Устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта

 

Использование: при управлении сближением и стыковкой космических аппаратов, при сборке с контролем телевизионными (ТВ) средствами крупногабаритных изделий; содержащиеся в устройстве элементы могут использоваться в различных отраслях техники, при наличии ТВ-контроля, в робототехнике, в спорте и т.п. Сущность изобретения: устройство содержит информационные элементы (ИЭ), их двухрядные последовательности и сдвоенное перекрестие. В качестве ИЭ использованы простейшие геометрические фигуры: квадраты, прямоугольники, кубы и т.п., причем плоские ИЭ двух цветов выполнены контрастными на фоне друг друга и расположены в последовательностях с чередованием цвета в шахматном порядке. Устройство позволяет обеспечить однозначность наблюдения на произвольном фоне, включая наблюдение на фоне с тенью от перекрестия, более высокую точность отсчета углов ориентации, возможность использования при облете в любой плоскости, содержащей выносную штангу (на которой установлено перекрытие); возможность контроля ориентации средствами ТВ по наблюдениям второго, сдвоенного с первым перекрытия. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к космической технике и может использоваться при выполнении в космосе операций сближения, облета, зависания, причаливания со стыковкой космических аппаратов типа "Союз" "Мир", "Прогресс" "Мир", "Шатл" "Мир" ("Фридом").

Устройство и принципы, заложенные в настоящем изобретении, могут быть также использованы в устройствах контроля ориентации взаимодействующих крупногабаритных изделий, например, в строительстве, а также в областях техники, где технологический процесс требует контроля взаимного положения соединяемых в единое целое или взаимодействующих машин, агрегатов или их деталей.

Аналогом предлагаемого устройства является мишень, используемая в настоящее время на орбитальных станциях типа "Салют" [1] Наиболее близким техническим решением из числа известных аналогов является устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта (НО), применимое в режимах сближения, облета, зависания и причаливания и содержащее устанавливаемое на НО основание и реперное приспособление, выполненное в виде по меньшей мере одного перекрестия, плоскость которого параллельна плоскости основания, расположенные на перекрестии и основании информационные элементы (ИЭ) и соединяющую основание с перекрестием выносную штангу, ось которой перпендикулярна плоскости основания [2] Недостатками известного устройства являются следующие: перекрестие устройства одноцветное, и его тень на основании может быть перепутана оператором с самим перекрестием; не обозначена ось, параллельная оси стыковки (ось выносного перекрестия), что приводит к потере точности для принятого нуль-индикаторного метода оценки точности углов ориентации, определяемой шириной полос перекрестия мишени и шириной вырезов на концах перекрестия; мишень предназначена для использования только в режиме "Причаливание" и для контроля облета не предназначалась; мишень предназначалась для наблюдения в оптические приборы коллиматорного типа и ограничивала возможность одновременного контроля за ориентацией по ней же другими средствами, например средствами телевидения.

Технический результат настоящего изобретения: улучшение наблюдаемости оптическими и телевизионными средствами устройства в целом и его отдельных частей на произвольном фоне наблюдаемого объекта и исключение возможности перепутать перекрестие с его тенью в процессе причаливания; повышение точности отсчета углов ориентации; расширение диапазонов и областей применения;
обеспечение возможности одновременного с визуальным наблюдением (для управления движением в ручном варианте сближения) контроля ориентации объекта телевизионными средствами в режимах облета, зависания и причаливания.

Указанный технический результат достигается тем, что установленные на перекрестии информационные элементы выполнены однотипными, в форме пластин с контрастными областями на каждой пластине в виде раскрашенных полей или граней с прямолинейными участками внешнего контура. На перекрестии информационные элементы расположены в последовательностях, состоящих из двух рядов с чередованием контрастных областей вдоль ряда и поперек в шахматном порядке так, что при пересечении последовательностей в центре перекрестия шахматный порядок чередования цвета не нарушается, все прямолинейные участки контрастных элементов обоих рядов двухрядных последовательностей расположены вдоль прямых линий, параллельных контролируемым осям наблюдаемого объекта. Ось штанги, проходящая в центре перекрестия через общую точку четырех центральных информационных элементов, параллельна контролируемой продольной оси НО.

В предпочтительном варианте исполнения устройства установленные на основании информационные элементы и их последовательности выполнены однотипными по геометрическим и оптическим характеристикам с информационными элементами, установленными на перекрестии так, что при наблюдении со стороны перекрестия вдоль оси выносной штанги и проходящей через центр перекрестия, соответствующие оси последовательностей информационных элементов на перекрестии, спроектированные на основание оси последовательностей информационных элементов, на основании наблюдаются как продолжение друг друга в плоскости основания.

