Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния предметной области. постановка задач исследования 18
1.1. Особенности задачи измерения параметров движения современных артиллерийских боеприпасов 18
1.1.1. Классификация и анализ существующих траекторных информационно-измерительных систем 19
1.2. Современное состояние оптической аппаратуры для траекторных измерений 28
1.3. Постановка задач исследования 39
ГЛАВА 2. Обоснование требований к структуре информационно-измерительной системы для сопровождения артиллерийских объектов. моделирование слежения системы за движущимся прямолинейно объектом измерения . 42
2.1. Моделирование процесса сопровождения объекта, движущегося по прямолинейной траектории
2.1.1. Предварительные замечания 42
2.1.2. Движение объекта по настильной траектории 45
2.1.3. Представление движения объекта в полигонной системе координат. 58
2.1.4. Равномерное движение объекта по ненастильной прямолинейной траектории 62
2.1.5. Движение сопровождаемого объекта по настильной траектории с переменной скоростью 64
2.1.6. Расчет областей размещения измерительных постов на полигоне... 73
2.2. Требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам, разрабатываемым для слежения за артиллерийскими объектами с прямолинейной траекторией 79
2.2.1. Общие требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам 79
2.2.2. Специфические требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам, разрабатываемым для слежения за артиллерийскими объектами 81
2.3. Структура информационно-измерительной системы на базе оптико электронных преобразователей для слежения за артиллерийскими объектами с прямолинейной траекторией 81
Выводы по главе 2 84
ГЛАВА 3. Обоснование требований к техническим характеристикам информационно-измерительной системы для сопровождения артиллерийских объектов, движущихся по баллистическойтраектории 87
3.1. Моделирование процесса сопровождения артиллерийского боеприпаса, движущегося по баллистической траектории 87
3.1.1. Описание движения сопровождаемых объектов по параболической траектории 87
3.1.2. Описание движения сопровождаемых объектов по баллистической траектории 105
3.2. Требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам, разрабатываемым для слежения за артиллерийскими объектами, движущимися по баллистической траектории 109
3.2.1. Требования к разрабатываемому устройству, исходя из анализа прототипов 109
3.2.2. Требования, предъявляемые к электромеханической следящей платформе 109 3.2.3.Требования, предъявляемые к телевизионной измерительной системе 110
3.2.4.Требования, предъявляемые к телевизионной панорамной системе. 111
3.2.5. Подходы к моделированию и оптимизации информационно измерительной системы для траекторных измерений 112
Выводы по главе 3 115
ГЛАВА 4. Разработка и апробация оптического измерительного комплекса для сопровождения артиллерийских боеприпасов 117
4.1. Разработка телевизионного теодолита ТВТ-3 мобильного автоматизированного измерительного комплекса «Траектория» 117
4.1.1. Устройство телевизионного теодолита ТВТ-3 мобильного автоматизированного измерительного комплекса «Траектория» 119
4.2. Основные тактико-технические характеристики измерительного комплекса для сопровождения артиллерийских боеприпасов 125
4.2.1. Основные параметры системы 125
4.2.2. Основные тактико-технические характеристики
4.3. Анализ результатов экспериментальной апробации оптического измерительного комплекса для сопровождения артиллерийских боеприпасов 128
4.4. Принцип измерения координат 132
Выводы по главе 4 134
Заключение 136
Список использованных источников
- Классификация и анализ существующих траекторных информационно-измерительных систем
- Движение объекта по настильной траектории
- Требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам, разрабатываемым для слежения за артиллерийскими объектами, движущимися по баллистической траектории
- Основные тактико-технические характеристики измерительного комплекса для сопровождения артиллерийских боеприпасов
Введение к работе
Актуальность. Одной из главных целей полигонных испытаний боеприпасов является измерение внешнетраекторных параметров полета испытуемых объектов (координаты, вектор скорости, угловые положения в пространстве и т.д.), по значениям которых оценивается качество их функционирования и выявляются причины, обусловившие возникновение не штатных ситуаций. Сегодня, для измерения данных параметров используется аппаратура, работающая на различных физических принципах. Это, в первую очередь, радиолокаторы и оптические устройства, в которых реализовано слежение за объектом с целью получения в реальном режиме времени исходной первичной информации, дальнейшая обработка которой позволяет вычислить внешнетраекторные параметры боеприпаса. При этом, понятно, что для максимально объективной оценки функционирования боеприпаса во время выстрела необходимо обеспечить получение исходной информации и, соответственно, сопровождение контролируемого объекта от момента вылета артиллерийского боеприпаса из канала ствола, реактивного боеприпаса, соответственно, схода с пусковой установки до точки попадания в цель.
