Способ наведения лазерного луча на объект Российский патент 2023 года по МПК G02B26/08 

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, в частности к устройствам для наведения лазерного луча на объекты в пространстве, и может быть использовано для работы в ограниченных углах точных контуров наведения двухконтурных систем наведения лазерных комплексов.

Известен способ отклонения оптического луча раздельным поворотом двух оптических клиньев вокруг оптической оси оптического прибора, параллельной развертываемому лучу [1]. Способ основан на том, что вращение в одну и ту же сторону двух одинаковых оптических клиньев, последовательно установленных по ходу луча, приводит к вращению прошедшего через клинья луча по окружности. Вращение клиньев в разные стороны на одинаковый угол приводит к перемещению в пространстве прошедшего луча по прямой линии, ортогональной оси вращения. Этот способ позволяет развертывать оптический луч по любой траектории и, в частности, по одной из следующих: розеточной, спиральной, циклоидальной, круговой и строчной, каждая из которых может быть получена только при определенном отношении скоростей вращения оптических клиньев. Такой способ развертывания оптического луча требует больших углов поворота оптических клиньев для обеспечения развертывания оптического луча по любой траектории, в том числе и для малых амплитуд развертки. Кроме того, недостатком способа является отсутствие возможности осуществлять в автоматическом режиме сопровождение и наведение луча на подвижные пространственные объекты.

Известен клиновой оптический компенсатор, реализующий способ управления в пространстве лазерным лучом с помощью оптических клиньев, содержащий два оптических клина, установленных вдоль общей оптической оси, и два автономных привода клиньев [2].

Управление лучом по данному способу основано на вычислении ошибок наведения с помощью фотоприемного устройства и использования их для управления двигателями. Недостатком этого способа является ограниченное быстродействие, вызванное наличием сложных промежуточных преобразований сигналов для сопровождения объекта, и необходимостью выполнения больших углов поворота клиньев при переходе из одного квадранта фотоприемного устройства в другой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ наведения лазерного луча на объект, включающий поворот двух оптических клиньев, установленных по ходу луча, определение угла поворота каждого оптического клина по заданным соотношениям для необходимого приращения координаты луча в прямоугольной системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства [3]. В известном способе отработку необходимого приращения координаты осуществляют в автоматическом режиме, связано поворачивая два оптических клина, одновременно управляя полярным радиусом, поворачивая клинья на одинаковые углы в разные стороны, и полярным углом, поворачивая те же клинья на одинаковые углы в одну сторону. Недостатком этого способа при использовании его для наведения лазерного излучения на пространственные объекты, произвольно перемещающиеся во всех четырех квадрантах координатно-чувствительного фотоприемного устройства, является требование разворота клиньев на большие углы при перемещении объекта из одного квадранта координатно-чувствительного фотоприемного устройства в какой-либо другой квадрант, что существенно ограничивает быстродействие лазерных систем наведения и увеличивает ошибку при наведении на высокодинамичные объекты.

Задачей изобретения является создание способа наведения лазерного луча на объект с увеличенным быстродействием и точностью при наведении на высокодинамичные объекты благодаря управлению лучом, не требующему разворота клиньев на большие углы при работе во всех четырех квадрантах координатно-чувствительного фотоприемного устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе наведения лазерного луча, включающем раздельный поворот приводами двух одинаковых оптических клиньев, установленных последовательно по ходу луча, по данным измерений координат объекта координатно-чувствительным фотоприемным устройством поле зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства смещают по обеим координатам относительно оптической оси приемо-передающего тракта на угол, равный половине поля зрения, начало координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства смещают в угол поля зрения, и сопрягают с осью вращения клиньев, совмещенной с оптической осью приемо-передающего тракта, центр диаграммы наводимого лазера в положении оптических клиньев, соответствующем нулевому отклонению луча, совмещают с геометрическим центром смещенного поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства, приводами, вращающими клинья, отрабатывают ошибки наведения, при этом координатную информацию об ошибках наведения для приводов формируют с координатно-чувствительного фотоприемного устройства в полярных координатах относительно смещенного начала координат путем измерения координат объекта относительно геометрического центра координатно-чувствительного фотоприемного устройства в декартовых координатах, суммируя эти координаты с угловым смещением геометрического центра в угол чувствительной площадки также в декартовых координатах, по полученным суммарным декартовым координатам полярные координаты объекта в поле зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат вычисляют по соотношениям:

где - полярные координаты (полярный радиус и полярный угол) объекта в системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат;

