ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F41G7/00 

Изобретение относится к функциональным элементам систем автоматического управления (САУ) и м.б. использовано для автосопровождения (а.с.) различного рода источников оптического излучения, в частности звезды.

Среди многочисленных систем, предназначенных для поиска, захвата и а.с. как неподвижных, так и движущихся источников излучения значительное место занимают устройства для наведения оптических приборов на какую-либо звезду с последующим удержанием ее в поле зрения прибора. Такие системы используются в частности для наведения оси главного зеркала оптического телескопа на какой-либо космический источник оптического излучения.

В последнее десятилетие в связи с использованием в телескопах сегментированных главных зеркал оптико-электронные следящие системы (ОЭСС) стали использоваться еще и в так называемых системах оценки качества оптического тракта (СООТ), т.е. в системах, позволяющих оценить степень отклонения сегментированных поверхностей от сплошной зеркальной поверхности (эталон).

В работе описывается такая система, используемая для оценки качества сегментированного главного зеркала телескопа башенного типа. Эта система, принятая за прототип, функционально представлена на фиг. 1, где обозначено:
1 фотоприемное устройство (ФПУ)
2 блок формирования сигнала управления (БФСУ)
3 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
4 аналоговый усилитель мощности (Ц.М)
5 исполнительный двигатель (И.Д.)
6 механическая передача
7 зеркало (объект управления)
Представленная схема практически ничем не отличается от систем а.с. используемых в теплопеленгаторах (Т.П.) или оптических головках самонаведения (О.ГС.). Однако к ее качественным показателям представляются повышенные требования, прежде всего к точности (ошибка слежения), которая не должна превышать долей угловой секунды. Дело в том, что оценка качества сегментированной поверхности основывается на сравнении эталонной интерферограммы, характеризующей собранную и отъюстированную поверхность с интерферограммами, периодически снимаемыми в процессе эксплуатации телескопа. При снятии рабочих интерферограмм в качестве источника излучения используется какая-либо определенная задача, на которую и д.б. направлена ось главного зеркала. Очевидно, что при полном совпадении оси зеркала, с линией визирования (Л.В) разница в интерферограммах будет определяться только рассогласованием сегментов друг относительно друга. Информация о рассогласовании посредством датчиков положения поступает в систему управления положением сегментов, которая приводит форму зеркала к эталонной.

Высокие требования к точности обусловили выбор функциональных элементов системы а.с. Так, в качестве чувствительного элемента выбрана твердотельная, многоэлементная матрица. Здесь преобразование оптического излучения происходит в фоточувствительных элементах из пироэлектрика, а их опрос производится с помощью П.З.С. Использования такого ФПУ позволяет с большой точностью производить измерение рассогласования, а в качестве привода объекта управления используется моментный двигатель с передачей в виде винтовой пары, обеспечивающей высокую точность и плавность угловых перемещений зеркала.

Эксперименты показали, что рассмотренная выше системы удерживает с заданной точностью ось телескопа относительно Л.В. Однако, для арбитального телескопа, когда скорость перемещения изображения звезды по ФПУ составляет (10-12) "/с и при воздействии различных внешних возмещений, носящих толчкообразный, линейнонарастающий и гармонический характер, заданная ошибка не обеспечивается. Это показало также и математическое моделирование контура а. с. с имитацией указанных внешних возмущений. Моделирование показало также, что причиной этого является недостаточное для орбитальных условий быстродействие контура а.с. ограниваемое с одной стороны чистым запаздыванием, вносимым ПЗС и цифровым способом формирования сигнала управления, а с другой наличием нелинейности типа "сухое трение", свойственное винтовой паре. Поскольку по многим другим показателям рассмотренный контур а.с. удовлетворяет разработчиков орбитальных телескопов, представляется целесообразным поиск путей для расширения функциональных возможностей контура а.с. с целью его использования и в орбитальных телескопах.

Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей контура а.с. посредством увеличения его быстродействия при сохранении прочих показателей качества, прежде всего устойчивости. Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные фотоприемное устройство и блок формирования сигнала управления (БФСУ), а также последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), усилитель мощности (УМ), исполнительный двигатель (ИД), механическую передачу (МП) и зеркало, введено цифровое корректирующее устройство (Ц.К.У.), состоящее из последовательно соединенных упредителя, линейного корректирующего звена (Л. К. З) и сумматора Σ также генератора прямоугольных сигналов (Г.П.С), выходом соединенного со вторым входом сумматора при этом вход упредителя соединен с выходом БФСУ, а выход сумматора подключен ко входу ЦАП. Функциональная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2, где обозначено.

1. фотоприемное устройство (ФПУ)
2 блок формирования сигнала управления (БФСУ)
3 цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
4 усилитель мощности (УМ)
5 исполнительный двигатель (ИД)
6 механическая передача
7 зеркало
8 цифровое корректирующее устройство (Ц.К.У), состоящее из
9 упредителя,
10 линейного корректирующего звена (Л.К.З),
11 сумматора (S) и
12 генератора прямоугольных сигналов (Г.П.С)
Одним из перспективных направлений повышения быстродействия является введение упреждения в канале формирования сигнала управления. Для компенсации запаздывания, вносимого ФПУ и БФСУ используются упредители, повышающие запас устойчивости по фазе, но снижающие его по амплитуде.

