Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современных бортовых оптико-электронных систем кругового обзора и слежения и компьютерных моделей для их разработки и исследования 12
Выводы по главе 22
ГЛАВА 2. Методика разработки математической и имитационной моделей и оценки качества изображения бортовой ОЭС кругового обзора и слежения 24
2.1 Структура математической модели оценки качества изображения. 24
2.2 Методика разработки математических и компьютерных моделей и исследования динамики ОЭС 29
Выводы по главе 36
ГЛАВА 3. Функция передачи модуляции бортовых ОЭС, учитывающая совокупность технических требований к прибору, для режимов кругового обзора и слежения 38
Выводы по главе 47
ГЛАВА 4. Математическая модель объекта управления бортовой ОЭС, функционирующей в режимах кругового обзора и слежения 49
Выводы по главе 72
ГЛАВА 5. Разработка имитационной модели и исследование динамических характеристик и качества изображения бортовой ОЭС в режиме слежения... 73
5.1. Синтез регуляторов двухканальной системы управления зеркалом 73
5.2. Разработка компьютерной имитационной модели бортовой ОЭС 90
5.3 Экспериментальное исследование приводов зеркала и оценка адекватности их компьютерных моделей 100
5.4. Исследование влияния параметров ОЭС на ее точностные динамические характеристики и качество изображения 112
Выводы по главе. 134
Заключение 136
Список использованием источников
- Методика разработки математических и компьютерных моделей и исследования динамики ОЭС
- Функция передачи модуляции бортовых ОЭС, учитывающая совокупность технических требований к прибору, для режимов кругового обзора и слежения
- Математическая модель объекта управления бортовой ОЭС, функционирующей в режимах кругового обзора и слежения
- Разработка компьютерной имитационной модели бортовой ОЭС
Введение к работе
Актуальность темы
Авиационные и космические оптико-электронные системы (ОЭС) кругового обзора и слежения нашли широкое применение при выполнении задач наблюдения, в том числе при решении народнохозяйственных задач и задач обороны и безопасности. Такие приборы используются в разработках предприятиями ОАО «НПО ГИПО», ОАО «ПО «УОМЗ», ФГУП «НИИ Полюс», ОАО ЦКБ «Фотон», ОАО «НПО «Карат» и др. Среди множества приборов, решающих указанные задачи, выделим класс бортовых ОЭС 3-го поколения, работающих в режимах кругового обзора пространства и слежения.
При проектировании современных бортовых ОЭС широко используется метод компьютерного моделирования ОЭС (Ю.Г. Якушенков, В.В. Тарасов, И.П. Торшина, В.П. Иванов, В.А. Овсянников). Компьютерное моделирование позволяет решать задачи рационального выбора структуры, параметров, элементной базы ОЭС, обеспечивающих требуемые показатели эффективности при заданных ограничениях и позволяет не проводить в ряде случаев дорогостоящие натурные исследования и испытания на этапе проектирования ОЭС. Методы компьютерного моделирования ОЭС основываются на работах Дж. Ллойда, М.М. Мирошникова, А.В. Демина, В.И. Воронова, В.А. Балоева, B.C. Яцыка, P.M. Алеева и их учеников. Как правило, компьютерные модели ОЭС (GASIEL (Израиль), FCSS, MIISPM, FLIR (США), а также отечественные «КОМОС», «КМ ОЭС» (МИИГА и К)) предназначены для ОЭС конкретного назначения.
Из работ М.Н. Сокольского, А.Ф. Мелькановича известно, что движение изображения существенно ухудшает его качество. Однако, в силу многих причин (закрытый характер сведений, «ноу-
хау» и т.д.) в открытой печати отсутствуют сведения об учете
влияния динамики ОЭС на качество изображения. Это
ограничивает применение разработанных компьютерных моделей,
в частности при проектировании бортовых ОЭС кругового обзора
и слежения, в которых динамика подсистем ОЭС оказывает
значительное влияние на качество изображения. По этим причинам
и с учетом необходимости исследования динамики бортовых ОЭС
кругового обзора и слежения возникает актуальная задача
построения адекватных математических (аналитических) и
имитационных компьютерных моделей, учитывающих динамику
движения ОЭС рассматриваемого класса, исследования влияния
параметров системы на ее динамические свойства и
совершенствования характеристик ОЭС. Дополнение
существующих математических описаний подсистем и элементов ОЭС динамическими характеристиками позволит учесть динамические особенности бортовых ОЭС кругового обзора и слежения, что в свою очередь обеспечит решение задачи рационального выбора конструктивных параметров в процессе разработки и испытаний приборов.