- суммарные угловые координаты объекта в декартовой системе координат относительно смещенного начала координат, после чего величину необходимого угла поворота каждого клина для наведения лазерного луча на объект в системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат находят из соотношений:

где - необходимые для наведения лазерного луча на объект углы поворота соответственно первого и второго клиньев;

i - оптическая редукция пары клиньев, и вычитают из полученных значений углов поворота клиньев значения углов поворота клиньев α₁ и α₂, при которых луч смещается из геометрического центра в угол чувствительной площадки координатно-чувствительного фотоприемного устройства, используя соотношения:

где - углы поворота соответственно первого и второго клиньев, при которых луч смещается из геометрического центра в угол чувствительной площадки координатно-чувствительного фотоприемного устройства;

- угловое смещение начала координат из его геометрического центра в угол чувствительной площадки по координатам х и у;

полученные разностные сигналы подают на входы приводов соответственно первого и второго клиньев.

Предлагаемый способ наведения лазерного луча на объект осуществляется в соответствии со структурной схемой системы наведения лазерного луча следующим образом (фиг.1). Для поворота установленных последовательно по ходу луча клиньев 1 и 2 используются два безредукторных привода 3 и 4 на базе кольцевых электродвигателей, в полых роторах которых крепятся оптические клинья (для каждого клина свой двигатель). Для управления приводами используется информация о координатах объекта с телевизионного либо с четырехплощадочного координатно-чувствительного фотоприемного устройства 5, выход координатно-чувствительного фотоприемного устройства связан со входом преобразователя координат 6, выходы преобразователя 6 соединены со входами сумматоров 7 и 8, на другие входы которых поступают значения смещения α₁ и α₂, определенные по соотношениям 5 и 6, выходы сумматоров 7 и 8 соединены со входами приводов 3 и 4.

Система наведения лазерного луча на объект в соответствии со структурной схемой работает по предлагаемому способу следующим образом. Каждый привод клина отрабатывает в следящем режиме свое входное воздействие, которое формируется в преобразователе 6 из ошибки наведения, регистрируемой координатно-чувствительным фотоприемным устройством 5 в прямоугольной системе координат (координаты X и Y), просуммированной с угловым смещением геометрического центра в угол чувствительной площадки (Δ_х и Δ_у, как показано на схематическом изображении поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства на фиг.2). При этом сигналы на выходе координатно-чувствительного фотоприемного устройства 5 регистрируется с учетом их знаков относительно геометрического центра поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства в точке О, как показано на фиг.2. Эти значения в преобразователе координат 6 преобразуются последовательно сначала по соотношениям 1 и 2 в полярные координаты (полярный радиус и полярный угол) объекта в системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства с условно смещенным началом координат в точку О' на фиг.2, затем, поскольку при управлении лучом клиньями вращение их в одну сторону дает полярный угол, а вращение в разные стороны на одинаковые углы дает полярный радиус, по соотношениям 3 и 4 получают значения требуемых для наведения в точку О' углов поворота первого и второго клиньев . Для получения значений углов, требуемых для наведения в точку О, вычитают из этих значений в сумматорах 7 и 8 значения смещений α₁ и α₂, соответствующих повороту луча клиньями из геометрического центра координатно-чувствительного фотоприемного устройства в угол его чувствительной площадки, определенных по соотношениям 5 и 6 с учетом того, в каком квадранте находится условно смещенное начало координат в поле зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства (на фиг.2 точка О' расположена в 3-м квадранте, следовательно к углу необходимо добавить π). Полученные разностные сигналы используют для управления приводами клиньев - для каждого привода свой разностный сигнал. Отработка приводами этих воздействий приведет к совмещению в координатно-чувствительном фотоприемном устройстве отметки объекта с отметкой начала координат, расположенной в точке О на фиг.2. С учетом того, что наводимый лазерный луч съюстирован с геометрическим центром координатно-чувствительного фотоприемного устройства, расположенным в точке О, при отработке сигналов и будет решаться задача наведения луча на отметку объекта. Следовательно, в предлагаемом изобретении ошибку наведения на отметку объекта геометрического центра поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства отрабатывают путем разворота клиньев относительно условно смещенного в точку О' начала координат. Как это видно на фиг.2, при появлении отметки объекта Ц1, например, в четвертом квадранте поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства после вычитания смещения приводы клиньев будут отрабатывать показанные на фиг.2 ошибки обеспечивая, тем самым, совмещение с отметкой Ц1 начала координат в точке О. При переходе отметки объекта из положения Ц1 в четвертом квадранте, показанном на фиг.2, в положение Ц2 во втором квадранте клинья поворачиваются на угол меньше 90 градусов, затрачивая при этом меньше времени, чем если бы им пришлось разворачиваться на угол 180 градусов при отсутствии смещения начала координат, повышая тем самым быстродействие и точность системы. При этом в исходном положении при отсутствии фактической ошибки наведения приводы клиньев вращаться не будут, поскольку смещение нулевого сигнала ошибки с координатно-чувствительного фотоприемного устройства относительно смещенного начала координат компенсировано сигналами α₁ и α₂.

