ОПТИКО-ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С КРУГОВОЙ ЗОНОЙ ПОИСКА: АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
УДК 621.373.826:621.384.3
ОПТИКО-ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С КРУГОВОЙ ЗОНОЙ ПОИСКА: АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
© 2009 г. М. Ф. Борисов; М. Ф. Данилов; А. А. Максимов; Н. Г. Мотылев, канд. техн. наук; Н. И. Павлов, доктор техн. наук; А. Я. Прилипко; С. В. Телятников; А. Л. Чилипенко
Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
Е-mail: contact@niiki.ru
Рассматривается оптико-локационная система с круговой зоной поиска, способная осуществлять обнаружение объектов по радиационному контрасту и их допоиск по отраженному лазерному излучению, циклическое сопровождение выделенных объектов с построением оптимальной траектории сканирования, захват приоритетного объекта и его точное сопровождение. Подвижные оптико-механические узлы снабжены блоками управления, имеют датчики текущего состояния и цифровые электроприводы, что позволяет программно перестраивать функции системы. Предложен и реализован метод управления исполнительными устройствами, основанный на использовании генератора траекторных заданий. Представлены результаты, характеризующие точность выполнения траекторных заданий электроприводами исполнительных устройств.
Ключевые слова: оптико-локационная система поиска, лазерный локатор, теплопеленгатор.
Коды OCIS: 220.4830, 280.3400, 120.1880
Поступила в редакцию 06.03.2009
Лазерные локационные системы поиска, обнаружения и сопровождения объектов с определением их пространственных координат и скорости относятся к важнейшим средствам получения информации об окружающей обстановке. Это обуславливается их разнообразными практическими применениями, включая контроль воздушного пространства в ближней зоне, навигацию и управление движением, предупреждение столкновений и др. [1, 2]. Часто лазерные локационные средства используются вместе с другими средствами поиска, в частности, теплопеленгаторами, которые осуществляют выдачу азимутальных и угломестных координат для наведения луча оптического локатора на объекты. Объединение пассивных и активных каналов получения информации в одной оптико-локационной системе способствует более успешному комплексному решению задачи. В работе [3] предложен вариант построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной поиска. Предложенная схема позволяет совместить функции каналов кругового поиска, захвата и пассивного сопровождения объекта в едином устройстве; совмещены
также в едином блоке приемные каналы теплопеленгатора и лазерного локатора. Подвижные оптико-механические узлы снабжены блоками управления, имеют высокоточные угловые датчики текущего состояния и программноуправляемые электроприводы, что позволяет перестраивать функции системы в соответствии с решаемыми ею задачами. Совокупность задач, решаемых оптико-локационной системой, включает:
– круговой поиск и обнаружение объектов в пассивном режиме по радиационному контрасту,
– допоиск выделенных объектов путем моноимпульсной лазерной локации непосредственно в процессе их пассивного поиска,
– циклическое сопровождение выделенных объектов с построением оптимальной траектории сканирования,
– определение местоположения и скоростей движущихся объектов,
– захват и точное сопровождение движущегося объекта, при котором оптическая ось системы совмещается с направлением на объект. Исполнение функций кругового поиска, обнаружения, сопровождения (циклического и точного с захватом
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
49
выделенного объекта), определения координат и скорости объектов обеспечивается аппаратнопрограммным комплексом оптико-локационной системы. Последний представляет собой распределенную командно-информационную систему (рис. 1), предназначенную для обработки получаемых оптико-локационных данных и управления локальными исполнительными устройствами.
Настоящая работа посвящена решению проблемы управления многофункциональной оптико-локационной системой, один из вариантов которой описан в работе [3]. В статье рассматривается алгоритм формирования команд управления, который обеспечивает в каждый момент времени позиционирование подвижных оптико-механических элементов с ошибками
не выше допустимых. Приводится описание структуры аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего реализацию предложенного алгоритма управления. Представлены результаты, характеризующие точность выполнения траекторных заданий исполнительными устройствами оптико-локационной системы.
Блок-схема и алгоритм функционирования оптико-локационной системы
На рис. 1 представлена блок-схема оптиколокационной системы, в которой в отличие от системы, описанной в работе [3], теплопеленгатор и лазерный локатор работают в разных
ЛСУ-αД SPI 19 ДДЛИ
SPI ЛСУ-βД
20
14 СД
13
ИМИС 21
ОМС ДС
ОР 2
SPI ЛСУ-АН 16
SPI ЛСУ-УМН 1 17
ПО ЛЛ 9
ФПУ ЛЛ 10
БОС ЛЛ БОИ 11
ПВО
SPI 3
ЛСУ КП 18
ЗЛ 12
БУИ 22
ФПУ ТП 4
БОС ТП 5
БОИ
БОИ
6
ЦБУ
7
Пульт управления
PCI-шина Рис. 1. Блок-схема оптико-локационной системы.
8
50 “Оптический журнал”, 76, 9, 2009
спектральных диапазонах. Соответственно приемные блоки теплопеленгатора (ТП) и лазерного локатора (ЛЛ) имеют раздельное исполнение. В схему введен оптический разветвитель (ОР), осуществляющий осевое совмещение апертур излучающего лазерного и приемных лазерного и теплопеленгационного каналов. Используется приемный вращающийся объектив (ПВО) оригинальной конструкции со спектроделительным зеркалом на задней поверхности входной линзы. Он в связке с оптическим разветвителем позволяет пространственно разделить принимаемые пучки лазерного и теплового излучений.
