СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ Российский патент 2004 года по МПК G02B27/64 

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к гиростабилизированным устройствам, размещаемым на подвижных объектах для обеспечения поля зрения, получения неподвижного изображения и управления линией визирования оптических приборов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Известна система стабилизации изображения на подвижном основании [1], которая содержит платформу, установленную в подшипниках корпуса и обладающую свободой вращения вокруг вертикальной оси. В подшипниках платформы установлены зеркало и рамка с двумя одноосными гиростабилизаторами, при этом горизонтальная ось вращения зеркала связана с горизонтальной осью вращения рамки ленточной передачей 1:2. На горизонтальной оси вращения рамки и вертикальной оси платформы установлены моментные двигатели. Одноосные гиростабилизаторы установлены в рамке таким образом, что их выходные оси параллельны оси платформы и горизонтальной оси зеркала. Для обеспечения стабилизации датчики угла одноосных гиростабилизаторов электрически связаны с моментными двигателями через усилители.

Недостатком этой системы стабилизации является наличие незатухающих колебаний зеркала в горизонтальной плоскости в условиях вибрации объекта, обусловленных применением в качестве стабилизирующего устройства одноосного гиростабилизатора, имеющего низкую резонансную частоту нутационных колебаний, находящуюся в диапазоне частот вибраций, возникающих при движении объекта.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система стабилизации изображения на подвижном основании [2], содержащая индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней датчиком изображения, карданов подвес в виде наружной и внутренней рам, астатический трехстепенной гироскоп с моментными датчиками, датчиками угла поворота рамок гироскопа, усилители стабилизации по каждому каналу, приводы рам подвеса, систему управления платформой, содержащую в каждом канале усилительное звено, два ключа, ограничители сигнала арретирования, инверторы, масштабные усилители, сумматор, пороговое устройство и ограничитель тока двигателя привода карданова подвеса, определенным образом соединенные между собой.

Недостатками данной системы являются недостаточно высокая точность стабилизации, обусловленная дрейфом гироскопического датчика угла (ГДУ), а также невозможность получения высоких скоростей управления вследствие перегрева датчиков момента (ДМ) управляющим током.

Задачами, на решение которых направленно настоящее изобретение, являются повышение точности стабилизации и скоростей управления ГДУ при одновременном обеспечении теплового режима ДМ.

Поставленная задача решается за счет того, что в системе стабилизации изображения на подвижном основании, содержащей индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней зеркалом, карданов подвес в виде наружной и внутренней рам, трехстепенной гироскопический датчик угла (ГДУ) с датчиками момента (ДМ) и датчиками угла поворота ротора (ДУПР) ГДУ, выходы которых через усилительно-корректирующие устройства (УКУ) соответствующих каналов стабилизации соединены с входами датчиков стабилизации (ДС) рам подвеса, два канала управления скоростью разворота платформы (КУСРП) с усилительным звеном (УЗ) в каждом канале, подключенным к входу соответствующего ДМ ГДУ, два пороговых устройства для защиты ротора (ПУЗР) ГДУ от удара об механические упоры, своими входами подключенные к ДУПР ГДУ, а выходами через первый и второй сумматоры подключенные к первым входам УЗ КУСРП, и два устройства защиты от перегрева (УЗП) ДС, соединенные с УКУ каждого канала стабилизации, согласно изобретению, ГДУ установлен на вспомогательной оси, которая через ленточную передачу 1:2 связана с зеркалом, а в систему дополнительно введены устройство компенсации ошибки ленточной передачи (УКОЛП), два устройства защиты от перегрева (УЗП) ДМ ГДУ, два устройства компенсации дрейфа линии визирования (УКДЛВ) и датчики угла вертикального и горизонтального наведения, соединенные со входами УКДЛВ, причем датчик угла вертикального наведения соединен также со входом УКОЛП, выход которого соединен через третий сумматор со входом УКУ по каналу вертикального наведения, выходы УКДЛВ соединены через первый и второй сумматоры с первыми входами УЗ КУСРП, входы УЗП ДМ ГДУ соединены с выходами УЗ КУСРП, а их выходы - со вторыми входами УЗ КУСРП.

