ування полягає у визначенні кутів просторової орієнтації вісі візиру під час накладення візирного перехрестя на ціль. Кути визначають за відомою базовою відстанню між оптико-локаційними блоками, пеленгам на реперні елементи, виміряними оптико-локаційними блоками, та параметрами розміщення реперних елементів відносно вісі візиру. Обчислювані кутові координати видаються в канали споживання об'єкту. Такий спосіб визначення кутів візування вимагає вимірювання кутового напрямку на кожний реперний елемент рухомої основи за допомогою спеціальних вимірювачів, винесених на визначену відстань відносно реперних елементів і, установлених на нерухому основу. Однак не всі умови, в яких виникає необхідність визначення кутів просторової орієнтації вісі візиру, установленого на рухомій основі, наприклад, на шоломі оператора, задовольняють перераховані вище вимоги. Наприклад, такий спосіб неможливо використати для видачі кутів віз ування оператором в польових умовах. До недоліків систем, які розглядаються, належать також і інші недоліки, найбільш суттєвими з них є: - обмеження діапазону переміщення та розвороту голови оператора із-за складності забезпечення великого поля огляду вимірювачів при малих габаритах виконання пристроїв. t2 j y = ò wy dt, t1 де: (19) UA (11) 30187 (13) A wу - швидкість кутового розвороту рухомої основи відносно вертикальної вісі базової системи координат; t2-t 1 - часовий інтервал виконання вимірювань. 30187 Враховуючи викладене вище, можна зробити висновок, що усунення відзначених недоліків дуже актуальне в теперішній час, тому що значно розширює область використання нашоломних візирних систем, побудованих за такими способами, та надає можливість використання їх в різних галузях техніки, у тому числі, в польових умовах. Найближчим за технічним рішенням до способу, що пропонується, з-поміж відомих аналогів є спосіб визначення кутів візування, описаний в матеріалах патенту США № 3.375.375 при створенні пристрою визначення орієнтації вісі візиру, який установлено на шоломі оператора. Даний спосіб вибрано за прототип. Відповідно до описаного способу при накладанні перехрестя на ціль виміряють за допомогою формувачів віялових п учків пеленги на реперні елементи, а потім визначають кутові координати орієнтації вісі візиру (jу; jz) за виміряними пеленгами на реперні елементи, відомою базовою відстанню між формувачами віялових пучків та параметрами розташування реперних елементів відносно вісі візиру. Для використання способу-прототипу необхідна наявність вимірювачів, які установлено на нерухому основу та винесено відносно рухомої основи з розташованими на ній реперними елементами. Однак, установлення нерухомої площадки в безпосередній близькості до оператора і точне юстування вимирювачів відносно базової системи координат не завжди можливі в умовах все зростаючого використання нашоломних візирних пристроїв в різних галузях техніки. Наприклад, визначення та видача кутів візування в польових умовах. В таких умовах використання способу-прототипу неможливо. Необхідно використовува ти інший спосіб визначення кутів візування, який обумовлює суміщення кутовимірювального пристрою з місцем установлення візиру. При цьому слід відзначити значні статичні та динамічні похибки способу-прототипу. Виникнення статичних похибок обумовлено наявністю похибок кутового та лінійного установлення формувачів віялових пучків, реперних елементів, а також похибками вимірювання пеленгів. Змінювання статичних похибок обумовлено відхиленням голови оператора від нульової лінії візування та переміщенням по заданій зоні. Для прикладу на фіг. 1 подано криві залежності передаточних відношень похибок установлення формувачів віялових пучків за лінійним розміром (DБх, DБz) в залежності від відхилення голови оператора в горизонтальній (jу) та вертикальній (jz) площинах. Динамічні похибки способу-прототипу виникають внаслідок кутових та лінійних коливань голови оператора на об'єкті, а також при візуванні об'єктів, що переміщуються відносно голови оператора, з кутовою швидкістю wc