Предложенный способ наведения лазерного луча на объект позволяет увеличить быстродействие и точность при наведении на высокодинамичные объекты благодаря управлению лучом, не требующему разворота клиньев на большие углы при работе во всех четырех квадрантах координатно-чувствительного фотоприемного устройства.

Источники информации

1. Катыс Г.П. Автоматическое сканирование - Москва: Машиностроение, 1969.

2. Патент 717694.

3. Патент 2788943 - прототип.

Изобретение относится к приборостроению, к устройствам наведения лазерного луча на объект. Способ наведения лазерного луча на объект включает раздельный поворот приводами двух одинаковых оптических клиньев, установленных последовательно по ходу луча, по данным измерений координат объекта фотоприемником, его поле зрения смещают относительно оптической оси приемо-передающего тракта на угол, равный половине поля зрения, начало координат фотоприемника смещают в угол поля зрения и сопрягают с осью вращения клиньев, совмещенной с оптической осью тракта, центр диаграммы наводимого лазера в положении оптических клиньев нулевого отклонения луча совмещают с геометрическим центром смещенного поля зрения фотоприемника, приводами клиньев отрабатывают ошибки наведения, при этом координатную информацию об ошибках наведения для приводов формируют с фотоприемника в полярных координатах относительно смещенного начала координат путем измерения координат объекта относительно геометрического центра фотоприемника в декартовых координатах, суммируют эти координаты с угловым смещением геометрического центра, вычисляют полярные координаты объекта, находят величину угла поворота каждого клина для наведения луча и подают сигналы на приводы клиньев. Технический результат - увеличение быстродействия и точности. 2 ил.

Способ наведения лазерного луча на объект, включающий раздельный поворот приводами двух одинаковых оптических клиньев, установленных последовательно по ходу луча, по данным измерений координат объекта координатно-чувствительным фотоприемным устройством, отличающийся тем, что поле зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства смещают по обеим координатам относительно оптической оси приемо-передающего тракта на угол, равный половине поля зрения, начало координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства смещают в угол поля зрения и сопрягают с осью вращения клиньев, совмещенной с оптической осью приемо-передающего тракта, центр диаграммы наводимого лазера в положении оптических клиньев, соответствующем нулевому отклонению луча, совмещают с геометрическим центром смещенного поля зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства, приводами, вращающими клинья, отрабатывают ошибки наведения, при этом координатную информацию об ошибках наведения для приводов формируют с координатно-чувствительного фотоприемного устройства в полярных координатах относительно смещенного начала координат путем измерения координат объекта относительно геометрического центра координатно-чувствительного фотоприемного устройства в декартовых координатах, суммируя эти координаты с угловым смещением геометрического центра в угол чувствительной площадки также в декартовых координатах, по полученным суммарным декартовым координатам полярные координаты объекта в поле зрения координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат вычисляют по соотношениям:

где - полярные координаты (полярный радиус и полярный угол) объекта в системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат; - суммарные угловые координаты объекта в декартовой системе координат относительно смещенного начала координат, после чего величину необходимого угла поворота каждого клина для наведения лазерного луча на объект в системе координат координатно-чувствительного фотоприемного устройства со смещенным началом координат находят из соотношений:

где - необходимые для наведения лазерного луча на объект углы поворота соответственно первого и второго клиньев;

i - оптическая редукция пары клиньев, и вычитают из полученных значений углов поворота клиньев значения углов поворота клиньев α₁ и α₂, при которых луч смещается из геометрического центра в угол чувствительной площадки координатно-чувствительного фото приемного устройства, используя соотношения:

где - углы поворота соответственно первого и второго клиньев, при которых луч смещается из геометрического центра в угол чувствительной площадки координатно-чувствительного фотоприемного устройства; - угловое смещение начала координат из его геометрического центра в угол чувствительной площадки по координатам х и у; полученные разностные сигналы подают на входы приводов соответственно первого и второго клиньев.