Пристрій визначення орієнтації осі візира

Пристрій визначення орієнтації осі візира, що містить візир, встановлений на рухомій основі, наприклад, на захисному шоломі оператора, складений із освітлювача, марки (сітки), об'єктиву та нахиленої плоско-паралельної пластини, який від 30199 Цей пристрій містить в собі блок реперних елементів (фотоприймачів або випромінювачів) з візиром, жорстко встановлених на рухомій основі, наприклад, на шоломі оператора, базовий блок з двома формувачами віялових пучків сві тла, встановлених в безпосередній близькості до голови оператора та електронний блок, встановлений на нерухомій основі, наприклад, на конструкції транспортного засобу. Пристрій діє наступним чином. Два формувача віялових пучків сканують простір усередині об'єкту. При суміщенні віялового пучка з будь-яким реперним елементом виконується відлік та обробка інформації, що надходить, а потім формування за допомогою електронного блоку, значень пеленгів a і, b і на кожний реперний елемент у системі координат формувачів віялових п учків. При цьому пеленг a і вимірюється першим формувачем віялових пучків, а пеленг b і другим формувачем віялових пучків. За вимірюваними пеленгами на реперні елементи aі і bі і відомій базовій відстані Б0 між формувачами віялових пучків у пристрої визначаються кути розвороту осі візиру, встановленного на шоломі оператора - jy, jz . Використання такого пристрою для визначення кутів візування, або кутових координат орієнтації осі візиру вимагає виносу формувачів віялових пучків відносно рухомої основи, шолому оператора і встановлення на нерухомій площадці. Однак, встановлення нерухомої площадки безпосередньо зблизу до оператора і точне встановлення вимірювачів відносно базової системи координат не завжди можливі в умовах зростаючого використання нашоломних візирних систем у багатьох галузях те хніки, наприклад, при роботі у польових умовах. Це є одним з основних недоліків прототипу. При цьому слід відзначити значні статичні та динамічні похибки пристрою-прототипу. Зміни статичних похибок обумовлено відхиленнями голови оператора від нульової лінії візування. Для прикладу на фіг. 1 представлені криві функціональної залежності відношень передачі æ ¶j y ¶jz ö ÷ Wç ç ¶Б , ¶Б ÷ в вихідні кути (jy, jz) пристроюz ø è х прототипу похибок DБх, DБz, встановлення вимірювачів пеленгів на базову Б0(Б х, Бz) відстань в залежності від відхилення голови оператора в горизонтальній jу і вертикальній jz площині базової системи координат. При цьому похибки вихідних кутів (Dj y, Djz) визначаються наступним чином: ¶j y Dj y = × D Бх ¶Б х Р1, розвертається відносно фізиологичного центру голови на кут wс×Dt 1, тобто вимірювання пеленгу на реперний елемент P1 виконується при зміщенні його в точку P1' . Аналогічно виконується вимірювання пеленгу на реперний елемент Р3 при зміщенні його в точ' ку P3 . Тобто при використанні пристрою-прототипу за рахунок необхідності дистанційного вимірювання пеленгів на реперні елементи рухомої основи єдиною вимірювальною системою ОЛБ з притаманним їй зміщенням моментів вимірювання у часі відбувається викривлення реального контуру, роз' міщення реперних елементів ( P2P1'P3 замість Р2Р1Р3), що призводить до значних динамічних похибок визначення кутів на ціль. Розрахунок похибок показує, що при використанні пристрою-прототипу динамічна похибка визначення кутів візування в умовах супроводження цілі оператора з кутовою швидкістю, наприклад, wс=20°/сек сягає 50' у заданій зоні кутових та лінійних переміщень. Від так, пристрою-прототипу притаманні наступні недоліки: 1. Обмеження області застосування у зв'язку з необхідністю використання нерухомої площадки безпосередньо зблизу до рухомої основи, тобто проведення операції вимірювання пеленгів за допомогою вимірювачів, дистанційно віднесених до рухомої основи. 