під час проведення операції вимірювання пеленгів. Схему виникнення похибок способу-прототипу подано на фіг. 2. Із схеми фіг. 2 видно, що після вимірювання пеленгу на реперний елемент P2, момент вимірювання якого співпадає, наприклад, з початком циклу вимірювання ( t вим .0 = 0 ), оператор, голова якого здійснює коливання відносно фізіологічного центру О 10 чи супроводжує ціль з кутовою швидкістю wс, за час, що минув до відліку наступного пеленгу (Dt1¹0) на реперний елемент Р1, розвертається відносно фізіологічного центру голови на кут wс×Dt1, тобто вимірювання пеленгу на реперний елемент Р1 діється при зміщенні його в точку P1' . Аналогічно діється вимірювання пеленгу на реперний елемент Р3 при уміщенні його в точку ' P3 . Таким чином, при використанні способупрототипу за рахунок необхідності дистанційного вимірювання пеленгів на реперні елементи рухомої основи єдиним вимірювальним каналом з властивим йому зміщенням моментів вимірювання в часі, діється викривлення реального контуру роз' ташування реперних елементів ( P2P1'P3 замість Р2Р1Р3), що спричиняє значні динамічні похибки визначення кутів віз ування. Розрахунок похибок показує, що під час використання способу-прототипу динамічна похибка визначення кутів візування в умовах супроводження цілі операторам з кутовою швидкістю wс=20°/сек, досягає 50' при заданій зоні кутових та лінійних переміщень. Таким чином, способу-прототипу властиві такі суттєві недоліки: 1. Обмеження області застосування у зв'язку з необхідністю використання нерухомої площадки в безпосередній близькості до рухомої основи, тобто проведення операції вимірювання пеленгів за допомогою вимірювачів, дистанційно винесених відносно рухомої основи. 2. Обмеження діапазону переміщення та розвороту голови оператора із-за складності забезпечення великого поля огляду вимірювачів при малих габаритах виконання пристроїв. 3. Значні статичні похибки із-за збільшення передаточних відношень параметрів, що визначають кути візування в залежності від збільшення кута відхилення голови оператора від нульової лінії візування. 4. Виникнення динамічних похибок при супроводженні цілі під час вимірювання пеленгів nреперних елементів з однієї точки пеленгації. У винаході, що пропонується, вирішувались задачі розширення області застосування способу в різних галузях науки та те хніки водночас з підвищення точності визначення кута азимутального візування в статичному та динамічному режимах роботи. Розв'язок поставлених задач досягається тим, що вимірювання параметрів розвороту р ухомої основи, виконується безпосередньо на самій рухомій основі при суміщенні вимірювальної системи відліку з системою відліку розвороту рухомої основи, тобто з системою розвороту вісі візиру на відміну від способу-прототипу, де вимірювання параметрів рухомої основи діється з нерухомої площадки дистанційно. Сутність винаходу полягає у тому, що у відомий спосіб визначення кутів візування нашоломної системи, який включає визначення кутових координат орієнтації в просторі вісі візиру, розміщеного на рухомій основі, при суміщенні перехрестя візиру з ціллю, введено операції вимірювання величини швидкості кутового розвороту рухомої основи 2 30187 Dt1 - часовий інтервал між моментами вимірювання пеленгів на реперні елементи Р1 та Р2 за способом-прототипом. Dt2 - часовий інтервал між моментами вимірювання пеленгів на реперні елементи Р3 та Р2 за способом-прототипом. wc - кутова швидкість супроводження цілі оператором. ' ' P1 , P3 - точки поточного положення реперних елементів Р1, Р3 по закінченні часу Dt1, Dt 2 відповідно, при супроводженні цілі оператором. OXи Yи Zи - система відліку під час вимірювання параметрів розвороту р ухомої основи. ОХг Yг Zг - система розвороту рухомої основи. відносно вертикальної вісі базової системи координат, суміщення контрольних та стабілізованих міток в полі зору візиру, а координати азимутальної орієнтації вісі візиру визначають із співвідношення: jy = t2 ò wy dt, t1 де wу - швидкість кутового розвороту рухомої основи відносно вертикальної вісі