Система стабилизации изображения на подвижном основании

 

Система стабилизации изображения может быть использована в системах визирования с применением гиростабилизированных платформ, размещаемых на подвижном основании, в частности, на летательных аппаратах. Предлагаемая система обладает большими динамическими возможностями при применении в оптико-электронных системах, размещаемых на подвижном основании, в широком диапазоне углов, угловых скоростей и ускорений, за счет защиты рамок гироскопа и рам гиростабилизатора от прецессионного переброса и ударов о механические упоры, а также защиты от перегрузки максимальными токами при маневрах ЛА и разворотах платформы в пространстве. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гироскопическим приборам и может быть использовано при разработке оптико-электронных систем, размещаемых на подвижном основании.

Известна система стабилизации изображения на подвижном основании, содержащая индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней датчиком изображения, карданный подвес в виде наружной и внутренней рам, астатический трехстепенный гироскоп с моментными датчиками, датчиками угла поворота рамок гироскопа, выходы которых через усилители стабилизации соответствующих каналов стабилизации соединены с входами приводов рам подвеса, систему управления платформой, содержащую в каждом канале усилительное звено, подключенное к входу датчика момента гироскопа.

Компенсация возмущающих моментов производится по сигналам с индукционного датчика гироскопа через корректирующие звенья и усилители мощности моментными двигателями приводов. Управление разворотом платформы в пространстве производится подачей соответствующих сигналов на датчики моментов гироскопа.

В подобных индикаторных стабилизаторах с двухканальным трехстепенным гироскопом выходной из рамок гироскопа на упор вызывает прецессию по оси чувствительности другого канала, что приводит к потере управления гироплатформой сразу по обоим каналам: вызывает прецессионный переброс рамок гироскопа с упора на упор, а следовательно, и рам карданного подвеса, что сопряжено с ударами о механические упоры рам подвеса и гироскопа. Это также связано с большими перегрузками максимальными токами силовых элементов гироскопа и платформы: двигателей рам подвеса, датчиками моментов гироскопа, усилителями мощности и т.д.

Выход рамок гироскопа на упор возможен при развороте хотя бы одной из рам карданного подвеса на угол, больший допустимого, и соприкосновении этой рамы с механическим упором, причем управление платформой и ее стабилизация нарушаются сразу по двумя каналам Y и Z.

Выход рамок гироскопа на упор возможен также при развороте гироскопа в пространстве со скоростями и/или ускорениями большими, чем достижимые скорость или ускорение разворота рам карданного подвеса, когда под воздействием сигналов управления ротор гироскопа отклоняется от осей карданного подвеса на недопустимо большой угол.

Для предотвращения выхода рамок на упоры при маневрировании ЛА, при разворотах ТВ-камеры на большие углы в процессе слежения за целью и т.д. производится электрическое арретирование гироскопа путем охвата его обратной связью ( (через моментные датчики) по положению по сигналам датчиков углов рам карданного подвеса.

Включение системы арретирования гироскопа производится системой управления гиростабилизатором с учетом положения стабилизируемой платформы в рабочем диапазоне углов. Недостатком известной системы является ограниченность ее динамических возможностей при разворотах в пространстве стабилизируемых объектов и ЛА и связанное с этим снижение эксплуатационной надежности гиростабилизатора из-за возможных механических повреждений элементов гиростабилизатора или энергетических перегрузок его усилителей мощности, двигателя и т.д.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона системы управления платформы путем защиты рамок гироскопа и рам гиростабилизатора от прецессионного переброса и ударов о механические упоры при маневрах ЛА и разворотах платформы и в пространстве на предельные углы с максимально возможными скоростями и ускорениями.

Эта цель достигается тем, что в систему дополнительно введены в каждом канале последовательно соединенные ключ, ограничитель сигнала арретирования, инвертор, масштабный усилитель с коэффициентом К_mⁿ и сумматор по первому входу, кроме того пороговое устройство, выход которого соединен с управляющим входом ключа, соединен также через масштабный усилитель с коэффициентом К_m⁰ с вторым входом сумматора, а сигнальный вход ключа и вход порогового устройства подключены к выходу датчика угла поворота рамки гироскопа соответствующего канала, при этом К_mⁿ > K_m⁰.