Объектом исследования являются бортовые автоматические оптико-электронные системы, включающие в себя подсистемы сканирования и слежения зеркалом, а также подсистемы автоматической фокусировки, прецизионной стабилизации изображения и виброзащиты.
Предметом исследования являются математические
(аналитические) и имитационные модели, учитывающие динамику бортовых автоматических оптико-электронных систем кругового обзора и слежения и их технические характеристики (точность, быстродействие, качество изображения).
Целью работы является повышение качества изображения и улучшение точностных характеристик бортовых автоматических оптико-электронных систем в режимах кругового обзора и слежения за счет рационального выбора их параметров при компьютерном моделировании.
Научная задача заключается в разработке методики построения математических и компьютерных моделей, учитывающих движение летательного аппарата (ЛА) и динамику подсистем бортовых ОЭС кругового обзора и слежения на основе оценки качества их изображения. Решение научной задачи проводится по следующим направлениям:
Разработка методики построения математических и компьютерных моделей, учитывающих движение ЛА, в виде совокупности взаимосвязанных моделей подсистем автоматических ОЭС и атмосферы, а также динамических моделей их подсистем, обеспечивающих качество изображения, и исследования их динамических свойств.
Формализация формирования и преобразования оптического сигнала от малоразмерного источника излучения с помощью динамических и энергетических подмоделей для получения аналитической зависимости допустимой оптической передаточной функции, учитывающей совокупность тактико-технических требований к бортовой системе.
Определение допустимых динамических погрешностей подсистем, обеспечивающих требуемое качество изображения по критерию качества их изображения.
Разработка адекватных математических и имитационных динамических моделей бортовой ОЭС, учитывающих требования ТЗ, действующие возмущения, движение носителя, динамику систем обеспечения (регулирования) качества изображения, а также особенности конструкции системы.
Методы исследования
современные методы разработки ОЭС, компьютерного моделирования ОЭС, методы теоретической механики, современной теории управления, численные методы моделирования динамических систем, программирования, методы анализа и математической обработки результатов опыта. При создании имитационной динамической модели использовались программы MathCAD 14, CodeBlocks 10.05 и Simulink Matlab 7.9.
Научная новизна
Разработана методика построения адекватных математических и компьютерных моделей и исследования динамических свойств бортовых ОЭС кругового обзора и слежения. Методика позволяет создавать компьютерные модели, предназначенные для исследования и рационального выбора параметров в процессе разработки, создания и испытания автоматических ОЭС, обеспечивающих требуемое качество изображения при круговом обзоре и слежении.
Получено аналитическое выражение для требуемой оптической передаточной функции, учитывающее совокупность требований (вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, предела разрешения и размера объекта наблюдения) к бортовой ОЭС кругового обзора и слежения.
Впервые разработаны математические и компьютерные имитационные модели бортовой ОЭС кругового обзора и слежения, последние реализованы с помощью языка программирования C++ в средах CodeBlocks 10.05 и Simulink Matlab, и которые учитывают динамику автоматических систем кругового обзора и слежения зеркалом в кардановом подвесе и позволяют проводить комплексное исследование динамических свойств ОЭС, а также оценку изменения функции передачи модуляции при широкой вариации возмущающих воздействий, конструктивных параметров.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечивается строгим и корректным использованием математического аппарата, результатами моделирования автоматической ОЭС кругового обзора и слежения на основе достаточно корректной модели пространственного движения объекта управления с учетом действующих возмущений, движения ЛА, конструктивных ограничений в объекте управления и регуляторе, а также соответствием результатов моделирования и экспериментальных исследований реального образца.
Практическая значимость диссертации
Разработанная методика и компьютерная имитационная модель позволяют проводить комплексные исследования на этапах предварительных разработок (техническое задание, техническое предложение, эскизное проектирование) и испытаний вновь создаваемых бортовых ОЭС кругового обзора и слежения, а также проводить рациональный выбор параметров автоматических подсистем, сократить трудоемкость и сроки этапов разработки, исследования, настройки и отладки ОЭС.
Выработаны рекомендации по выбору основных параметров подсистем для одного из вариантов бортовой ОЭС кругового обзора и слежения.