базової системи координат; t2-t 1 - часовий інтервал виконання вимірювання. Зіставлений аналіз запропонованого способу та способу-прототипу показує, що вимір, який виконується на самій рухомій основі в системі відліку розвороту візиру усуває проміжні похибки як статичного (див. фіг. 1), так і динамічного (див. фіг. 2) режимів, не вимагає використання нерухомої площадки в безпосередній близькості до рухомої основи і не обмежує переміщення рухомої основи. При цьому для забезпечення відліку параметрів розвороту рухомої основи в базовій системі координат введено операцію горизонтування системи відліку за стабілізованими мітками. Таке рішення дає великий економічний ефект, тому що розширює область використання запропонованого способу в різних галузях науки та техніки при збільшенні точності визначення кутів цілевизначення. Докладний опис запропонованого способу наведено нижче з посиланням на креслення, де подано наступну інформацію. Фіг. 1 - функціональна залежність передачі похибки установлення вимірювачів пеленгів на базову відстань Б0(DБх, DБz) в кути візування способупрототипу. Фіг. 2 - схема виникнення похибок динамічного режиму способу-прототипу. Фіг. 3... Фіг. 5 - схеми впливу похибок горизонтування Djx, Djz на точність визначення азимутального кута візування jy. Фіг. 6, фіг. 7 - схеми технічної реалізації запропонованого способу. На кресленнях прийняті такі позначки: OXYZ - базова система координат; jy, jz - кути візування в базовій системі координат; OX гn Yгn Z гn - поточні положення системи wи - вимірювана кутова швидкість развороту у рухомої основи відносно осі OYи. wу - кутова швидкість розвороту р ухомої основи відносно вісі базової системи координат. Dj x, Djz - похибки горизонтування вимірювальної системи. Відповідно до запропонованого способу визначення кутів візування або визначення орієнтації вісі візиру, який встановлено на рухомій основі, виміряють параметри кутового розвороту рухомої основи, а саме, кутову швидкість азимутального розвороту відносно вісі OYи. Ця операція та її математичне обгрунтування пояснюються на схемах фіг. 3... фіг. 5. Операція вимірювання виконується таким чином. Вимірюють швидкість wи відносно вимірюу вальної вісі OYи системи відліку OXи YиZ и. При цьому для того, щоб вимірювана кутова швидкість збіглась з кутовою швидкістю рухомої основи, необхідно, щоб збіглись їх системи відліку. OXи Yи ZиºОХг YгZг. Під час технічної реалізації це легко досягається звичайним юстуванням при жорстокому установленні візиру та вимірювача w и на рухомій у основі. Проте рухома основа, наприклад, голова оператора має три ступені свободи та допускає розворот її навколо трьох вісей. w xг ¹ 0 - розворот навколо вісі ОХи ; w уг ¹ 0 - розворот навколо вісі ОYи ; w zг ¹ 0 - розворот навколо вісі OZи. Таким чином, для проведення тільки азимутального розвороту необхідно провести операцію по усуненню додаткових розворотів w xг , w zг , тобто провести операцію по їх зведенню до нуля: w хг = 0; розвороту рухом її основи при візуванні цілі (n=1, 2, 3). OA XAZ A, O B XB ZB - системи відліку пеленгів на реперні елементи, які вимірюються із точок ОA та OB в способі-прототипі. a і і b і - кутові значення пеленгів на реперні елементі, які вимірюються із точок ОА та ОВ в способі-прототипі. Da і і Db і - похибки вимірювання кутових значень пеленгів на реперні елементи в способіпрототипі. Рі - реперні елементи пристрою, який розроблюється за способом-прототипом. Б0 - базова відстань між формувачами віялових пучків. DБх, DБz - похибка установлювання формувачів віялових пучків в базовій системі координат. w zг = 0 . Вданому випадку буде вимірюватись кутова швидкість азимутального розвороту в базовій системі координат: ' wи = wy . у В способі, який розглядається, це пропонується здійснювати за допомогою спеціальних (стабілізованих) міток, що задають базову систему координат з земною орієнтацією у просторі. 