2. Обмеження діапазону переміщення і розвороту голови оператора із-за складності забезпечення великого поля огляду вимірювачів при невеликих габаритах виконання пристроїв. 3. Значні статичні похибки за рахунок змін відношень передачі похибок DБх, DБz в вихідні кути цілевказування в залежності від відхилення голови оператора відносно нульової лінії візування. 4. Виникнення динамічних похибок при супроводженні цілі під час виміру пеленгів на nреперних елементів із однієї точки пеленгації. В пропонуємому винаході рішались задачі розширення області примінення нашоломних візирних систем в різних галузях техніки з підвищенням точності визначення азимутального кута візування в статичних і динамічних режимах роботи. Рішення вказаних вище задач виконується з допомогою установки блока виміру параметрів розвороту голови оператора безпосередньо на рухомій основі з суміщенням вимірювальних осей з осями розвороту голови оператора. При цьому, як вказувалось вище, розворот оптичної осі візира також виконується відносно розвороту голови оператора. Використання в пристрої сумісного блока візування і виміру параметрів розворота рухомої основи на відміну від пристрою-прототипу дає можливість використання його в польових умовах при роботі з наземною технікою, де керування проводиться по одній координаті, наприклад, по азимутальному куту j у. Стабілізація системи відліку азимутального кута і забезпечення роботи оператора в вільному просторі, зв'язаному з Землею, виконується з до ¶jz × DБ z ¶Б z Схема виникнення динамічної похибки зображена на фіг. 2. Із схеми на фіг. 2 видно, що після вимірювання пеленгу на реперний елемент Р2 момент вимірювання якого співпадає, наприклад, з початком циклу вимірювання ( Dt изм0 = 0 ), оператор, голова якого здійснює коливання відносно фізиологичного центру Ог або супроводжує ціль з кутовою швидкістю wс, за час, що минув до відліку наступного пеленгу (Dt1¹0) на реперний елемент Dj z = 2 30199 Da і, Db і - похибки вимірювання кутових значень пеленгів на реперні елементи пристроюпрототипу; Рі - реперні елементи пристрою-прототипу; Б0 - базова відстань між формувачами віялових пучків; DБх, DБz - похибка встановлення формувачів віялових пучків у базовій системі координат; Dt1 - інтервал часу між моментами вимірювання пеленгів на реперні елементи P1 і P2 в пристроїпрототипі: Dj x, Djz - похибки горизонтування вимірювальної системи; wy - кутова швидкість розвороту р ухомої основи відносно вісі базової системи координат; Dt2 - інтервал часу між моментами вимірювання пеленгів на реперні елементи P3 і P2 в пристроїпрототипі; wc - кутова швидкість супроводження цілі оператором; ' ' P1 , P3 - точки поточного положення реперних елементів P1 і P3 по закінченні часу Dt 1 і Dt2 , відповідно, при супроводженні цілі оператором; OXи Yи Zи - система відліку при вимірюванні параметрів розвороту р ухомої основи; OXг Yг Zг - система розвороту рухомої основи; OX г1 Yг1 Zг1 , OX г2 Yг2 Z г2 , OX г3 Yг3 Z г3 - поточні положення системи рухомої основи при візуванні цілі. помогою блока горизонтування, вмонтованого в блок нашоломного візиру. С ущність запропонованого винаходу заключається в тому, що в відомий пристрій визначення орієнтації осі візиру, що містить візир, встановлений на рухомій основі, наприклад, на захисному шоломі оператора, складений із освітлювача, марки (сітки), об'єктива і нахиленої плоско-паралельної пластини, введено блок вимірювання параметрів розвороту, блок завдання початку