Степень разработанности темы. Проблемой использования киносъемочной аппаратуры в практике артиллерийских испытаний занимались В.И. Козлов, М.М. Серебряков, большой вклад в разработку различных типов кинотеодолитов внесли главный конструктор КБ-4 Ф.Е. Соболев, д.т.н., профессор М.Д. Мальцев. Модельным обеспечением полигонных испытаний с применением оптической аппаратуры занимались д.т.н. ИжГТУ В.Г. Суфиянов, к.т.н. ФКП «НИИ «Геодезия» М.Н. Белобородов. Совершенствованием точного оптического оборудования и созданием кинотеодолитов занимались Харт и доктор Рейтьен в немецком научно-исследовательском институте безмоторного полета в Дармштадте.
Анализ современного состояния измерительных оптических средств, используемых при полигонных испытаниях боеприпасов, показал, что сегодня на отечественных артиллерийских полигонах используют кинофототеодолиты типа КФТ-10/20 и их различные модификации, которые устарели и больше не производятся промышленностью. При этом точность измерения внешнетраекторных параметров боеприпасов данными устройствами и дальность сопровождения относительно невелики.
Существует также класс приборов для слежения за самолетами, ракетами и космическими аппаратами с целью измерения параметров движения последних, однако динамические характеристики этого класса приборов не позволяют использовать их для слежения за боеприпасом. Также некоторые эксплуатационные характеристики этих устройств (особенно, с точки зрения, ее устойчивости к мощным ударным воздействиям) делают весьма затруднительным их установку вблизи баллистических трасс артиллерийских полигонов. Кроме того, траектории движения боеприпасов, среди которых можно выделить настильные траектории (например, снаряд, выпущенный из танковой пушки под малым углом, гранаты) и баллистические траектории (снаряды, выстреливаемые под большим углом из пушек и гаубиц), существенно отличаются от траектории движения ракет и кос-
мических аппаратов. Следовательно, использование данного класса оптической измерительной аппаратуры оказывается невозможным, поэтому для измерения внешнетраекторных параметров движения боеприпасов требуется разработка специализированных оптических измерительных средств. При этом данный измерительный комплекс должен быть универсальным и обеспечивать сопровождение целей, движущихся как по настильной, так и баллистическим траекториям, которые принципиально отличны друг от друга.
Таким образом, задача создания универсального оптического измерительного комплекса, обеспечивающего устойчивое слежение за боеприпасом и тем самым возможность получения визуальной информации об особенностях полета высокоскоростных боеприпасов по сложным траекториям, является актуальной.
Объект исследования - оптические информационно-измерительные системы (ИИС) для внешнетраекторных измерений параметров движения артиллерийских боеприпасов.
Предмет исследования - алгоритмическое и аппаратное обеспечение информационно-измерительных систем в части сопровождения артиллерийских боеприпасов при проведении полигонных испытаний.
Цель работы - разработка автоматизированной оптической измерительной следящей системы, обеспечивающей сопровождение артиллерийских боеприпасов, движущихся как по настильной, так и по баллистической траекториям.
Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
-
Обоснование комплекса технических требований, предъявляемых к оптической измерительной системе, обеспечивающей сопровождение артиллерийских боеприпасов, движущихся как по настильной, так и по баллистической траекториям.