3 30187 При технічній реалізації запропонованого способу ця операція здійснюється внаслідок використання додаткового блоку горизонтування, який може бути виконано будь-яким способом, наприклад, таким, що вводить стабілізовані мітки в поле зору оператора за допомогою установлення в проекційну систему візиру двохкоординатного рівня. При порушенні горизонтування площини ХиОZи, тобто під час нахилу вимірювальної вісі OYи, стабілізована мітка, яку задано вівнем, виходить із заданих контрольних границь, при цьому w и ¹wу (див. схеу ми фіг. 3...фіг. 5). На фіг. 3 подано схему зміщення вимірювальної вісі ОYи в напрямку якої вимірюється кутова швидкість азимутального розвороту w и у Візир 1 являє собою оптичний формувач, що забезпечує формування та проецірування в око оператора зображень марки (сітки) контрольної та стабілізованої міток двухкоординатного рівня. За основу побудови візиру може бути покладено схему з лінзовим об'єктивом, яку описано на стор. 247-250 (книга Л.П. Лазарев "Оптикоэлектронные приборы наведения" Москва "Машиностроение" 1989 г.). Напівпрозоре дзеркало розміщують перед оком оператора. В фокальній площині об'єктиву розміщується марка (сітка). Додатково в цю схему в фокальну площину об'єктиву установлюється рівень. Рівень виконано, наприклад, згідно мал. 4.69 ("Справочник конструктора оптико-механических приборов" авторов М.Я. Кругер и др., "Ма шиностроение" Ленинград, 1980 р.). Блок вимірювання параметрів 2 може бути виконаний на базі використання датчика кутових швидкостей (ДКШ), наприклад, малогабаритного датчика ТВК-16. Блок прив'язки 3 виконано, наприклад, у вигляді комутуючої кнопки типу КМІ-1, що забезпечує формування команди "Скид". Функціональну схему блоку корекції 4 подано на фіг. 7, де: 6 - запам'ятовуючий пристрій, виконаний, наприклад, за схемою розділу 4-5-3 (И.М. Тетельбаум, Ю.Р. Шнейдер "400 схем для АВМ", Москва "Энергия" 1978 г.); 7 - суматор, виконаний, наприклад, за схемою підсилювача, поданого на мал. 3.18 (П. Хоровец, У. Хилл "Искусство схемотехники", т. 1 Москва, "Мир" 1986 р.). Обчислювальний блок інтегрування виконано, наприклад, за схемою інтегратора, поданого на мал. 3,44а (П. Хоровец, У. Хилл "Искусство схемотехники", том 1, Москва "Мир" 1986 р.). Візир 1 та блок вимірювання параметрів 2 розміщуються на шоломі оператора, решта інших блоків - на об'єкті. Спроецьована (на нескінченості) в око оператора марка (сітка), яку виконано, наприклад, у вигляді перехрестя, задає лінію візування (ЛВ) – лінію, яка проходить через око оператора та центр перехрестя. На початку робочого циклу оператор розворотом голови суміщує перехрестя візиру 1 з реперною міткою прив'язочного вузлу об'єкту, що задає напрям відліку кутів віз ування та натискає кнопку блоку прив'язки 4. При цьому вже сформована команда "Скид" (у вигляді потенціалу) з ви ходу блоку 3 надходить до других входів блоку корекції 4 та блоку 5. За цією командою, у блоці 4 робиться запис до запам'ятовуючого пристрою 6 (вхід 1) накопиченого сигналу помилки ДКШ блоку 2 з протилежним знаком. У блоці 5 за командою "Скид" (вхід 2) інтегратор переводиться в режим зведення до нуля. При відпусканні кнопки блоку 3 (зняття команди "Скид") запам'ятовуючий пристрій 6 блоку корекції переводиться до режиму "Зберігання". При цьому на суматорі 7 робиться підсумовування накопиченої помилки ДКШ блоку 2 (вхід 1) з запам'ятованим значенням цієї помилки протилежного знаку та, при наявності похибок горизонтування (Djх, Djz), видається в базову систему як w и =wу. Приу йняття такої рівності обумовлює похибку визначення азимутально куту візування. Розрахунок похибки виконано згідно зі схемою перетворення, поданою на фіг. 4, фіг. 5: Oa= w и cosDjx; у Oc=Oa×cosDjz= w и cosDjx×cosDjz; у Dw=w y- w и (cosDjxcosDjz-1). у Таким чином не рахуючись із зміщенням вимірювальної системи (OXи YиZи) відносно базової системи (ОХYZ), в розрахунок кута азимутального розвороту р ухомої основи jy вноситься похибка, яка буде залежати від величини зміщення цих систем. В зв'язку з цим в запропонований спосіб введена операція обмеження кутів зміщення Djx, Djz за допомогою стабілізуючих міток. При цьому в зв'язку з тим, що для кутів 15'¸30' (точність