Штанга может быть выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда с сечением в форме квадрата, а последовательности информационных элементов - выполнены однотипными по геометрическим и оптическим характеристикам с информационными элементами и их последовательностями, установленными на перекрестии и основании, и установлены вдоль граней штанги, причем их оси параллельны третьей контролируемой оси НО.

Кроме того, реперное приспособление может быть выполнено в виде двух соосных перекрестий, одна из осей которых является общей для обоих перекрестий. На перекрестиях установлены последовательности информационных элементов, ось выносной штанги проходит через середину реперного приспособления, а плоскости боковых граней штанги параллельны осям перекрестий.

Расстояние между центрами соосных перекрытий реперного приспособления может быть выбрано равным расстоянию между осями приборов для наблюдения за перекрестиями.

На фиг. 1 показан общий вид устройства согласно изобретению; на фиг. 2 - фрагмент последовательности ИЭ.

Устройство содержит реперное приспособление в виде сдвоенного перекрестия 1 с выполненными на нем ИЭ 2, расположенными в последовательностях 3 (как и на штанге 4 и основании 5), образующих прямые линии, параллельные контролируемым осям, включая ось стыковки наблюдаемого объекта, благодаря чему обеспечивается повышение точности отсчета углов ориентации. Расстояние L между центрами сдвоенного перекрестия (фиг. 1) равно расстоянию между продольной осью оптического прибора, используемого оператором для управления сближением, и осью ТВ-камеры, с помощью которой по изображению предлагаемого устройства на экране ВКУ осуществляется параллельный контроль ориентации, например, в Центре управления полетами (ЦУП).

В качестве ИЭ в устройстве используются контрастные на фоне друг друга при визуальном наблюдении с помощью телевизионной камеры черно-белого изображения, например черные и белые, плоские или объемные, одинаковые или различные по форме геометрические фигуры. В качестве плоских фигур могут быть использованы, например, квадраты, фигуры произвольной формы, которые как обязательное условие должны содержать прямолинейные участки во внешнем контуре.

Вопрос о выборе ИЭ возникает в связи с юстировкой телекамер при расчете требуемой толщины линий юстировочной мишени для наблюдения их на экране ВКУ с различных расстояний до телекамеры. Дальность наблюдения p₁, зависящая от выбранного поля зрения ТВК, ее разрешающая способность Δϕ и толщина линий Dl₁ на юстировочной мишени связаны соотношением Δl₁-p₁Δϕ, из которого следует, что линия толщиной Δl₁ на большой дальности р > p₁ в телекамере не видна, так как pΔϕ>Δl₁, а на меньшей дальности она может оказаться слишком широкой для использования при юстировке.

Уменьшение толщины линии вплоть до 0 можно осуществить практически заменой линии конечной толщины прямолинейными участками хорошо наблюдаемых ИЭ (фиг. 2). Так, грани черных квадратов a, b, c -AB, BC, CD образуют прямую линию "без толщины", или лежат на одной прямой линии, наблюдаемы от начальной дальности наблюдения всего фрагмента АВС до минимальной дальности. С уменьшением дальности от максимальной до минимальной окрестности линии АВСD (сверху и снизу от нее) средствами телевидения рассматриваются во все увеличивающемся масштабе, а сама линия во всем диапазоне дальностей как "не имеющая толщины" рассматривается на пределе разрешающей способности ТВК.

В предлагаемом устройстве ИЭ одинаковые пластины, например, квадратной формы, укрепляются на выносном перекрестии вдоль каждой из его осей, на штанге и на основании в два ряда с чередованием цвета вдоль каждого ряда, и так, чтобы ИЭ соседнего ряда контактировали с боковыми гранями с контрастными им ИЭ (в шахматном порядке). Одноцветные ИЭ обоих рядов своими гранями, контактирующими с соседним рядом, формируют в соответствии с вышеизложенным прямые линии, "не имеющие толщины". Эти линии на каждом из перекрестий и вдоль штанги принимаются за контролируемые оси наблюдаемого объекта.

Наблюдаемость мишени из ИЭ экспериментально проверена с использованием телекамеры типа КЛ-14ОСТ и может быть объяснена следующим. Темные ИЭ, расположенные рядом со светлыми или менее темными ИЭ, контрастными им, наблюдаемы на экране ВКУ во всем диапазоне, потому что линейные размеры каждого ИЭ выбраны для наблюдения с максимальной дальности (50 м). Хорошо видны и грани всех ИЭ, а контактирующие на строке горизонтальной разверстки ТВ-изображения их грани формируют прямую линию. На дальности зависания 10 м линейные размеры ИЭ 25 мм на экране ВКУ занимали 20-30 строк, что на этой дальности позволяло выполнять оценки точности ориентации мишени по крену (вокруг оси штанги) с точностью 10-15 угл.мин. Эксперименты показали, что мишень и ее элементы хорошо наблюдаемы во всем расчетном диапазоне дальностей, если размер ИЭ на экране ВКУ занимает по вертикали не менее двух строк, т.е. соответствует разрешающей способности средств ТВ. Аналогичным образом могут использоваться ребра и грани объемных фигур-кубов, параллелепипедов и т.п.