-
Разработка математических моделей, описывающих динамику измерительной следящей системы в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Формулировка и решение задач оптимального расположения измерительной аппаратуры на территории полигона применительно к типу траектории движения боеприпасов.
-
Разработка и натурные испытания автоматизированной оптической измерительной следящей системы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан комплекс математических моделей вращательного движения следящей поворотной платформы, использованных в системе управления последней и обеспечивающий слежение за различными типами артиллерийских боеприпасов.
-
Поставлена и решена задача оптимального (с точки зрения качества получаемых изображений) расположения следящей платформы относительно артиллерийской системы.
-
Разработаны научно обоснованные технические требования к оптической системе, обеспечивающей слежение за боеприпасами, двигающимися по настильной и баллистической траекториям.
Теоретическая значимость работы состоит в получении аналитических зависимостей, описывающих кинематические характеристики поворотной платформы, выполняющей слежение за артиллерийскими боеприпасами, которые обеспечили решение задачи оптимального расположения поворотной платформы относительно артиллерийской системы.
Практическая значимость работы.
Разработана универсальная оптическая измерительная следящая система, обеспечивающая сопровождение боеприпасов, двигающихся по настильной и баллистической траекториям и подтверждена ее работоспособность в условиях артиллерийского полигона.
Работа соответствует:
перечню НИОКР по ФЦП «Развитие оборонно-промышленного комплекса РФ на 2007-2010 годы и на период до 2015 года» (общепрограммные мероприятия), реализуемых в составе государственного оборонного заказа, согласованных с Минэкономразвития России и утвержденных Минпромэнерго России от 02.08.2007 г.;
постановлению Правительства Российской Федерации от 28.12.2006 г. «Об утверждении государственного оборонного заказа на 2007 год»;
- Федеральному закону от 27 декабря 1995 года № 213-ФЗ «О государственном оборонном заказе».
Методы исследований. При выполнении работы использованы методы динамики материальных точек, движущихся в среде с сопротивлением; параболической теории внешней баллистики; математического анализа; численного анализа; теории планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту.
-
Разработанные модели вращательных движений в горизонтальной плоскости измерительной оптической системы обеспечивают сопровождение артиллерийского боеприпаса, движущегося по квазипрямолинейной траектории. Соответствует пункту 2 паспорта специальности: разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля.
-
Разработанные модели вращательных движений в горизонтальной и вертикальной плоскостях измерительной оптической системы обеспечивают сопровождение артиллерийского боеприпаса, движущегося как по параболической, так и по баллистической траекториям. Соответствует пункту 2 паспорта специальности: разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля.
-
Разработанные рекомендации по оптимальному расположению оптической следящей системы относительно артиллерийской системы обеспечивают выполнение требований, предъявляемых разработчиками артиллерийских боеприпасов к точности и дальности сопровождения боеприпасов при их движении по траектории. Соответствует пункту 7 паспорта специальности: методы по-
вышения информационной и метрологической надежности приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, диагностика приборов контроля. Достоверность полученных результатов подтверждается:
-
Корректным применением уравнений динамики вращательного движения приводов измерительной аппаратуры и динамики материальных точек для случаев движения их по различным траекториям.
-
Использованием классических и широко апробированных методов математического и численного анализа.
3. Согласованностью результатов математического моделирования и ре
зультатов натурных испытаний.
Реализация и внедрение результатов.
-
Разработанный измерительный оптический комплекс (мобильный автоматизированный измерительный комплекс) внедрен в практику полигонных испытаний ФКП «НТИИМ». Акт внедрения от 10.11.2016 г.