Признаками, отличающими предложенную систему стабилизации изображения от известной (прототипа), являются дополнительное введение УКДЛВ и датчиков угла вертикального наведения (ДУ ВН) и горизонтального наведения (ДУ ГН), что позволяет значительно снизить дрейф линии визирования и, таким образом, изображения и в конечном счете повысить точность стабилизации.

Изобретение поясняется фиг.1-4. На фиг.1 изображена структурно-кинематическая схема предложенной системы стабилизации изображения на подвижном основании (ССИПО); на фиг.2 - структурная схема реализации УЗП ДМ; на фиг.3 - график зависимости между входным и выходным напряжениями ПУЗР; на фиг.4 - структурная схема УЗП ДС.

Предложенная система (фиг. 1) содержит индикаторную гироскопическую платформу, в которую входит ГДУ, состоящий из гиромотора 1, ДМ 2, 3 и ДУ ПР 4, 5. Кроме того, платформа содержит вспомогательную ось 6, на которой установлен ГДУ, ленточную передачу 7, которая механически связывает ось 6 ГДУ со стабилизируемым зеркалом 8. Изображение от зеркала 8 попадает на датчик изображения (условно не показан). Зеркало 8 также механически связано с ДС 9, который вместе с УКУ 10 и ДУ 4 образует систему стабилизации зеркала 8 по оси вертикального наведения. Ось 6 ГДУ и зеркало 8 установлены в подшипниках наружной рамы 11 карданова подвеса, а внутренней рамой служит само зеркало 8. Рама 11 установлена в подшипниках 12 подвижного основания ССИПО. Рама 11 механически связана с ДС 13, который вместе с УКУ 14 и ДУ 5 образуют систему стабилизации зеркала 8 по оси горизонтального наведения. Помимо этого платформа содержит два УЗ 15, 16, которые соединены соответственно с ДМ 3 и 2. К УЗ 15 и 16 подключены УЗП ДМ 17 и 18. На входе УЗ 15, 16 включены первый и второй сумматоры 19, 20 соответственно, на которые поступают сигналы с ПУЗР 21, 22, включенные между выходами ДУ 4 и 5 соответственно и сумматорами 19, 20. На сумматоры 19, 20 также поступают напряжения от УКДЛВ, состоящих из дифференциаторов 23, 24, ключей 25, 26 и интеграторов 27, 28, включенных последовательно. Кроме того, на сумматоры 19, 20 поступают напряжения U_упрωгн и U_упрωвн с пульта управления ССИПО (условно не показан) для управления скоростью наведения линии визирования. На дифференциаторы 23, 24 поступают напряжения с выходов ДУ ГН 29 и ДУ ВН 30. Сигнал с выхода ДУ ВН 30 также подается на вход УКОЛП 31, напряжение с выхода которого через третий сумматор 32 подается на вход УКУ 10. К УКУ 10 и 14 подключены УЗП ДС 33 и 34.

На фиг.2 показана структурная схема УЗП ДМ 17 (18), которое содержит сумматор 35, соединенный своим выходом со входом УРС 36, выход которого управляет ключами 37, 38, которые через диоды 39, 40 шунтируют выход буферного усилителя 41 через токоограничивающий резистор 42. Выход усилителя 41 через резистор 42 соединен с входом усилителя 43 мощности, к выходу которого подключен ДМ 2 (3) (в зависимости от того, какой канал рассматривается, так как они полностью идентичны). Буферный усилитель 41 и усилитель 43 мощности не входят в состав УЗП ДМ, а являются составной частью УЗ соответствующего канала.