Изобретение целесообразно использовать совместно с ТВ-камерой, в которой формируется электронное перекрестие, обозначающее оси телекамеры. Толщина перекрестия две строки развертки ТВ-изображения (на экране ВКУ).

Применение устройства для решения задачи сближения и причаливания космического аппарата (КА) осуществляется следующим образом.

Управлением движения центра масс достигается выход маневрирующего КА на линию визирования пассивного КА со стороны выносной штанги (в этом ракурсе оси перекрестия наблюдаются как продолжения осей ответных ИЭ на основании); управлением движением центра масс изображение устройства перемещается в центр ВКУ, и доворотом активного КА по крену (вокруг штанги выносного перекрестия) совмещают оси перекрестия с осями электронного перекрестия телекамеры. При причаливании заданное положение относительно линии визирования стабилизируется и угловые ошибки ориентации обнуляются, поскольку точности их оценок более высокие, конечные параметры стыковки также улучшаются: уменьшается линейный промах и сокращается расход рабочего тела на 1 0-15%
Управление движением при облете может отличаться ракурсом наблюдения устройства: при облете в плоскости выносного реперного устройства ось облета параллельна оси выносной штанги, на экране ВКУ штанга параллельна вертикальной оси электронного перекрестия; при облете в любой плоскости, содержащей ось выносной штанги, проекция этой оси на вертикальную ось экрана ВКУ стабилизируется, например, в направлении, параллельном вертикальной оси электронного перекрестия телекамеры. Возможная цель облета, например, выход в положение для сближения, зависания или причаливания.

Устройство контроля согласно изобретению в равной мере применимо при управлении сближением, зависанием, причаливанием и стыковкой КА.

Устройство также может быть применимо при сборке и монтаже крупногабаритных изделий в различных отраслях техники, в строительстве, спорте и т.п.

Формула изобретения

1. Устройство контроля ориентации наблюдаемого объекта, содержащее устанавливаемое на объекте основание и реперное приспособление, выполненное в виде по меньшей мере одного перекрестия, плоскость которого параллельна плоскости основания, расположенные на перекрестии и основании информационные элементы и соединяющую основание с перекрестием выносную штангу, ось которой перпендикулярна плоскости основания, отличающееся тем, что установленные на перекрестии информационные элементы выполнены однотипными, в форме пластин с контрастными областями на каждой пластине в виде раскрашенных полей или граней с прямолинейными участками внешнего контура, при этом на перекрестии информационные элементы расположены в последовательностях, состоящих из двух рядов с чередованием контрастных областей вдоль ряда и поперек в шахматном порядке так, что при пересечении последовательностей в центре перекрестия шахматный порядок чередования цвета не нарушается, все прямолинейные участки контрастных областей информационных элементов обоих рядов двухрядных последовательностей расположены вдоль прямых линий, параллельных контролируемым осям наблюдаемого объекта, а ось штанги, проходящая в центре перекрестия через общую точку четырех центральных информационных элементов, параллельна контролируемой продольной оси наблюдаемого объекта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что установленные на основании информационные элементы и их последовательности выполнены однотипными по геометрическим и оптическим характеристикам с информационными элементами, установленными на перекрестии так, что при наблюдении со стороны перекрестия вдоль оси выносной штанги и проходящей через центр перекрестия, соответствующие оси последовательностей информационных элементов на перекрестии, спроектированные на основание и оси последовательностей информационных элементов на основании, наблюдаются как продолжение друг друга в плоскости основания.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что выносная штанга выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, с сечением в форме квадрата, а последовательности информационных элементов выполнены однотипными по геометрическим и оптическим характеристикам с информационными элементами и их последовательностями, установленными на перекрестии и основании, установлены вдоль граней штанги, причем их оси параллельны третьей контролируемой оси наблюдаемого объекта.

4. Устройство по любому из пп. 1 3, отличающееся тем, что реперное приспособление выполнено в виде двух соосных перекрестий, одна из осей которых является общей для обоих перекрестий, на перекрестиях установлены последовательности информационных элементов, ось выносной штанги проходит через середину реперного приспособления, а плоскости боковых граней штанги параллельны осям перекрестий.

5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что расстояние между центрами соосных перекрестий реперного приспособления равно расстоянию между осями приборов для наблюдения за перекрестиями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2