-
Полученные в работе модели движений оптической системы, следящей за различными типами и видами боеприпасов на траектории, использованы при проектировании и отработке МАИК «Траектория» и оптико-электронной станции «Канал-1», а также используются в настоящее время при разработке новых опытных образцов оптико-электронной системы слежения «Радиан» (ФКП «НТИИМ»). Акт использования от 10.11.2016 г.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийские научно-технические конференции «Проектирование систем вооружения, боеприпасов и измерительных комплексов» - г. Нижний Тагил, ФКП «НТИИМ», 2012, 2013, 2014 и 2015 гг.; Третья Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные основы баллистического проектирования – 2012», г. Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012 г.; Третья Всероссийская научно-техническая конференция «Рдултовские чтения-2012», г. Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2012 г.; Международная конференция «Восьмые Окуневские чтения», г. Санкт-Петербург, БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2013 г.; XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов», г. Тула, ТулГУ, 2014 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Интеллект-2014», г. Тула, ТулГУ, 2014 г.; XXXII научная сессия, посвященная Дню радио, Тула, ТулГУ. 2014 г.; Научно-технические конференции молодых специалистов, г. Екатеринбург, НПО «Автоматика», 2013, 2015 гг.
Работа в целом докладывалась на расширенном заседании НТС Федерального казенного предприятия «Нижнетагильский институт испытания металлов» 14 апреля 2016 года (протокол № 2 от 22.04.2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 18 статей в научной периодической печати и 1 патент на полезную модель. В числе публикаций 5 статей в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ.
Личный вклад автора.
Математические модели и связанные с ними исследования, рассмотренные в диссертации, выполнены автором лично. Кроме того, с непосредственным участием автора:
разработана техническая и конструкторская документация (структурная, функциональная и принципиальные схемы) для изготовления и эксплуатации измерительной следящей системы;
созданы опытные образцы системы слежения, успешно прошедшие натурные испытания;
разработана методика проведения полигонных испытаний с применением созданной системы, включая программное обеспечение;
изучены и определены эксплуатационные ограничения системы.
Выбор направлений и методов исследований, формирование структуры работы выполнены при участии научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста и включающих 63 рисунка, 3 таблицы, и списка использованной литературы из 109 наименований.
Классификация и анализ существующих траекторных информационно-измерительных систем
Значимое место в техническом оснащении испытательных полигонов во всем мире занимает радиолокационная техника, применяемая для определения множества параметров функционирования боеприпасов при перемещении их как в канале ствола артиллерийского орудия, так и на внешней траектории, вплоть до взаимодействия с целью. Используется она и в части определения параметров метеорологических факторов, сопутствующих проведению стрельбовых испытаний [84]. Применение выпускаемых в РФ импульсных радиолокаторов для измерения координат траектории артиллерийских и реактивных снарядов ограничено недостаточной точностью. Тем не менее, импульсные радиолокаторы применялись и применяются в настоящее время. Применялись станции орудийной наводки «Сон-4», «Сон-9», «Сон-15», затем стали применяться станции сопровождения ракет «Кама», «Кама-А», в настоящее время применяется «Кама-Н». Последняя позволяет сопровождать артиллерийские и реактивные снаряды с целью определения правильности их полета, прогнозировать координаты падения с целью облегчения последующих поисков, определять правильность работы реактивного двигателя реактивных и активно-реактивных снарядов. При этом временные характеристики определяются достаточно точно [54]. Существуют и другие радиолокационные станции траекторных измерений, часть из которых, включая описание их характеристик, приведена в [30] .
Для точного определения координат траектории в настоящее время в СКБ ИЗАП ФКП «НТИИМ» разрабатываются координатные радиолокаторы с непрерывным излучением [62], использующие эффект Доплера и последние достижения сверхвысокочастотной (СВЧ) техники и технологии (элементная база, антенная техника, следящий привод), а также новые методы математической обработки измерительной информации [54]. Подробно о доплеровских РЛС, применяемых на полигонах, их характеристиках и опыте использования изложено в [7, 49, 74, 84].