Кроме того, в систему дополнительно введен в каждом канале ограничитель тока двигателя привода карданного подвеса, управляющий вход которого подключен к выходу порогового устройства.

Изобретение поясняется фиг. 1-3.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, где 1 гиростабилизированная платформа; 2 датчик изображения; 3 астатический гироскоп; 4, 5 моментные датчики гироскопа по Y, Z соответственно; 6, 7 индукционные датчики углов; 8 ротор гироскопа; 9 внутренняя рама гироскопа; 10 внешняя рама гироскопа; 11 внутренняя рама карданного подвеса платформы; 12 внешняя рама карданного подвеса платформы; 13 и 14 датчики момента приводов рам подвеса по каналам Y, Z соответственно; 15 и 16 датчики углов разворота рам подвеса по каналам Y, Z соответственно; 17-20 усилители мощности; 21-24 звенья коррекции в цепях управления и арретирования; 25 и 26 устройства защиты гироскопа от выхода на механический упор по каналам Y, Z соответственно; 27 и 28 устройства защиты двигателя от перегрузки максимальными токами по каналам Y, Z соответственно.

На фиг. 2 приведена структурная схема контура стабилизации и арретирования платформой и ее подвесом (для одного из аналогичных каналов Y и Z), где 29 ограничитель сигнала; 30 инвертор; 31 сумматор; 32 ограничитель тока в цепи двигателя рамы подвеса; 33 пороговое устройство; 34 ключ; 35 и 36 масштабные усилители.

На фиг. 1 и 2 имеются следующие обозначения: Н кинетический момент ротора гироскопа относительно его главной оси; М_р, М_в соответственно момент разгрузки и внешних возмущений, действующих на раму карданного подвеса гиростабилизатора; U_у сигнал управления; U_ДУ сигнал датчика угла гироскопа; I_у сигнал управления прецессией гироскопа (ток в цепи датчика момента); α_р угловое положение рамы подвеса относительно корпуса гиростабилизатора; α_г угловое положение рамки гироскопа.

Функционирование системы по каналам Y аналогично.

Гиростабилизатор с устройством защиты по каналу Y функционирует следующим образом.

Элементы 1, 3, 11, 18, 22, 32 образуют контур стабилизации, при работе которого по рассогласованию Δα_г=α_г-α_p между угловым положением рамки гироскопа α_г и угловым положением рамы карданного подвеса α_р двигатель рамы подвеса 13 развивает момент М_р, компенсирующий момент внешних возмущений М_в, обеспечивая стабилизацию рамы подвеса 12 в пространстве, т.е. слежение за рамкой гироскопа. Управление движением рамки гироскопа 3 в пространстве, а следовательно, и движением рамы подвеса 12 осуществляется подачей тока I_у в моментную обмотку (датчик момента 4) гироскопа 3 в соответствии с сигналом U_у, поступающим из контура управления через усилительное звено 17 контура управления.

При работе контура управления сигнал U_у определяется динамикой управления линией визирования, а также положением рам подвеса в рабочем диапазоне углов управления.

При размыкании контура управления или его неисправности сигнал U_уможет быть выдан любого значения без какой-либо связи с положением рам подвеса и допустимой в данный момент динамики их движения.

Кроме того, при размыкании контура управления и наличии собственных уходов гироскопа 3 и усилителя 17, некомпенсируемых в этом случае сигналом из контура управления, рама 12 пойдет к механическому упору. Скорость движения определяется величиной сигнала U_у и собственным уходом гироскопа.

При достижении рамой подвеса 12 механического упора размыкается контур стабилизации, так как прекращается слежение рамой 12 за положением движущейся рамки гироскопа 3, которая после остановки рамы 12 на упоре продолжает движение до своего механического упора.