Реализация результатов
Результаты диссертационной работы в виде компьютерной имитационной модели бортовой оптико-электронной системы кругового обзора и слежения использованы в ОАО «НПО «Государственный институт прикладной оптики» при создании обзорно-поисковых системы самолетного базирования, что подтверждается соответствующим актом.
Методика построения математических и имитационных моделей и исследования автоматических ОЭС используется в учебном процессе подготовки магистров направления 200200 «Оптотехника» и научно-исследовательских работах Казанским национальным исследовательским техническим университетом им. А.Н. Туполева, что подтверждается соответствующим актом.
На защиту выносятся:
Методика разработки математических и компьютерных моделей и исследования бортовых ОЭС кругового обзора и слежения, позволяющая проводить имитационное моделирование, выбор параметров и исследование бортовых ОЭС в процессе разработки, создания и испытания в соответствии с требованиями ТЗ и учетом конструктивных ограничений.
Аналитическое выражение функции передачи модуляции бортовой ОЭС, учитывающее допустимые вероятности
правильного обнаружения и ложной тревоги, предел разрешения и размер объекта наблюдения.
Компьютерная имитационная модель бортовой ОЭС кругового обзора и слежения, которая позволяет проводить комплексное исследование динамических свойств и функции передачи модуляции ОЭС в широком диапазоне изменения конструктивных параметров и входных воздействий.
Математическая модель движения зеркала в кардановом подвесе совместно с приводами для бортовой ОЭС кругового обзора и слежения, учитывающая геометрию масс тел вращения, динамику носителя, координаты установки прибора.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на:
научно-практической конференции «Оптика - XXI век: оптика,
фотоника и оптоинформатика в науке и технике» в рамках
III международного форума «Оптика-2007», Москва 2007;
международных молодежных научных конференциях «XV
Туполевские чтения», Казань 2007, "XVII ТУПОЛЕВСКИЕ
ЧТЕНИЯ", Казань 2009, "XVIII Туполевские чтения", г. Казань
2010; всероссийском семинаре «Аналитическая механика,
устойчивость и управление движением», посвященном столетию
М.Ш. Аминова, Казань 2008; студенческо-аспирантском форуме
«Актуализация социально-экономического и естественно-научного
образования в научной и предпринимательской деятельности»,
Казань 2008; международной конференции «Прикладная
оптика - 2008», Санкт-Петербург 2008; восьмом
Всероссийском семинаре по аналитической механике,
устойчивости и управлению движением, Казань 2008;
всероссийском заочном студенческо-аспирантском форуме с
международным участием «Актуализация социально-
экономического и естественно-научного образования в науке и
предпринимательстве», Казань 2009; научно-практической
конференции «Оптика, фотоника и оптоинформатика в науке и
технике». Форум "OPTICS-EXPO 2009", Москва 2009;
всероссийских межвузовских научно-технических
конференциях «Электромеханические и внутрикамерные
процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Казань 2008, 2009, 2010;
Публикации
По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, из них: 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 авторское свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 16 материалов докладов и 7 тезисов в сборниках материалов международных и всероссийских конференций, 1 научно-технический отчет.
Личный вклад автора
Разработана методика построения математических и компьютерных моделей бортовых ОЭС кругового обзора и слежения.
Предложена структура модели ОЭС в виде совокупности двух подмоделей: энергетической и динамической и получена функция передачи модуляции, позволяющая оценить влияние допустимых (требуемых) характеристик автоматических ОЭС.
Разработана математическая модель бортовой автоматической ОЭС кругового обзора и слежения.
Разработана компьютерная имитационная модель бортовой автоматической ОЭС кругового обзора и слежения, которая реализована автором в двух вариантах: виде компьютерной программы на языке C++ и модели в Simulink Matlab и MathCad.
Проведена идентификация конструктивных параметров приводов по переходным характеристикам скорости поворота зеркала реального образца прибора на неподвижном основании.
С использованием компьютерной модели проведено исследование динамических свойств и функции передачи модуляции бортовой ОЭС для режима слежения, получены рекомендации по выбору параметров ОЭС, позволяющие улучшить ее технические характеристики.
Структура и объем работы
Диссертация объемом 185 с. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, содержит 58 рисунков, 11 таблиц и одно приложение.