Безусловными преимуществами радиолокационных средств являются возможность работы в темное время суток, малая зависимость от погодных условий, большая дальность действия. Но радиолокационные средства не позволяют наблюдать за процессом движения летательного аппарата визуально. При использовании доплеровских РЛС существует также проблема разрешения противоречия между требованиями однозначности и точности определения наклонной дальности до боеприпаса. Оптические средства потенциально обладают более высокой точностью определения угловых координат объекта. Недостатками же оптических и оптико-электронных средств являются зависимость от условий освещенности и от погоды, а также ограниченная дальность [19, 26, 47]. Также нельзя не отметить, что работа оптической аппаратуры хуже поддается автоматизации [55, 80, 82, 95, 96].
Заметим, что очень сложным является учет всевозможных аберраций объективов и прочих искажений, свойственных оптическим измерительным системам [1, 14, 53, 60, 69], вследствие чего последние неизбежно нуждаются в довольно продолжительных процедурах настройки и калибровки [29, 48, 81]. Довольно распространенной в практическом плане является калибровка измерительных систем теодолитной компоновки по звездам [1, 81]. Однако, применение высококачественных и высокотехнологических унифицированных узлов (где искажения заведомо сведены к минимуму), составляющих оптический тракт информационно-измерительной системы, позволяет частично облегчить перечисленные задачи и значительно сократить время на их проведение.
Определенные искажения в измерительную информацию вносит и механика угломерных приборов (это влияние, очевидно, может сказаться не только на аппаратуре, работающей в оптическом диапазоне, но и, например, на радиолокационной). Как следствие существует много разных методов исключения влияния нарушения геометрии угломеров на их точность [37, 38, 39, 40, 41, 42]. Анализ показывает, что в основе их различия лежит принятое допущение о возможной нестабильности геометрии прибора.
Довольно сложными являются методы обработки информации в основных режимах работы оптического прибора: поиск, обнаружение, селекция, слежение [4, 33, 50, 51, 59, 70]. В оптических и оптико электронных приборах селекция объектов на фоне сосредоточенных помех может выполняться по ряду признаков [4, 109]: – по энергии (по уровню сигнала); – по дальности; – по угловой скорости; – по угловому положению относительно других объектов; – по оптическому спектру; – по приращению измеряемых параметров.
Существуют также различные методы борьбы с помехами оптико-электронных устройств [38, 50, 51, 103, 106].
Несмотря на присущие недостатки, такие качества, как многофункциональность и гибкость применения оптических и оптико-электронных средств, а также высокая информативность и наглядность выходной информации обуславливают их широкое использование. Это стало возможным благодаря стремительному развитию элементной базы и электронно-вычислительной техники за последние годы.
Для проведения внешнетраекторных измерений на некоторых участках траекторий применяется кинотеодолитный метод, который дает возможность находить не только пространственные координаты объекта измерения, но и ряд производных параметров его движения. Кинотеодолитный метод заключается в том, что с нескольких кинотеодолитных постов ведется слежение за движением конкретного объекта, производится его синхронное фотографирование и затем определяются его угловые координаты (азимут и угол места) как функции времени. В состав кинотеодолитной станции могут входить несколько постов слежения, но не менее двух. Третий и последующие посты выполняют вспомогательные функции и могут быть использованы для контроля определения координат объекта. Одновременное слежение более чем с двух измерительных постов позволяет также исключить ошибки измерений при сопровождении объекта под острыми углами, и при пропадании видимости в условиях засветки (на фоне Солнца) [26]. Кроме этого существуют методы уточнения информации о траектории за счет пространственной и временной избыточности исходных измерительных данных [57].
Основная часть любого кинотеодолита – главный (измерительный) 1 и визирные 2 телескопы (рис. 1.3), оптические оси которых параллельны. Визирные телескопы предназначены для удобства наведения оптической оси главного телескопа на объект съемки.