Структурная схема УЗП ДС 33 (34) показана на фиг.4. Это устройство содержит интегратор 44, напряжение с выхода которого поступает на вход порогового устройства 45, выход которого управляет ключом 46, который подключает ко входу усилителя 47 мощности двухполярный ограничитель напряжения, состоящий из токоограничивающего резистора 48 и двуханодного стабилитрона 49. Напряжение на вход усилителя 47 мощности подается с выхода корректирующего усилителя 50 через резистор 48. К выходу усилителя 47 мощности подключен ДС 9 (13) (в зависимости от канала). Усилители 50 и 47 не относятся к УЗП ДС 33 (34), а входят в состав УКУ соответствующего канала.

Предложенная система стабилизации изображения на подвижном основании (фиг.1) работает следующим образом:
В подшипниках наружной рамы 11 карданова подвеса установлена ось 6 гироскопического датчика угла (ГДУ); гиромотор 1 установлен на оси 6 ГДУ через сферический подшипник, обеспечивающий гиромотору 1 три степени свободы. ГДУ содержит датчики 2, 3 моментов (ДМ_у, ДМ_z) для управления скоростью разворота гиромотора 1 в пространстве управляющими сигналами U_упрωвн и U_упрωгн через усилители 15, 16 (УЗ_у, УЗ_z) и датчики 5, 4 углов (ДУ_у, ДУ_z) гиромотора 1 относительно оси 6 ГДУ по двум взаимно перпендикулярным осям. Ось 6 ГДУ через ленточную передачу 7 1:2 механически связана с осью стабилизируемого зеркала 8, при этом направление линии визирования параллельно направлению вектору кинетического момента Н гиромотора 1. Датчик 30 угла вертикального наведения (ДУ ВН) измеряет положение оси 6 ГДУ, а значит, и линии визирования относительно подвижного основания ССИПО. На оси зеркала 8 установлен датчик 9 стабилизации вертикального наведения (ДС ВН), который совместно с усилительно-корректирующим устройством 10 (УКУ) и датчиком 4 угла (ДУ_z) ГДУ образует следящую систему, стабилизирующую положение линии визирования в пространстве по вертикали.

Наружная рама 11 карданова подвеса установлена в подшипниках 12 корпуса ССИПО, между внутренней рамой и корпусом установлен датчик 13 стабилизации горизонтального наведения (ДС ГН), который совместно с усилительно-корректирующим устройством 14 и датчиком 5 угла (ДУ_у) ГДУ образует следящую систему, стабилизирующую положение линии визирования в пространстве по горизонту. Датчик 29 угла горизонтального наведения (ДУ ГН) измеряет положение линии визирования относительно подвижного основания ССИПО.

В предложенной ССИПО использована ленточная передача 7 1:2. Отклонение коэффициента ленточной передачи 7 от 1:2, связанное с погрешностью изготовления деталей, приводит к появлению дополнительной составляющей ошибки стабилизации линии визирования при качке подвижного основания по вертикали. УКОЛП 31 представляет собой усилитель с регулируемым в пределах от - К_п до + К_п (определяемых величиной погрешности изготовления деталей ленточной передачи) коэффициентом передачи. УКОЛП 31 из сигнала датчика 30 угла (ДУВН), механически связанного с ленточной передачей 7, формирует сигнал компенсации, который суммируется с сигналом ДУ_z 4 и на величину ошибки коэффициента ленточной передачи 7 Δϕ, зависящей от угла поворота линии визирования относительно подвижного основания, поворачивает линию визирования относительно вектора Н на величину Δϕ, компенсируя, таким образом, ошибку ленточной передачи 7.

В ССИПО также имеются защитные устройства, которые служат для защиты от перегрева датчиков 2, 3 момента (ДМ) ГДУ и датчиков 9, 13 стабилизации (ДС) (на фиг.1 соответственно УЗП ДМ 17, 18 и УЗП ДС 33, 34), а также гиромотора 1 ГДУ от удара об механические упоры (на фиг.1 - ПУЗР 21, 22).