Методика разработки математических и компьютерных моделей и исследования динамики ОЭС
Как правило, большинство рассмотренных КИМ в литературных источниках приведены в виде блочной структуры. Каждый блок описывает какой-либо элемент оптико-электронного тракта (фоноцелевая обстановка, атмосфера, оптическая система, приемник излучения, электронный тракт и т.д.). Значительный вклад в разработку и создание КИМ ОЭС внесли работы известных ученых [1-3, 25-27, 30, 34, 35] Согласно принципу моделируемости [3, 32, 33] любая ОЭС может быть представлена конечным множеством моделей, каждая из которых отображает определенную грань.ее сущности. Созданы компьютерные модели ОЭС [3, 26, 28, 34, 35], позволяющие исследовать их характеристики в зависимости от условий работы, параметров фоноцелевой обстановки (ФЦО) и т.д. Компьютерные модели (КМ) ОЭС постоянно совершенствуются, наделяются новыми функциями. Если первые КМ позволяли исследовать только некоторый класс ОЭС, то современные КМ обладают возможностями моделирования многоспектральных ОЭС различного назначения.
Одной из современных КМ для исследования ОЭС является модель «KOMOG» [1, 25, 34, 35], разработанная в МИИГА и К. В последние годы на базе этой модели там же разработана программа, для моделирования характеристик ОЭС «КМ ОЭС». Данная программа разработана с помощью современных технологий программирования, имеет дружественный интерфейс пользователя и широкий спектр возможностей. Если модель «КОМОС» предназначена для анализа процесса функционирования ОЭС обнаружения, то «КМ ОЭС» позволяет моделировать ОЭС, работающие в нескольких спектральных диапазонах, для различных фоноцелевых ситуаций. «КМ ОЭС» построена по модульному принципу. В ее состав входят следующие модули: «Исходные данные», «Показатели эффективности», «Фоноцелевая обстановка», «Структура ОЭС», «База данных ЕМ ОЭС», «Результаты работы КМ ОЭС» [3].
В модулях «Исходные данные» и «Показатели эффективности» задаются условия работы и критерии оценки эффективности ОЭС. Блок «Фоноцелевая обстановка» описывает характеристики объектов наблюдения, источников излучения, фонов и помех. Модуль «Структура ОЭС» содержит информацию о подсистемах, входящих в состав моделируемой ОЭС, описания их параметров. Блок «Результаты работы» содержит информацию о результатах моделирования, в соответствии с выбранными критериями в модуле «Показатели эффективности». Информация, извлеченная из этого блока, позволяет оценить характеристики моделируемой ОЭС при заданном наборе параметров и условиях работы. Модуль «База данных ОЭС» содержит информацию о типах ОЭС, которые позволяет моделировать программа «КМ ОЭС». В зависимости от типа ОЭС выбирается соответствующая математическая модель для анализа характеристик системы. Программа «КМ ОЭС» позволяет учитывать энергетические характеристики прибора, шумы приемника излучения и электронного тракта, фоны, влияние подсистем прибора на качество изображения, а также прохождение сигнала в атмосфере. Моделирование . атмосферы в программе «КМ ОЭС» производится с помощью двухпараметрической модели Бира [11]. Как и во многих современных КМ, моделирование качества получаемого изображения в «КМ ОЭС» осуществляется с помощью функций передачи модуляции (ФПМ) отдельных звеньев и подсистем. Главными особенностями модели, заложенной в основу «КМ ОЭС», являются возможности моделирования многоспектральных ОЭС, расширенное моделирование ФЦО, моделирование энергетических характеристик ОЭС с учетом шумов элементов и качества получаемого изображения.
В подавляющем большинстве современных КМ ОЭС [3, 27, 34] заложен один и тот же подход в моделировании характеристик ОЭС и в том числе качества изображения — применение ФПМ подсистем, либо ФПМ факторов, влияющих на качество изображения (например, движение изображения, остаточная расфокусировка и т.д.). Основное различие между КМ заключается в уточнении моделей отдельных подсистем. Например, в части моделей учитывается уточненная модель распространения излучения в ч атмосфере или уточненная модель приемника излучения, ФЦО [104] и т.д. При этом моделирование остальных подсистем подчинено одним и тем же принципам и осуществляется с использованием известных математических моделей.