існуючих фокальних рівнів) cosDjx×cosDjz»1, відтворення блоку горизонтування в даному випадку практично труднощі в не викликає. Таким чином, при суміщенні стабілізованих міток з контрольними мітками в заданих границях в полі зору оператора, ми суміщуємо вимірювальну систему з базовою системою координат: OXи Yи Zи≡OXYZ. При цьому забезпечується правильно вимірювання параметрів кутового розвороту рухомої основи ( w и ºwу) та визначення кутів візування (в даному у випадку азимутального кута j у) в базовій системі координат: jy = t2 ò wy dt. t1 При цьому відлік часу інтегрування t дається від нульового положенню лінії візування до моменту накладення перехрестя на ціль. У випадку подальшого супроводження цілі відлік часу інтегрування продовжується. Принцип роботи запропонованого способу розглянемо на прикладі побудови пристрою, поданого на фіг. 6, де: 1 - візир; 2 - блок вимірювання параметрів; 3 - блок прив'язки; 4 - блок корекції; 5 - обчислювальний блок інтегрування. 4 30187 (вхід 1), що у результаті призводить до усунення залишкового сигналу ДКШ в момент прив'язування. У блоці 5 після знімання команди "Скид" інтегратор переводиться до режиму інтегрування. Зкоректоване в блоці корекції 4 значення сигналу кутової швидкості w и ºwу надходить до 1-го у нується, надає йому великі переваги по використанню в різних галузях те хніки, тому що пристрої такого типу не залежать від умов розташування на об'єктах із-за можливості створення одного візирновимірювального блоку, установленого на рухомій основі, наприклад, на шоломі оператора. При цьому слід назначити, що властиві способу-прототипу систематичні похибки під час роботи в статичному та динамічному режимах, які обумовлені наявністю проміжних каналів при дистанційному способі визначення кутів візування, цілком відсутні при здійсненні безпосереднього вимірювання параметрів розвороту р ухомої основи. Таким чином, використання запропонованого способу порівняно з прототипом дає великий економічний ефект, тому що розширює область використання та підвищує точність визначення кутів візування в статичних та динамічних режимах роботи за рахунок одночасного візування внаслідок розвороту рухомої основи та безпосереднього виміру заданих розворотів на самій рухомій основі, в даному випадку азимутального розвороту при стабілізації системи відліку за стабілізованими мітками в полі зору візиру. Введення стабілізованих міток в поле зору оператора обумовлює видачу кутів візування в свободному просторі, пов'язаному з Землею, і надає можливість роботи нашоломній візирній системі як на нерухомих об'єктах, так і на рухомих транспортних засобах, беручи до уваги рух об'єкту у власних трактах управління. Конструктивно такий спосіб обумовлює створення єдиного візирно-вимірювального блоку, який встановлюється безпосередньо на рухомій основі. блоку інтегрування, де обчислюється значення азимутального кута за формулою: t2 j y = ò wy dt. t1 Сигнал, що ви ходить з блоку інтегрування 5 (jу), надходить до систем об'єкту. Після знімання команди "Скид" (кнопку блоку 3 відпущено) оператор виконує наведення лінії візування (перехрестя) на вибраний об'єкт та її утримання на ньому з одночасним горизонтуванням блоку вимірювання параметрів за міткою рівня, що спостерігають в полі зору оператора. Утримання лінії візування робиться до закінчення прийому системи об'єкту значення азимутального кута j у. Аналіз можливих схем побудови пристроїв, які реалізують запропонований спосіб (див. фіг. 6) показує, що створення таких пристроїв не передбачає використання нерухомих юстованих площадок, винесених відносно рухомої основи та розташованих в безпосередній близькості до неї, як у способі-прототипі для забезпечення дистанційного розташування вимірювачів, які визначають пеленги на реперні елементи рухомої основи. Відсутність нерухомої юстованої площадки в пристроях, які побудовані за способом, що пропо 5 30187 Фіг. 1 6 30187 Фіг. 2 7 30187 Фіг. 3 8 30187 Фіг. 4 Фіг. 5 9 30187 Фіг. 6 Фіг. 7 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 10