відліку, запам'ятовуючий пристрій, суматор та інтегратор, а до візиру додатково встановлено у фокальній поверхні об'єктиву фокальний рівень при цьому блок вимірювання параметрів розвороту механічно спряжено з візиром, вихід блоку завдання початку відліку з'єднано із другими входами запам'ятовуючого пристрою та інтегратору, ви хід блоку вимірювання параметрів розвороту з'єднаю з першими входами запам'ятовуючого пристрою та суматора, вихід запам'ятовуючого пристрою з'єднано із другим входом суматора, перший вхід інтегратора з'єднано з виходом суматора, а його вихід - з системами об'єкту. Порівняльний аналіз запропонованого пристрою та пристрою-прототипу показує, що створення єдиної візирно-вимірювальної системи запропонованого пристрою, що складено із блоку вимірювання параметрів розвороту та візиру, розворот осі якого вимірюється, встановлених сумісно на рухомій основі, усуває проміжні похибки, як статичного (див. фіг. 1), так і динамічного (див. фіг. 2) режимів роботи пристрою-прототипу, не вимагає використання нерухомої площадки безпосередньо зблизу до рухомої основи та не обмежує переміщень рухомої основи. Таке рішення дає великий економічний ефект, поскільки розширює використання запропонованого пристрою у різних галузях науки і техніки при збільшені точності визначення кутів візування за рахунок вимірювання параметрів розвороту рухомої основи не дистанційно з певної відстані, а на самій рухомій основі при стабілізації системи відліку вимірювального блоку. Докладно опис пристрою, що пропонується, подано нижче з посиленням на креслення: Фіг. 1. - функціональна залежність точних відношень похибок початкового установлення ОЛБ на базову відстань Б0(DБх, DБz). Фіг. 2 - схема виникнення динамічної похибки пристрою-прототипу. Фіг. 3¸фіг. 5 - схема впливу похибок горизонування Djх, Djz на точність визначення азимутального куту віз ування. Фіг. 6 - блок-схема запропонованого пристрою. Фіг. 7 - структурна схема візиру. Фіг. 8 - оптична схема візиру. Фіг. 9 - вигляд поля зору. На кресленнях прийняті такі позначки: OXYZ - базова система координат; jy, jz - кути візування у базовій системі координат; OA XAZ A, OБ XБZ Б - система відліку пеленгів на реперні елементи, що вимірюють із точок ОА та ОБ в пристрої-прототипі; a і, b і - кутові значення пеленгів на реперні елементи, що вимірюються із точок ОА та ОБ у пристрої-прототипі; wи - вимірювана кутова швидкість розвороту y рухомої основи відносно осі OYи. У запропонованому пристрої визначення орієнтації осі візиру вимірювання параметрів кутового розвороту рухомої основи виконується відносно осі OYи відлікової системи OXи YиZ и. Математичне обгрунтування вимірювань подано на фіг. 3¸5. При цьому для того, щоб вимірювана кутова швидкість співпадала з кутовою швидкістю розвороту рухомої основи, необхідно, щоб їх відлікові системи співпадали OXи YиZ иºOXг YгZг. Це легко досягається звичайним юстуванням при жорсткому встановленні візиру та вимірювача wи на рухомій основі. y Однак, рухома основа, наприклад, голова оператора має при ступеня свободи і припускає розворот її навколо трьох осей. w xг ¹ 0 - розворот навколо осі ОХи; w уг ¹ 0 - розворот навколо осі ОYи; w zг ¹ 0 - розворот навколо осі OZи. Таким чином, для проведення вимірювання тільки азимутального розвороту необхідно провести операцію по усуненню додаткових розворотів w xг , w zг , тобто провести операцію по їх обнулінню: w хг = 0; w zг = 0 . У даному випадку буде вимірюватись кутова швидкість азимутального розвороту у базовій системі координат: w и =wy. y Запропонований пристрій складається з таких блоків (фіг. 6): 3 30199 1 - візир; 2 - блок вимірювання параметрів