В ряде известных КМ ОЭС [3, 13, 14, 26-28, 34, 35] предусмотрен учет влияния движения изображения. Причем отмечается, что движение изображения может возникать вследствие вибраций и движения основания, либо как остаточное движение изображения, возникающее из-за погрешностей работы систем стабилизации изображения. При этом следует отметить, что вопросы учета динамики автоматических систем, обеспечивающих функционирование ОЭС с достижением требуемого качества изображения отражены для ОЭС конкретных назначений, воспользоваться которыми для рассматриваемого класса приборов не представляется возможным. Разрабатываемые КМ непрерывно совершенствуются разработчиками, приобретая новые возможности и увеличивая степень адекватности моделей [3]. Из современных КИМ ОЭС можно выделить как программы, имитирующие функционирование всего прибора в целом, так и разработки, позволяющие исследовать отдельные составляющие оптико-электронного тракта, например моделирование прохождения излучения через атмосферу. В некоторых моделях («КОМОС») предусмотрено введение дополнительных систем, например системы стабилизации изображения [1,3].
В развитие работ по созданию КМ ОЭС возникает задача учета динамики перечисленных автоматических систем обеспечения качества изображения (СКИ) при моделировании ОЭС кругового обзора и слежения, а также создания их КМ, которые будут учитывать влияние динамики СКИ на качество получаемого изображения ОЭС.
В связи с необходимостью создания КИМ ОЭС, заменяющей реальную ОЭС с определенной точностью, необходимо решить задачу разработки адекватной математической модели САУ, обеспечивающей качество изображения при действии возмущений и исследования их динамики.
Вопросы разработки, моделирования и исследования оптико-электронных систем отражены в работах известных ученых: Ллойда Дж., Мирошникова М.М., Устинова Н.Д., Карасика В.Е., Орлова В.М., Демина А.В., Торшиной И.П., Тарасова В.В., Якушенкова Ю.Г., Парвулюсова Ю.Б., Родионова С.А., Иванова В.П., Балоева В.А., Курта В.И., Яцыка В:С, Овсянникова В.А., Воронова В.И1,. Филиппова В.Л., Непогодина ИІА., Сокольского М.Н., Марешаля А. и др: Развитие теории автоматического управления линейных и нелинейных систем нашло широкое применение в разработке САУ и алгоритмов управления ОЭС, развитых в научных работах: Айбермана М.А., Воронова А.А., Гантмахера Ф.Р., Боднера В.А., Цыпкина Я.З., Красовского А.А., Бесекерского В.А., Попова Е.П., Вавилова А.А., Джеймса X., Мёерова М.В;, Нелепина Р.А., Топчиева Ю.И., Солодова А.В., Солодовникова В.В., Морозовского В.Т. Исследование динамики и синтеза регуляторов авиационных приборных комплексов, в том числе ОЭС, получило значимое развитие в работах: Матросова В.М., Сиразетдинова Т.К., Дегтярева Г.Л., Ахметгалеева И:И., Скимеля В.Н., Стрежнева В.А., Землякова А.С., Бабаева А.А., Маливанова Н.Н., Кренева В.А., Карпова А.И., Гаркушенко В.И., Николаева Р.П., Маханько А.В. и их учеников.
Функция передачи модуляции бортовых ОЭС, учитывающая совокупность технических требований к прибору, для режимов кругового обзора и слежения
В случае невыполнения условия (2.19) выполняются действия в соответствии с методикой (14-27-28-29-9-14, 14-27-30-5-9-14, 14-27-31-30-5-9-14, 14-27-34-6-14). В случае выполнения условия (2.24) (блок 18), проводят оценку адекватности разработанной компьютерной модели ОЭС (блок 19) путем проведения экспериментальных исследований и сравнения результатов с результатами моделирования. Решение о достаточной адекватности модели определяется по результатам выполнения условия aq adq", q = \..Q, (2.25) где aq — критерии адекватности разработанной математической модели, ад" - допустимые значения выбранных критериев адекватности, О — количество выбранных критериев адекватности. Например, а, = max \тоэс (у) - 7с (v) а?" = АТдоп, (2.26) где Тоэс(у), 7 (v), - ФПМ ОЭС, полученная экспериментально и с помощью моделирования, АТд0" — допустимое значение разности ФПМ ОЭС. В случае невыполнения условия (2.25) выполняются действия в соответствии с методикой (20-24-25-2-5-9-20, 20-24-26-1-2-5-9-20).
Выбор параметров подсистем ОСИ, имеющих наибольшие запасы по точности и удовлетворяющих условиям: твх(т (ур)-ТСКИ(ур)) АТл, тах(д -дДв/к)) Д,, / = 1,5, (2.27) где Д; — запас по ТОЧНОСТИ, определяемый разработчиком, исходя из запасов устойчивости, требуемых качества регулирования и качества изображения, ajk — параметры подсистем СКИ, ДГ, - запас по ФПМ подсистем СКИ.