После остановки рамы 12 нарастает рассогласование Δ α_г α_г α_р, соответственно нарастает сигнал U_ДУ, и ток в двигателе достигает максимального значения. Элементы 29-31, 33-36, формируют сигнал компенсации U_к f(α_г). Функциональная зависимость сигнала компенсации от сигнала рассогласования Δ α_г приведена на фиг. 3.

На фиг. 3 обозначено: Δ α_г^огр угловое рассогласование, при котором ограничитель 29 отключает положительную обратную связь по положению в контуре арретирования;
Δ α_г^уп угловое рассогласование, при котором рамка гироскопа ложится на механический упор.

Сигнал U_к используется как сигнал обратной связи по положению рамки гироскопа относительно корпуса гироскопа. Сигнал U_к суммируется с сигналом управления U_у на усилитель 17, замыкая контур арретирования рамки гироскопа относительно корпуса.

Приведенная нелинейная зависимость сигнала компенсации U_к от углового рассогласования рамки гироскопа относительно корпуса позволяет реализовать нормальную работу контура стабилизации в диапазоне углов 0 ± Δ α_г^пу (участок а зависимости, приведенной на фиг. 3). При рассогласованииΔ α_г| >Δα_г^пу| введением участка "б" с отрицательным наклоном (соответствует положительной обратной связи по рассогласованию Δ α_г) реализуется надежный выход рамки гироскопа в зону "в", где замыкается контур арретирования.

При рассогласованииΔ α_г >Δα_г^огр| (участка "в") сигнал U_ккомпенсирует все сигналы, поступающие из контура управления (U_у), сигналы ухода гироскопа и дрейфа усилителя 17, обеспечивая положение рамки гироскопа в пределах зоны отклонения до механических упоров, т.к. до Δ α_г^уп, зоны "в" это зоны работы контура арретирования с отрицательной обратной связью по рассогласованию Δ α_г.

Величина коэффициента передачи
K_Δ= на участках "в" выбрана такой, чтобы в диапазоне углов отклонения рамки сигнал U_к компенсировал реально возможные сигналы U_у и сигналы ухода гироскопа и дрейфа в любом их сочетании.

Поскольку арретирование каждой рамки гироскопа осуществляется по сигналам датчика угла той же рамки, гироскоп может находиться в состоянии, когда по одному каналу он работает в режиме стабилизации, а другая его рамка находится в арретированном положении относительно его корпуса.

Таким образом, исключается прецессионный переброс рамок гироскопа и удары их и рам подвеса о механические упоры, т.е. рамка гироскопа всегда находится в диапазоне своих рабочих углов.

Восстановление работы контура стабилизации происходит при смене полярности сигнала управления U_у, т.е. при переходе через участок "а", когда контур арретирования кратковременно размыкается и, если все исправно в системе управления и контуре стабилизации канала, то произойдет замыкание контура стабилизации и восстановление режима управления.

Аппаратурно арретирование рамок и защита усилителей и двигателей подвеса выполнена следующим образом.

При рассогласовании Δ α_г ≥ Δα_г^пу 20. Срабатывает пороговое устройство 33, управляющее ключом 34 и ограничителем тока 32, ограничивающим максимальный ток в двигателе 13 рамы подвеса 12 и усилителя мощности 18 до допустимого значения по условиям перегрева.

Одновременно ключ 34 открывает входы сумматора 31 для сигналов, поступающих с датчика угла 6 гироскопа 3. Сигнал U_ДУ проходит на сумматор 31 двумя путями: как сигнал отрицательной обратной связи через масштабный усилитель 35 и через ограничитель сигнала 29, инвертор 30 и масштабный усилитель 36 как сигнал положительной обратной связи по угловому рассогласованию Δα_г рамки гироскопа 3 относительно его корпуса (рамы подвеса 12). Коэффициенты суммирования сигналов обратных связей выбраны такими, чтобы с учетом работы порогового устройства 33 получить по форме нелинейную зависимость суммарного компенсирующего сигнала U_к от углового рассогласования Δα_г между рамкой гироскопа и его корпусом (т.е. рамой подвеса), приведенную на фиг. 3. Это обеспечивается тем, что коэффициент суммирования по цепи положительной обратной связи больше коэффициента суммирования по цепи отрицательной обратной связи (т.е. коэффициент К_mⁿ усилителя 36 больше коэффициента К_m⁰ усилителя 35).