Движение объекта по настильной траектории
Современные боеприпасы ствольных артиллерийских и реактивных систем, поведение которых исследуется при проведении полигонных испытаний, отличаются большим конструктивным и, как следствие, функциональным разнообразием. При этом все они делятся на две большие группы: управляемые и неуправляемые [25]. Их общим характерным признаком являются высокие скорости движения на траектории и, как следствие, кратковременность сопровождающих их функционирование процессов, а также отсутствие резких изменений кинематических параметров на большей части траектории (за исключением этапов выстрела или старта, вскрытия или разделения в заданной точке траектории и встречи с преградой) [68, 99].
Таким образом, объект измерения, наблюдение за которым на априори известном участке траектории реализует измерительная следящая система, является основным источником для решения задач формирования ее облика, обеспечения условий проведения испытаний с учетом предельных значений ее соответствующих технических и эксплуатационных характеристик, включая задачи приемлемой взаимоориентации точек расположения измерительных постов и исследуемого участка траектории.
Экспериментальная баллистика ставит своей целью определение экспериментальными методами комплекса баллистических параметров, оказывающих существенное влияние на функционирование артиллерийских и ракетных комплексов, а также входящих в их боекомплект боеприпасов. Основой таких методов баллистических исследований в современных условиях является рациональное сочетание натурных и вычислительных экспериментов.
Наиболее полные и достоверные сведения дает натурный эксперимент, однако он, как правило, дорог и требует длительного времени на его подготовку и проведение. Более удобным и дешевым является эксперимент, проводимый с моделью [5], но адекватность результатов последнего должна в необходимой мере контролироваться натурными испытаниями.
Усложнение объектов испытаний ставит перед экспериментальной полигонной баллистикой новые проблемы, основными из которых, на наш взгляд, являются:
1. Недоступность непосредственного измерения некоторых характеристик объектов испытаний, то есть совокупность показателей, по которым производится оценка качества испытуемого объекта, шире совокупности параметров объекта, которые на данном этапе развития полигонного оборудования возможно определить экспериментально.
Например, параметры нутации и прецессии малоразмерных объектов, которые не могут быть снабжены телеметрией, на конкретных участках их траекторий.
2. Необходимость организации испытаний объектов, функционирование которых происходит, с одной стороны, на протяженных участках траектории, с другой, носит сложный динамический характер и подвержено существенному влиянию изменяющихся условий внешней среды. Например, существуют задачи измерения внешнетраекторных параметров корректируемых артиллерийских снарядов [35] на достаточно большом отрезке траектории с достаточно высокими требованиями к точности оценки в точках коррекции и при наличии различных внешних воздействующих факторов. Траектория корректируемого снаряда имеет сложный характер и может состоять из одного или нескольких баллистических участков и соответственно одного или нескольких участков коррекции [26, 56].
3. При исследовании сложных комплексов повышается значение технических возможностей измерительной и регистрирующей аппаратуры как основного источника получения необходимой для отработки изделия информации.
4. Теоретическое моделирование с выходом на виртуальное полигонное пространство становится неотъемлемым компонентом развития современных артиллерийских и боеприпасных полигонов, без которого невозможно планирование эксперимента, подбор оборудования, его проведение и обработка результатов.
В настоящее время накоплен обширный материал по экспериментальной отработке ракетно-артиллерийской, авиационной и космической техники. Однако, эти материалы, частично опубликованные в многочисленных периодических и специальных изданиях, разобщены и методически неоднородны. Большое количество и разнообразие подлежащих определению параметров, отсутствие единых методик в постановке и проведении экспериментов, большое разнообразие испытательных стендов делают задачи теоретического обеспечения и сопровождения испытаний, обеспечивающие получение достоверной информации о функционировании испытуемого объекта в условиях минимальных затрат времени и средств, в каждом конкретном случае важными и актуальными.
Требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам, разрабатываемым для слежения за артиллерийскими объектами, движущимися по баллистической траектории
Заметим, что величина максимальной угловой скорости в выражении (2.4) инвариантна по отношению к x0, xк и не зависит от расположения точки 0 на исследуемом участке траектории. Если величина (л)тах является единственным лимитирующим параметром измерительного комплекса, то с помощью соотношения (2.4) 00тах = , положив в нем Октах = [ L где [0й - максимально допустимая угловая скорость вращения платформы в горизонтальной плоскости, можно построить рабочие номограммы для определения контуров допустимого расположения измерительных комплексов относительно плоскости стрельбы. Примеры таких номограмм для [wi = 2,0 с"1 и [0) 2 = 4,0 с"1 приведены на рисунке 2.23. Зоны допустимого расположения измерительного комплекса выделены на нем штриховкой.
Зависимость (2.7) тах = 2 так же, как и в предыдущем случае, позволяет, положив в ней тах = є , где s - максимально допустимое угловое ускорение вращения платформы в горизонтальной плоскости, строить рабочие номограммы для определения зон допустимого расположения измерительного комплекса. Примеры таких номограмм для l = 1,5с"2 и 2 = 7,0 с"2 приведены на рисунке 2.24. Зоны допустимого расположения измерительного комплекса также выделены на нем штриховкой. Рис. 2.23. Пример рабочих номограмм для определения зон допустимого расположения измерительного комплекса по предельной угловой скорости.
Пример рабочих номограмм для определения зон допустимого расположения измерительного комплекса по предельному угловому ускорению. Совместное использование номограмм по предельным угловым скоростям и ускорениям (рис. 2.23 и 2.24), построенных для комплекта реальных кинематических характеристик измерительного комплекса, в каждом конкретном случае позволяет определять предельно допустимые координаты точек его расположения, обеспечивающих нормальное функционирование (из двух найденных с помощью номограмм значений окончательно принимается наибольшее dmax), то есть позволяет строить предельно допустимый контур расположения аппаратуры.
Причем, то обстоятельство, что величина 00тах не зависит от абсциссы точки расположения комплекса на исследуемом участке траектории, позволяет формулировать задачу рационального выбора абсциссы из условия обеспечения возникновения Єтах в эксперименте однократно. При этом анализ показывает, что в случае выполнения условия (хк - Х0 2 3 измерительное устройство целесообразно располагать в точке, соответствующей середине исследуемого участка траектории. Кроме этого, найденное выше значение dmin позволяет без труда определить предельно возможную длину участка траектории Lmax , на котором возможна качественная видеосъемка сопровождаемого объекта с помощью данного измерительного комплекса: Lmax = 2хктах = 2х0тах 2Rlax - d2min, (2.32) где Rmax - наибольшее для данной оптической системы расстояние от объектива до объекта, когда он еще различим в приемлемом качестве (в рамках данной работы величина Rmax, также как и CX(V) и р(у) , является заданной для различных условий внешней среды при проведении испытаний).
Полученные выше кинематические соотношения в сочетании с ограничениями, накладываемыми на возможности оптических компонентов аппаратуры (качество изображения), позволяют оценивать предельно допустимые зоны размещения видеорегистрирующей аппаратуры на территории полигона с точки зрения обеспечения возможности качественного проведения визуального сопровождения исследуемого объекта в границах технических возможностей аппаратуры. Практическая реализация этого является вариантом оптимизационной задачи, решение которой позволяет при расположении аппаратуры на местности одновременно учитывать влияние двух отмеченных выше разнонаправленных факторов, являющихся, по сути, векторами ограничений. Целевыми функциями в данном случае являются зависимости кинематических параметров приводов во вращательном движении платформы и разрешающей способности оптической компоненты аппаратуры от расстояния ее до исследуемого объекта наблюдения. В данной работе исследуется поведение первой группы целевых функций.
Ниже представлено решение частного варианта сформулированной выше задачи определения контуров области вокруг интересующего участка траектории, «разрешенной» для размещения платформ для прямолинейного равномерного движения объекта наблюдения по настильной траектории.