Разработка программы исследований на имитационной модели с целью выявления параметров, улучшающих технические характеристики, определяемые ТЗ. 19.3. Проведение исследований динамических свойств СКИ и оценка ФПМ СКИ и ОЭС. Выполняется проверка, удовлетворяют ли характеристики ОЭС требованиям ТЗ (блок 22). Если характеристики ОЭС не удовлетворяют требованиям ТЗ, выполняют действия в соответствии с процедурами (22-24-25-2-5-9-22,22-24-26-1-2-5-9-22). Выработка рекомендаций по рациональному выбору параметров ОЭС, полученные на основе имитационного моделирования (блок 23).
Таким образом, для разработки имитационной модели ОЭС необходимо решить следующие задачи: 1) рассчитать допустимую ФПМ ОЭС т (v); 2) рассчитать ФПМ атмосферы и подсистем ОЭС; 3) определить допустимые погрешности СКИ; 4) разработать ММ СКИ; 5) провести синтез регуляторов СКИ; 6) разработать КИМ ОЭС; 7) провести исследование динамики СКИ и оценить КИ ОЭС; Выводы по главе: 1. Разработана структура математической оценки качества изображения бортовых ОЭС в виде совокупности взаимосвязанных моделей подсистем, формирующих изображение в динамике, применительно к рассматриваемому классу систем. 2. Предложены итерационные алгоритмы и блок-схема методики разработки математической и имитационной моделей и исследования бортовой ОЭС с целью ее совершенствования по критерию качества изображения. 3. Выработаны критерии адекватности (2.19)-(2.22), (2.25), (2.26). 4. Разработанная методика построения математической и имитационной моделей и исследования динамики бортовой ОЭС кругового обзора и слежения позволит создавать компьютерные имитационные модели, учитывающие динамику движения летательного аппарата, объекта наблюдения и динамические свойства систем, обеспечивающих функционирование ОЭС. 5. В зависимости от требований ТЗ и критериев адекватности полученные с помощью разработанной методики имитационные модели позволят проводить рациональный выбор структуры и параметров разрабатываемых бортовых ОЭС с целью их совершенствования по критерию качества изображения. 6. Предлагаемая методика разработки моделей ОЭС позволит приблизиться к решению проблемы создания математических и имитационных моделей бортовых ОЭС кругового обзора и слежения. 7. Далее покажем использование предложенной методики для разработки математической и имитационной моделей бортовой ОЭС кругового обзора и слежения, включающей ОС, ССл и ССк, МФП и УПУ.
При разработке СКИ необходимо минимизировать влияние этих подсистем; на= качество изображения; что приводит, в конечном счете, к необходимости оценки их допустимой» погрешности. Допустимую погрешность СКИ можно оценить, знаягФПМ ОЭС и ФПМ ее подсистем. Обычнодля радикального снижения числа расчетов, согласно [36, 102, 103], для многокомпонентной системы ее ФПМ? Tz(v) хорошо аппроксимируется гауссовской зависимостью вида 7 z(v) = exp(-2 2o-V), (3.1) где о- — параметр аппроксимации, рад. Величина параметра аппроксимации выбирается в зависимости от типа и назначения прибора, например для тепловизионных приборов а = 0,55 [2]. Описанный подход основан на некоторых теоретических допущениях и эмпирических наблюдениях. Однако, выражение (3.1) не дает взаимосвязи допустимой ФПМ ОЭС и параметров объекта наблюдения и прибора в соответствии с техническим заданием(ТЗ) на разработку.
ФПМ другого вида предлагается в [37]. При входном сигнале в виде круга равномерной энергетической яркости радиусом R и выходном сигнале в виде двумерной центрально-симметричной функции Гаусса s(p) = U0exp(-p27a2) ФПМ ОЭС запишется г(у ). f?"\, (3.2) где vp — вектор пространственной частоты, Jx — функция Бесселя первого рода 1-го порядка. Поскольку в выражении (3.2) также отсутствует явная взаимосвязь ФПМ ОЭС и требований ТЗ к прибору, будем искать допустимую ФПМ ОЭС с учетом тех же допущений, что и в [37]: излучение источника некогерентное; используется изопланатическая оптическая система либо она имеет малое поле зрения; источник излучения (ИИ) имеет малые угловые размеры; энергетическая яркость источника постоянна во времени. Входным параметром для ОЭС является энергетическая яркость ИИ Ьии, выходным -напряжение на пороговом устройстве Uny.