Структурная схема устройств 17, 18 защиты от перегрева датчиков 2, 3 момента (УЗПДМ) ГДУ показана на фиг.2 (показан один из каналов управления скоростью наведения).

Особенностью данной схемы является наличие обратной связи по температуре датчиков 2, 3 момента; в качестве термодатчиков используются обмотки самих датчиков 2, 3 момента.

Напряжения на входах сумматора 35 (С) связаны соотношениями:
U_дм=I_выхум•R_дм,
I_выхум= U_вxум•К_п (усилитель 43 мощности (УМ) выполнен в виде преобразователя напряжение - ток).

Тогда: U_дм=U_вхум•К_п•R_дм.

Сопротивление датчика 2 (3) момента в соответствии с известной формулой равно R_дм = R_дм0•(1+α•t_дм).

Тогда U_дм = U_вхум•K_п•R_дм0(1+α•_дм).

При t_дм<t_maxдоп
|U_дм|<|U_вхум|, разница этих двух напряжений усиливается усилителем 36 разностного сигнала (УРС) и управляет одним из электронных ключей 37, 38 (ЭК) в зависимости от полярности выходного напряжения УРС 36. Схема сфазирована таким образом, чтобы при этом открывался тот электронный ключ 37, 38, который через соответствующий диод 39, 40 (Д) шунтировал ту полярность выходного напряжения буферного усилителя 41 (БУ), которая противоположна действующей на выходе этого усилителя. При t_дм > t_maxдоп знак разности U_дм - U_вxум меняется на противоположный и в результате открывается другой электронный ключ 37, 38 (ЭК) и шунтирует действующую на выходе БУ 41 полярность выходного напряжения. В схеме возникает ООС по температуре, которая стремится препятствовать увеличению температуры датчиков 2, 3 момента t_дм > t_maxдоп. При этом одновременно с защитой ДМ 2, 3 от перегрева удается получить максимально возможную скорость наведения линии визирования.

Для защиты гиромотора 1 ГДУ от удара об механические упоры, возможность которого обусловлена небольшими рабочими углами ГДУ (±45') и ограниченными рабочими углами рам карданова подвеса, которые меньше возможных углов поворота подвижного основания, введена связь между датчиками 5, 4 угла (ДУ_у и ДУ_z) ГДУ и сумматорами 19, 20 на входах усилителей 16, 15 (УЗ_у) и (УЗ_z) датчиков 2, 3 момента ГДУ через пороговые устройства 21, 22 (ПУЗР) (см. фиг.1) с характеристикой, приведенной на фиг.3.

При углах гиромотора 1, меньших рабочих углов ГДУ, выходные напряжения ДУ_у 5 и ДУ_z 4 меньше |±U_пop|, связи между ДУ_у 5, ДУ_z 4 и УЗ_у 16, УЗ_z 15 отсутствуют. Пороговые напряжения ±U_nop выбраны соответствующими углам гиромотора 1, меньшим рабочих углов ГДУ на величину запаса, обусловленного максимальной скоростью поворота подвижного основания, когда рамы карданова подвеса находятся на механических упорах.

При напряжениях с датчиков 5, 4 угла (ДУ_у и ДУ_z), больших |±U_пop|, на входах сумматоров 19, 20 появляются напряжения, пропорциональные угловым скоростям подвижного основания с рамами карданова подвеса, находящимися на механических упорах, которые сфазированы с датчиками 2, 3 момента ГДУ таким образом, чтобы датчики 2, 3 моментов поворачивали гиромотор 1 в направлении поворота подвижного основания, препятствуя таким образом достижению гиромотором 1 механических упоров, находящихся в ГДУ и ограничивающих рабочие углы ГДУ.

Структурная схема устройств 33, 34 защиты от перегрева датчиков 9, 13 стабилизации (УЗПДС) при нахождении рам карданова подвеса на механических упорах приведена на фиг.4 (для одного из каналов стабилизации).