розвороту; 3 - блок завдання початку відліку; 4 - запам'ятовуючий пристрій; 5 - суматор; 6 - інтегратор. Структурна схема візиру (фіг. 7) включає розташовані на нульовій лінії візування очі оператора 7, нахилену напівпрозору пластину 8, вхідний об'єктив 9, виконаний, наприклад, у вигляді лінзового об'єктиву. У фокальній поверхні об'єктиву 9 розміщено марку-сітку 10 та фокальний сферичний ріверь 11. Марка-сітка 10 і фокальний рівень 11 освітлюються джерелом випромінювання 12. На зовнішній поверхні фокального рівня 11, співпадаючою з фокальною поверхнею об'єктиву 9, нанесено коло (контрольна мітка 13), діаметр якої більше діаметру п ухирця 14 (стабілізована мітка) рівня 11. Рівень 11 вважається горизонтованим, якщо діаметр пухирця 14 розташований концентрично відносно кола 13. При побудові кутів візування світло від джерела випромінювання 12 проходить крізь марку-сітку 10 та фокальний рівень 11 і попадає до об'єктиву 9. Далі світло відбивається від нахиленої напівпрозорої пластини 8 та потрапляє до ока оператора 7 у вигляді колимованого випромінювання. Оператор суміщує зображення марки-сітки 10 з об'єктом, при цьому зображення діаметру пухирця 14 сферичного фокального рівня 11 повинно знаходитись у межах зображення кола 13. У запропонованому пристрої обнуління параметрів w xг = 0 та w zг = 0 виконується шляхом Запропонований пристрій працює наступним чином. На початку робочого циклу оператор виконує операцію прив'язки системи координат вимірювача блоку вимірювання параметрів розвороту 2 до базової системи координат. Для цього він розворотом голови суміщає перехрестя візиру 1 (орієнтує ось візиру) з реперною міткою прив'язочного вузлу об'єкту, що задає напрямок відліку кутів візування і натискає кнопку блоку задания початку відліку 3. При цьому сформована команда СКИД (потенціал) з виходу блоку 3 поступає на другі входи запам'я товуючого пристрою 4 та інтегратору 6. За цією командою виконується запис до запам'ятовуючого пристрою 4 накопичених помилок вимірювача кутової швидкості wy блоку 2, (реле вмикає ланцюги запису початкових умов). Інтегратор 6 за командою СКИД установлюється в режим зануління (спрацьовує ключ зануління). При відпусканні кнопки блоку завдання початку відліку 3 (зняття команди СКИД) запам'ятовуючий пристрій 4 установлюється до режиму зберігання. При цьому на суматорі 5 виконується підсумовування накопичених помилок вимірювача кутової швидкості (вхід 1) зі збереженим значенням цих помилок із протилежним знаком (вхід 2), що у підсумку призводить до зануління похибок вимірювача на момент прив'язки. По зняттю команди СКИД інтегратор 6 переводиться до режиму інтегрування (вимикається ключ зануління). Оператор розворотом голови виконує наведення та утримання лінії візування на об'єкті, який його зацікавив. Утримання лінії візування виконується з одночасним горизонтуванням блоку вимірювання параметрів розвороту 2 шляхом утримання пухирця 14 фокального рівня 11 у границях обрамляючого його кола 13. Сигнал кутової швидкості wу з виходу суматору 5 надходить на 1 вхід інтегратору 6, де виконується обчислення азимутального куту орієнтації осі візиру jу за формулою: стабілізації вимірювача wу утриманням пухирця 14 фокального сферичного рівня 11, введеного до візиру 1, у межах обрамляючого пухирець кола 13. При порушенні горизонтування площини Хи ОZ и, тобто при нахилі вимірювальної осі OYи пухирець 14 рівня 11 виходить за границі обрамляючого його кола 13. При цьому wи ¹wу (див. фіг. 3-5). y Завдання оператора при візуванні вибраних об'єктів полягає в утриманні пухирця 14 рівня 11 у обрамляючому його колі 13 (висвітлюється у полі зору). Марка-сітка 10 може