Математическая модель объекта управления бортовой ОЭС, функционирующей в режимах кругового обзора и слежения
Принцип оценки приемлемости характеристик ОЭС по его фактической и допустимой ФПМ. Фактическая ФПМ Т т{у) может отличаться от допустимой, соответственно и форма фактического импульса на выходе динамической модели будет отличаться от гауссовской. Вид результирующего импульса определяется его спектром: чем спектр шире, тем уже и выше будет импульс. Однако анализ спектра импульса при произвольной форме T m{v) требует сложных вычислений. Поэтому для упрощения расчётов и получения удовлетворительных результатов можно руководствоваться следующим принципом, основанным на двух утверждениях.
Утверждение 1. Результирующий импульс будет иметь большее максимальное значение и меньшую ширину по сравнению с требуемыми значениями, если в диапазоне угловых частот [о, v 1 выполняется условие T m{v) T2{v), (3.27) где vnp — пространственная частота, выше которой амплитудой SdUH (v) можно пренебречь. Соответственно, в силу (3.24)-(3.25), ОЭС будет удовлетворять заданным требованиям по угловому пределу разрешения и вероятностям правильного обнаружения и ложной тревоги. Пространственная частота vnp определяется выражением v„/,=(0,25y()UH)-1. (3.28) При y vnp из (3.28) 3,3-10-4, (3.29) следовательно, амплитудой S (v) можно пренебречь. Учитывая (3.22), можно записать следующее выражение для vnp: vnp=4y„-1 /8.1n(2mp). (3.30) Утверждение 2. Если условие (3.27) не выполняется, то приемлемость фактической ФПМ необходимо оценить по форме результирующего импульса S m (у) с помощью обратного преобразования Фурье его спектра » [37,39]: V nP StT{y)= J S :"(v)-exp[2 vy]rfvs (з.31) -v v Stm{v) = S,{v) (v). (3.32) Величина угловой пространственной частоты v np в выражении (3.31) определяется спектром S m(y). На частотах выше Iv4 амплитудой спектра можно пренебречь. Таким образом, следуя выражениям (3.24)-(3.26), можно определить допустимую ФПМ ОЭС, в зависимости от углового размера ИИ, углового предела разрешения, вероятностей правильного и ложного разрешения.
1. Для оценки допустимой ФПМ ОЭС и ранжирования ФПМ ее подсистем решена задача формализации формирования и преобразования оптического сигнала от малоразмерного источника излучения в виде совокупности энергетической и динамической моделей. 2. Полученное аналитическое выражение допустимой ФПМ ОЭС (3.25), используя (2.11)-(2.14), (2.16), позволит рассчитать допустимые погрешности систем, обеспечивающих функционирование бортовой ОЭС. 3. Получен критерий малости углового размера источника излучения (3.22), необходимый для практической реализации ОЭС с допустимой ФПМ (3.24). 4. Сформулированы утверждения, позволяющие в силу (3.27)-(3.32) корректно проводить оценку приемлемости расчетной ФПМ ОЭС. ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ БОРТОВОЙ ОЭС, ФУНКЦИОНИРУЮЩЕЙ В РЕЖИМАХ КРУГОВОГО ОБЗОРА И СЛЕЖЕНИЯ В работах [1-3, 51, 53-56, 91-96] подробно описаны ММ тепловивизионных приборов, аэрофотоаппаратов, а также принципы и инженерные методы их описания. ММ и вопросы построения моделей, учитывающие сценарий работы обобщённой модели ОЭС и уровни проектирования освещены в [1-3]. В развитие работы [31] в главе рассматривается разработка ММ бортовой ОЭС кругового обзора и слежения, которая в отличие от [1-3] учитывает динамику автоматических систем сканирования и слежения с учетом движения ЛА. Ротор азимутального электродвигателя Ротор угломестною электродвигателя
В рассматриваемом классе систем обзор пространства и слежение осуществляется за счет поворота зеркала в двухстепенном кардановом подвесе с помощью двух соосно-расположенных электродвигателей. Поворот зеркала у рассматриваемого класса подсистем, осуществляется по двум осям. Поворот зеркала осуществляется при помощи двух моментных приводов, оси вращения которых совпадают: по азимуту поворот осуществляется электродвигателем непосредственно, а по углу места — через конический редуктор (рис. 4.1). Таким образом, угол поворота зеркала по азимуту определяется углом поворота азимутального двигателя, а по углу места -разностью углов поворота азимутального и угломестного приводов.