Для этого задаются известными значениями максимально возможной угловой скорости платформы и скорости сопровождаемого объекта V. Тогда из (2.11) имеем: = ± cos . (2.33) Если линия стрельбы представляет собой настильную траекторию вдоль оси X, то справедливы следующие выкладки. Интересующий участок траектории - от точки 0 до некоторого значения A. В частном случае точка 0 может являться точкой выстрела, что в данном случае непринципиально. Параметр d в формуле (2.33) откладывается вдоль оси Z. Угол выражается через параметр, откладываемый вдоль X:
Основные тактико-технические характеристики измерительного комплекса для сопровождения артиллерийских боеприпасов
При разработке технического задания на проектирование комплекса, наряду с общими принципами и способами компоновки [ 3, 15, 31, 32, 61, 65, 72, 73, 107], оценивались технические требования, предъявляемые к нему (как и к любой системе траекторных измерений), которые содержат: - перечень измеряемых параметров траектории и необходимую точность их определения [17, 22, 44, 46, 91, 97]; - участки траектории, на которых должны проводиться измерения, их протяженность и удаленность [11, 47, 49, 64]; - технические характеристики объекта испытаний [49].
Электромеханическая следящая платформа предназначена для установки и наведения оптических модулей, находящихся на ней, на объект измерения, вычисления текущих угловых координат наведения в пространстве и ввода кодов углов в станцию управления и обработки.
Платформа должна иметь оси вращения в вертикальной и горизонтальной плоскости. Углы поворота вертикальной оси по углу азимута не менее, чем от 0 до 180о, горизонтальной оси по углу места от -5 до 90о. Максимальная угловая скорость вращения горизонтальной и вертикальной осей платформы должна быть не менее 50 0/с. На осях вращения платформы должны быть установлены автоматические датчики углов. Пределы горизонтирования платформы ±30 угловых минут. Горизонтирование платформы должно осуществляться вручную по цилиндрическому уровню.
Платформа должна управляться дистанционно с помощью ручки управления на панели станции управления и обработки, а также по измерительным данным от телевизионной измерительной или панорамной систем.
Телевизионная измерительная система предназначена для высокоточного измерения угловых координат движения обычных и управляемых боеприпасов ракетно-артиллерийского вооружения на начальном, активном и управляемом участках траектории, а также записи последовательности цифровых изображений объекта на траектории в память станции управления и обработки. Телевизионная измерительная система должна производить обнаружение и сопровождение объекта в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. В ручном режиме работы оператор на видеомониторе визуально обнаруживает объект и с помощью ручки управления панели станции управления и обработки сопровождает объект, удерживая его в поле зрения телевизионной измерительной системы. В полуавтоматическом режиме работы телевизионная измерительная система обнаружение объекта производится также визуально по его изображению на мониторе станции управления и обработки, а сопровождение объекта производится программно по заранее запрограммированным критериям. В автоматическом режиме работы телевизионной измерительной системы обе операции должны быть произведены программно по заданным критериям обнаружения и сопровождения объекта [4, 94, 98].
Среднеквадратическая ошибка измерения координат изображения объекта в плоскости матричного приемника телевизионной измерительной системы должна быть не более 30 угловых секунд.
Телевизионная панорамная система предназначена для измерения в широком поле зрения и передачи на станцию управления и обработки угловых координат движения объектов на траектории или функционирования их у цели, а также записи видеоинформации изображения объектов или их функционирования.
Программное обеспечение телевизионной панорамной системы в широком угле поля зрения должно производить обнаружение и сопровождение объекта в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах. Режимы работы телевизионной панорамной системы имеют тот же смысл, что и соответствующие режимы для телевизионной измерительной системы. СКО измерения изображения объекта в плоскости матричного приемника телевизионной панорамной системы должна быть не более 50 угловых секунд.
В телевизионной панорамной системе должна предусматриваться возможность перехода на сопровождение объекта с помощью телевизионной измерительной системы ( и наоборот ) по команде оператора.
В рамках данной работы для разработанной системы выбрана схема телевизионной измерительной системы с адаптацией (рис. 2.26 б). Структурная схема устройства, обеспечивающая реализацию стоящих перед ним задач, представлена на рисунке 3.14.