Приведенная на фиг. 3 зависимость U_к f( Δα_г) обеспечивает компенсацию собственного ухода гироскопа 3, дрейфа усилительного звена и сигнала U_у, поступающего из контура управления в диапазонах "в" с положительным наклоном характеристики, т.е. при Δα_г^огр<Δα_г <Δα_г^уп|
Таким образом осуществляется арретирование рамки гироскопа 3 относительно лежащей на упоре рамы подвеса 12 при углах рассогласованияΔ α_г>Δ α_г^огр| когда размыкается контур стабилизации.

Участки "б" с преобладанием сигнала положительной обратной связи по Δ α_г (с отрицательным наклоном характеристики), полученные на элементах 34, 29, 30, 36, 31, обеспечивают включение контура стабилизации только после смены полярности сигналов, вызвавших движение рамы подвеса 12 на упор, а также гарантируют работу порогового устройства 33 по первому превышению сигнала U_ДУ над пороговым уровнем, что необходимо во избежание неустойчивости переключения в режим арретирования при наличии шумовой составляющей в сигнале датчика угла гироскопа.

При смене полярности сигнала управления U_у и при появлении на усилителе 17 контура управления сигнала, превышающего по величине уровень сигнала U_к в точке Δ α_г^огр, рамка гироскопа, проходя участки "б" и "а" с отрицательными и нулевыми наклонами, стремится сменить свое положение относительно рамы подвеса 12, переходя в другую зону "б" с положительным наклоном зависимости U_к f(Δα_г), т.е. стремится отойти в направлении от упора с прижатой к нему рамой подвеса 12.

При таком движении сигнал на датчике угла 6 меняет знак, проходя через нулевое значение. Пороговое устройство приΔα_г<|Δα_г^пу| снимает сигнал U_к, контур стабилизации имеет возможность устойчиво замкнуться, так как движению рамы подвеса 12 в направлении от упора ничего не препятствует и рама подвеса стремится догнать рамку гироскопа, выбирая рассогласование Δ α_г.

Так как скорость, которую может развить двигатель 13 рамы подвеса 12 даже при ограничении тока усилителя мощности 18 ограничителем 32, обеспечена выше скорости, которую может развить рамка гироскопа, рассогласование между рамкой гироскопа и рамой подвеса ликвидируется и восстанавливается нормальная работа контуров стабилизации и управления.

Предложенная система обладает большими динамическими возможностями при управлении линией визирования за счет эффективной системы арретирования и снижения токовых нагрузок силовых элементов привода рам подвеса. Система обеспечивает стабилизацию изображения в сложных условиях маневрирования ЛА и перемещения цели в пространстве.

Формула изобретения

1. СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ, содержащая индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней датчиком изображения, карданов подвес в виде наружной и внутренней рам, астатический трехстепенный гироскоп с моментными датчиками, датчиками угла поворота рамок гироскопа, выходы которых через усилители стабилизации соответствующих каналов стабилизации соединены с входами приводов рам подвеса, систему управления платформой, содержащую в каждом канале усилительное звено, подключенное к входу датчика момента гироскопа, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены в каждом канале последовательно соединенные ключ, ограничитель сигнала арретирования, инвертор, масштабный усилитель с коэффициентом Kⁿ_m и сумматор по первому входу, кроме того, пороговое устройство, выход которого соединен с управляющим входом ключа, выход ключа соединен также через масштабный усилитель с коэффициентом K^o_m с вторым входом сумматора, при этом Kⁿ_m >K^o_m ,, а сигнальный вход ключа и вход порогового устройства подключены к выходу датчика угла поворота рамки гироскопа соответствующего канала.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно в каждом канале введен ограничитель тока двигателя привода карданова подвеса, управляющий вход которого подключен к выходу порогового устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3