Разработка компьютерной имитационной модели бортовой ОЭС
В последние 5-10 лет вопросам разработки имитационных моделей уделяется определенное внимание, т.к. это один из действенных методов исследования следящих систем, в ряде случаев заменяющий, эксперименты, на реальном объекте [1-3]. Но в каждом конкретном случае имитационная модель должна быть корректна и адекватна реальным явлениям:
Для разработки, оптимизации и моделирования ОЭС широко применяются КМ [1, 3], учитывающие структуру прибора, фоноцелевую обстановку, атмосферу, характеристики подсистем оптико-электронного тракта и т.п. и позволяющие оценивать качество изображения, используя ФПМ как правило для статических систем. В соответствии с методикой создания математических и имитационных моделей (глава 2) проведем разработку имитационной модели рассматриваемой бортовой ОЭС, математическая модель которой представлена в виде уравнений ОУ (4.50)-(4.51), регулятора (5.18), (5.19), (5.44), (5.46) и выражений ФПМ подсистем (2.2)-(2.14).
Для разработки компьютерной имитационной модели уравнения пространственного движения ОУ совместно с приводами используем уравнения (4.50), (4.51).
В соответствии с методикой, изложенной в главе 2, разработана КИМ бортовой ОЭС кругового обзора и слежения в среде Simulink Matlab (КИМ-1) [80, 85, 88, 106], блок схема которой представлена на рис. 5.6. Разработанная модель имеет многоуровневую структуру (2-5 уровней). Схема моделирования КИМ-1, приведенная на рис. 5.6, состоит из 9 подсистем: 1. R1-модель регулятора САУ по азимуту, 2. Б12-модель регулятора САУ по углу места, 3. А-модель привода по азимуту без учета перекрестных связей (включает в себя 4 уровня субмоделей), 4. Т-модель привода по углу места без учета перекрестных связей (включает в себя 4 уровня субмоделей), 5. Invl-модель коррекции инвариантности САУ по азимуту, 6. Inv2—модель коррекции инвариантности САУ по углу места, 7. fi-модель угла движения зеркала по углу места (5.40), 8. Disb-модель дисбаланса и ассиметричности ОУ (включает в себя 6 уровней субмоделей), 9. al2(fi), a21(fi)l-модели перекрестных связей в ОУ (включает в себя 2 уровня субмоделей), 10. модели постоянных и гармонических воздействий, идущих от ЛА и ОН: ЦА - видимое входное постоянное и гармоническое движение ОН в плоскости азимута, ЦТ — видимое входное постоянное и гармоническое движение ОН в плоскости угла места. fil
Кроме того, КИМ-1 включает дискретные элементы, моделирующие дискретизацию МФП, нелинейные элементы, моделирующие насыщение по напряжению в усилителях мощности и ограничения: по углу поворота зеркала и по углу поля зрения ОС, необходимые для настройки КИМ-1 переключатели и осциллографы.
Однако КИМ-1 требует большое количество времени для проведения, исследований динамики (1 секунда переходного процесса моделируется в течение 180-200 с), ввиду достаточно медленного решения уравнений. Поэтому также в соответствии- с методикой, изложенной- в главе 2, разработана КИМ бортовой ОЭС кругового обзора и слежения [107] и реализована с помощью языка объектно-ориентированного программирования C++ [64, 65] (КИМ-2) с применением интегрированной среды, разработки приложений- CodeBlocks [97] и компилятора MinGW [98] для операционных систем Microsoft Windows. Такой подход позволит существенно сократить время решения уравнений математической модели. КИМ реализована в виде консольного приложения. Результаты решения выводятся в двоичные файлы, для анализа которых используется, программа построения-графиков,- разработанная2с помощью перечисленных средств.
Функциональная схема КИМ-2 представлена на рис. 5.7. КИМ-2 реализована в четырех модулях: главный модуль программы, модуль моделирования- динамики ССл (решение уравнение (5.47)-(5.49)), модуль моделирования динамики ОЭС (расчет ФПМ по формулам (2.2)-(2.14)), модуль вывода результатов решения в файлы.
В главном модуле КИМ12 задается шаг и время решения, коэффициенты ПИД регуляторов, задаются имена файлов, в которые сохраняются результаты решения. Кроме того, предусмотрены настройки учета индуктивности обмоток электроприводов, инерционности и дискретизации матричного фотоприемника и датчиков утла поворота.