В усилительно-корректирующее устройство 10 (14) (УКУ) (на фиг.4 состоит из корректирующего усилителя 50 (КУ) и усилителя 47 мощности (УМ)) введены интегратор 44 (И), пороговое устройство 45 (ПУ), электронный ключ 46 (ЭК), двухполярный ограничитель напряжения на элементах 48, 49 (R_огр и V_огр). Напряжение на выходе КУ 50 пропорционально ошибке стабилизации линии визирования, и при нахождении рам карданова подвеса вне зоны механических упоров постоянная составляющая этого напряжения близка к нулю. Коэффициенты передачи интегратора 44 по постоянной и переменной составляющей выходного напряжения КУ 50 определяются элементами R_и, С_и, входящими в состав интегратора 44, и выбраны такими, чтобы при максимальных величинах ошибки стабилизации, обусловленных максимальными углами и угловыми скоростями подвижного основания ССИПО, напряжения на выходе интегратора 44 были меньше пороговых напряжений ПУ 45. При достижении рамами карданова подвеса механических упоров на выходе КУ 50 появляется постоянная составляющая напряжения, пропорциональная отклонению рам карданова подвеса от гиромотора 1 ГДУ, стабилизированного в пространстве, и, следовательно, на выходе И 44 также появляется постоянное напряжение. При достижении этим напряжением величины ±U_пор на выходе ПУ 45 появляется логический сигнал, открывающий электронный ключ 46 (ЭК), который включает на входе УМ 47 двухполярный ограничитель напряжения, состоящий из резистора 48 (R_огр) и двуханодного стабилитрона 49 (V_огр). Напряжение стабилизации стабилитрона (V_огр) 49 выбрано таким, чтобы, с одной стороны, мощность, рассеиваемая на ДС 9, 13, не превышала допустимую (с учетом возможного времени нахождении рам карданова подвеса на механических упорах), и, с другой стороны, момент, развиваемый при этом ДС 9, 13, был достаточным для преодоления трения в подшипниках при снятии рам с механических упоров.

Еще одной особенностью предложенной ССИПО является наличие устройства компенсации дрейфа линии визирования (УКДЛВ) (на фиг.1 состоит из дифференциаторов 23, 24 (Д), ключей 25, 26 (К) и интеграторов 27, 28 (И)). Устройство обеспечивает компенсацию дрейфа линии визирования при неподвижном положении объекта, на котором установлена ССИПО, относительно Земли для наблюдения за целями, неподвижными относительно Земли. Дифференциаторы 23, 24 (Д) из напряжений U_ϕвн,U_ϕгн, пропорциональных угловым положениям линии визирования относительно объекта, формируют напряжения U_ωвн,U_ωгн, пропорциональные угловым скоростям линии визирования относительно объекта. При неподвижном положении объекта относительно Земли и отсутствии управляющих сигналов U_упрωгн и U_упрωвн напряжения U_ωвн и U_ωгн пропорциональны скорости дрейфа линии визирования относительно Земли соответственно по вертикали и по горизонтали. При наличии управляющего логического сигнала "включение компенсации дрейфа" открываются электронные ключи 25, 26 (К) и напряжения U_ωвн,U_ωгн поступают на входы интеграторов 27, 28 (И), вызывая при этом рост напряжений на выходах U_компгн, U_компвн, которые поступают через сумматоры 19, 20 и усилители 16, 15 (УЗ_у и УЗ_z) на датчики 2, 3 моментов (ДМ_у и ДМ_z). Схема сфазирована таким образом, чтобы датчики 2, 3 моментов при этом вызывали прецессию, обратную по знаку дрейфу гиромотора 1 и линии визирования. По мере роста напряжений на выходах И 27, 28 происходит уменьшение дрейфа, а значит и производных от U_ϕвн и U_ϕгн (напряжения U_ωвн и U_ωгн), уменьшается скорость роста напряжений на выходах И 27, 28. Это будет происходить до тех пор, пока напряжения не станут равными:
U_ϕвн,U_ϕгн = const,
U_ωвн,U_ωгн = 0.