Влияние упредителя на устойчивость системы определяется его порядком и величиной упреждения. Были исследованы линейных и квадратичные упредителя. Последние обеспечивают большой запас по фазе и в меньшей степени (по сравнению с другими) снижают запас по амплитуде. Поэтому в предлагаемой системе а. с. используется квадратичный упредитель, уравнение которого м.б. записано так

U_{упр.(КТ)} сигнал на выходе упредителя
n величина упреждения
T шаг квантования, определяемый размерами аберрационного пятна
квантованный сигнал на выходе БФСУ.

Другим направлением является компенсация нелинейности "сухое трение". Она достигается подачей на ИД периодической последовательности прямоугольных импульсов

U_тр напряжение, при котором происходит трогание двигателя
Е [. операция взятия целой части числа
K подбирается экспериментально
Прямоугольные импульсы приводят двигатель в колебательное движение, достаточно большой частоты, что способствует минерализации присущей винтовой паре нелинейности.

Выше было отмечено, что повышение быстродействия не должно сопровождаться потерей устойчивости. Однако введение упредителя снижает ее запас и без того небольшой из-за использования моментного двигателя представляющего собой динамическое звено с астатизмом второго порядка, до критической величины. Поэтому предусматривается введение линейного корректирующего звена (Л. К. З), приводящего всю систему к устойчивому состоянию. Синтез Л.К.З производился, исходя из условия обеспечения максимума физочастотной характеристики (ФЧХ) на частоте среза. Для обработки скачкообразных входных воздействий использовалось звено 2-го порядка.

и для отработки скоростных и гармоничных воздействий звено третьего порядка

Для оптимизации параметров предлагаемых средств коррекции была разработана математическая модель контура а.с. Моделирование показало, что при использовании в качестве Л.К.З звена 2-го порядка оптимальным является упреждение на 1,5 периода дискретизации сигнала ошибки, т.е.

а для Л.К.З 3-го порядка упреждения на 1,25 периода, т.е.

.

Данные величины упреждения при компенсации запаздывания на два периода дискретизации сигнала ошибки в сочетании с соответствующим Л.К.З обеспечивают для скорректированной системы запасы по фазе и модулю, позволяющие реализовать необходимые динамические характеристики.

В результате сравнения выходного и входного сигналов на выходе ФПУ появляется электрический сигнал, несущий информацию о положении источника в поле зрения прибора. Этот сигнал преобразуется блоком (2) в цифровую форму и поступает в Ц.К.У (8). Далее сигнал поступает в ЦАП и оттуда на аналоговый усилитель мощности. ИД (4) через передачу (5) разворачивает зеркало на угол, соответствующий мгновенному значению координаты центра изображения звезд с целью точного совмещения центра изображения звезды с центром ФПУ.

Таким образом использование БФСУ, раелизованного на базе микропроцессора, а также ЦКУ обуславливают квалификацию предлагаемого устройства как цифровой системы с прерыванием сигнала ошибки в которой для обеспечения плавного и точного перемещения зеркала используется привод, преобразующий угол поворота двигателя сначала в линейное перемещение, затем в угол поворота зеркала и, наконец, в линейное перемещение центра ФПУ.

В настоящее время на нашем предприятии изготовлены и опробованы два макета предлагаемой системы а.с. выполненные в виде конструктивов. Указанные системы могут найти себе применение не только в системах астронавигации, но и с любых других адаптивных оптических системах и, следовательно, их серийный выпуск м.б. экономически целесообразен.

Изобретение относится к функциональным элементам систем автоматического управления и м.б. использовано для автосопровождения различного рода источников оптического излучения, в частности звезды. Изобретение решает задачу расширения функциональных возможностей контура автосопровождения посредством увеличения его быстродействия при сохранении прочих показателей качества, прежде всего устойчивости. Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные фотоприемное устройство и блок формирования сигнала управления, а также последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь, усилитель мощности, исполнительный двигатель, механическую передачу и зеркало, введено цифровое корректирующее устройство, состоящее из последовательно соединенных упредителя, линейного корректирующего звена и сумматора Σ , а также генератора прямоугольных сигналов, выходом соединенного со вторым входом сумматора, при этом вход упредителя соединен с выходом блока формирования сигнала управления, а выход сумматора подключен ко входу цифро-аналогового преобразователя. Предложенное устройство обеспечивает плавное и точное перемещение зеркала с использованием привода преобразующего угол поворота двигателя сначала в линейное перемещение, затем в угол поворота зеркала и, наконец, в линейное перемещение центра ФПУ. Указанные системы могут найти применение не только в системах астронавигации, но и в любых других адаптивных оптических системах. 2 ил.

Оптико-электронная система автосопровождения, содержащая последовательно соединенные фотоприемное устройство и блок формирования сигнала управления, а также последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности, исполнительный двигатель, механическую передачу и зеркало, отличающаяся тем, что в нее введены цифровое корректирующее устройство, состоящее из последовательно соединенных упредителя, линейного корректирующего звена и сумматора, а также генератора прямоугольных сигналов, выходом соединенного с вторым входом сумматора, при этом выход блока формирования сигнала управления подключен к входу упредителя, а выход сумматора соединен с входом цифроаналогового преобразователя.