бути виконана, наприклад, на склі або на металі у вигляді прозорого перехрестя на темному фоні, а фокальний сферичний рівень 11 може бути виконаний відповідно фіг. 4.69. стор. 253 [1]. Блок вимірювання параметрів розвороту 2 являє собою вимірювач кутової швидкості, наприклад, малогабаритний датчик типу ТВК-16, жорстко закріплений на захисному шоломі оператора і механічно сполучений з візиром 1. Блок завдання початку відліку 3 виконано, наприклад, у вигляді комутуючої кнопки типу КМІ-1, яка забезпечує формування команди СКИД (при натисканні) шляхом підключення до виходу блоку опорної напруги. Запам'ятовуючий пристрій 4 виконано, наприклад, за схемою, поданою у розділі 4-5-3 [2]. Суматор 5 виконано, наприклад, за схемою сумуючого підсилювача, поданого на фіг. 3.18 [3]. Інтегратор 6 виконано, наприклад, за схемою, що подано на фіг. 3.44а [3]. t2 j y = ò wy dt, t1 де: t2-t 1 - часовий інтервал виконання виміру. Обчислене значення азимутального куту j у надходить для обробки до систем об'єкту. Аналіз побудови запропонованого пристрою визначення орієнтації осі візиру показує, що його створення не вимагає використання нерухомих юстованих площадок, винесених відносно рухомої основи з розташуванням безпосередньо зблизу його та забезпечує дистанційне визначення пеленгів на реперні елементи рухомої основи. Відсутність нерухомої юстуємої площадки в запропонованому пристрої дає йому великі переваги при використанні у різних галузях техніки із-за незалежності його розташування на об'єктах, обумовленою можливістю створення єдиного візирновимірювального блоку, що встановлений на рухомій основі, наприклад, на шоломі оператора. При цьому слід відзначити, що притаманні пристрою-прототипу похибки при роботі у статичних і динамічних режимах, які обумовлені наявністю проміжних ланцюгів, при дистанційному визна 4 30199 ченні кутів візування, повністю відсутні при здійсненні безпосереднього вимірювання параметрів розвороту р ухомої основи. Таким чином, використання запропонованого пристрою у порівнянні з прототипом, надає великий економічний ефект, оскільки розширює використання пропонуємого пристрою у різних галузях науки і техніки при збільшенні точності визначення кутів візування у статичних та динамічних режимах роботи за рахунок одночасного візування обраних об'єктів при розворотах рухомої основи і безпосереднього вимірювання заданих розворотів на самій рухомій основі, у даному випадку азимутального (горизонтального) розвороту при стабілізації системи відліку за стабілізованою міткою візиру. Реалізація у запропонованому пристрої єдиного візирно-вимірювального блоку, встановленого на рухомій основі (захисному шоломі оператора), що забезпечує безпосередньо вимірювання параметрів кутового розвороту рухомої основи при стабілізації системи відліку по стабілізованій мітці візиру, обумовлює видачу кутів візування у вільному просторі зв'язаному з Землею і надає можливість роботи пристрою визначення орієнтації осі візиру, як на нерухомих об'єктах, так і на рухомих транспортних засобах за ура хуванням руху об'єкту у власних трактах керування. Джерела інформації 1. "Довідник конструктора оптико-механ. приладів." М.Я. Кр угер та інші. Вид-во "Машиностроение", Л., 1980 p. 2. И.М. Те тельбаум, Ю.P. Шнейдер "400 схем для АВМ", М., "Энергия", 1978 p. 3. П. Хоровец, У. Хилл "Искусство схемотехники", т. 1, М., "Мир". 1986 р. Фіг. 1 5 30199 Фіг. 2 6 30199 Фіг. 3 Фіг. 4 7 30199 Фіг. 5 Фіг. 6 8 30199 Фіг. 7 Фіг. 8 Фіг. 9 __________________________________________________________ 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. Тираж35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 9