Если при этом снять логический сигнал "включение компенсации дрейфа", то на выходах интеграторов 27, 28 (И) "запомнятся" напряжения U_компгн и U_компвн, которые впоследствии будут компенсировать дрейф линии визирования при любом положении объекта - как неподвижном, так и подвижном.

Источники информации
1. Патент Франции 1549505, МПК F 41 G.

2. Патент РФ 2059206, МПК G 01 C 21/18, 1996 г.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к гиростабилизированным устройствам, размещаемым на подвижных объектах. Система содержит индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней зеркалом, карданов подвес в виде наружной и внутренней рам, трехстепенной гироскопический датчик угла (ГДУ) с датчиками момента (ДМ), датчиками угла поворота ротора (ДУПР) ГДУ, выходы которых через усилительно-корректирующие устройства (УКУ) соответствующих каналов стабилизации соединены с входами датчиков стабилизации (ДС) рам подвеса, два канала управления скоростью разворота платформы (КУСРП) с усилительным звеном (УЗ) в каждом канале, подключенным к входу соответствующего ДМ ГДУ, два пороговых устройства для защиты ротора (ПУЗР) ГДУ от удара об механические упоры, своими входами подключенные к ДУПР ГДУ, а выходами через сумматоры подключенные к первым входам УЗ КУСРП, и два устройства защиты от перегрева (УЗП) ДС, соединенные с УКУ каждого канала стабилизации. ГДУ установлен на вспомогательной оси, которая через ленточную передачу с коэффициентом передачи 1:2 связана с зеркалом. Система содержит устройство компенсации ошибки ленточной передачи (УКОЛП), два устройства защиты от перегрева ДМ ГДУ, два устройства компенсации дрейфа линии визирования и датчики угла вертикального и горизонтального наведения. Обеспечено повышение точности стабилизации и скоростей управления ГДУ. 4 ил.

Система стабилизации изображения на подвижном основании, содержащая индикаторную гироскопическую платформу с установленным на ней зеркалом, карданов подвес в виде наружной и внутренней рам, трехстепенной гироскопический датчик угла (ГДУ) с датчиками момента (ДМ), датчиками угла поворота ротора (ДУПР) ГДУ, выходы которых через усилительно-корректирующие устройства (УКУ) соответствующих каналов стабилизации соединены с входами датчиков стабилизации (ДС) рам подвеса, два канала управления скоростью разворота платформы (КУСРП) с усилительным звеном (УЗ) в каждом канале, подключенным к входу соответствующего ДМ ГДУ, два пороговых устройства для защиты ротора (ПУЗР) ГДУ от удара о механические упоры, своими входами подключенные к ДУПР ГДУ, а выходами через первый и второй сумматоры подключенные к первым входам УЗ КУСРП, и два устройства защиты от перегрева (УЗП) ДС, соединенные с УКУ каждого канала стабилизации, отличающаяся тем, что ГДУ установлен на вспомогательной оси, которая через ленточную передачу с коэффициентом передачи 1:2 связана с зеркалом, а в систему дополнительно введены устройство компенсации ошибки ленточной передачи (УКОЛП), два устройства защиты от перегрева (УЗП) ДМ ГДУ, два устройства компенсации дрейфа линии визирования (УКДЛВ) и датчики угла вертикального и горизонтального наведений, соединенные со входами УКДЛВ, причем датчик угла вертикального наведения соединен также со входом УКОЛП, выход которого соединен через третий сумматор со входом УКУ по каналу вертикального наведения, выходы УКДЛВ соединены через первый и второй сумматоры с первыми входами УЗ КУСРП, входы УЗП ДМ ГДУ соединены с выходами УЗ КУСРП, а их выходы со вторыми входами УЗ КУСРП.