На рис. 1 используются следующие обозначения: ОМС-ДС – оптико-механическая схема двухкоординатного сканирования, ЛСУ-АН – локальная система управления азимутальным наведением, ЛСУ-УМН – локальная система управления угломестным наведением, ЛСУ-КП – локальная система управления компенсатором поворота изображения, ЛСУ-αД и ЛСУ-βД – локальные системы управления по α-координате и β-координате дефлектора лазерного излучения (ДДЛИ), ЗЛ – зондирующий лазер, ИМИС – импульсный многоспектральный источник света, СД – светоделитель, ПО – приемный объектив, ФПУ – фотоприемное устройство, БОС – блок первичной обработки сигналов, БОИ – блок вторичной обработки информации, БУИ – блок управления излучателями, ЦБУ – центральный блок управления.
Функционирование оптико-локационной аппаратуры происходит следующим образом [3]. Теплопеленгатор, имеющий многоэлементную “ножевую” диаграмму направленности, осуществляет сканирование заданной зоны верхней полусферы по разворачивающейся спирали, регистрируя радиационные характеристики точек контролируемого пространства. Получаемый массив информации сравнивается в реальном времени с записанными данными предыдущего цикла поиска. При выявлении радиационной флуктуации шаг спиральной развертки корректируется таким образом, чтобы выявленная точка пространства попала в диаграмму направленности лазерного локатора. Приход отраженного импульса лазерного излучения от выделенной точки пространства является сигналом подтверждения наличия в ней объекта, а временная задержка сигнала дает дальность до него.
Управляющая программа может перевести оптико-локационную систему из режима поиска объекта в режим его циклического сопровождения (слежения). В этом случае сигнал отметки
объекта обновляется с частотой азимутального сканирования. В общем случае для циклического слежения за несколькими объектами может быть выбрана более сложная траектория с быстрыми вариациями положения оптической оси по углу места в процессе азимутального сканирования.
Для перехода в режим захвата и точного сопровождения (оптическая ось системы в этом случае совмещается с направлением на выбранный объект) осуществляется быстрое торможение азимутального привода с коррекцией по углу места и раскруткой компенсатора поворота изображения приемного канала. К моменту завершения торможения в окрестности выбранной точки пространства теплопеленгатор из режима кругового поиска переходит в режим секторного обзора с радиальной разверткой контролируемого поля. По сигналам теплопеленгатора осуществляется совмещение местоположения объекта с диаграммой направленности лазерного локатора, который при захвате цели переходит в режим автосопровождения объекта.
Метод управления с использованием генератора траекторных заданий
Решение проблемы синхронного динамического управления исполнительными устройствами предполагает разработку и реализацию алгоритма формирования команд управления, который должен обеспечить в каждый момент времени позиционирование подвижных оптикомеханических элементов оптико-локационной системы с ошибками не выше допустимых. Ниже предлагается метод управления, основанный на использовании уравнения Кирхгофа для напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя постоянного тока [4]
Uä (t) = Ce ⎢⎡⎣ϕ(t) +Tì (ϕ(t) + ϕòð )+TeTìϕ(t)⎥⎦⎤. (1)
В уравнении (1) использованы следующие обозначения: Ce и Te – коэффициент ЭДС и электромагнитная постоянная электродвигателя, Tм – электромеханическая постоянная электропривода с нагрузкой, ϕ, ϕ, ϕ – соответственно угловая скорость вращения электродвигателя и ее производные по времени t, ϕòð – эквивалентное угловое ускорение, обусловленное моментом трения привода. Параметры Ce, Te и Tм известным образом выражаются через противо-ЭДС электродвигателя, сопротивление, индуктивность и ток в якорной цепи. Предполагаем, что момент инерции ротора электродвигателя много меньше совокупного момента инерции привода.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
51
Колебательными процессами, обусловленными
конечным значением жесткости механиче-
ской связи ротора с нагрузкой, пренебрегаем.
Основная идея управления сводится к тому,
чтобы с помощью уравнения (1) сформировать
управляющий сигнал Uд(t), который обеспечивает требуемую траекторию движения электро-
привода ϕ(t) с минимизацией ошибок, возни-
кающих из-за непрогнозируемых внешних воз-
мущений и ограниченной точности измерения
учитываемых параметров.
Для реализации цифрового устройства
управления приводом часто используют трех-
контурную систему подчиненного регулирования
(например, [5–7]). При этом внешний, средний
и внутренний контуры являются контурами
регулирования углового положения, угловой
скорости и тока в обмотках двигателя с соответ-
ствующими датчиками обратной связи. Автора-
ми предлагается другой подход к синтезу управ-
ляющего напряжения Uд, позволяющий упростить вычислительные процедуры и увеличить
частоту сервовычислений с нескольких килогерц
до нескольких десятков килогерц. Предлагаемый
подход имеет следующие особенности. При син-
тезе управляющего напряжения используются не
спектральные образы исполняемой траектории
ϕд и напряжения Uд, а их оригиналы. В состав управляющей системы включается генератор
траекторных заданий, который формирует
дискретную по времени координатную последовательность ϕ(ãn) = ϕã (nt1) (n – целые числа, t1 – значение дискрета времени), и соответствующие последовательности производных ϕ(ãn), ϕ(ãn), ϕã(n). При этом задаваемая траектория ϕг(t) формируется с требуемой точностью в виде кусочно-
непрерывной функции. Применяется алгоритм
асимптотического приближения исполняемой
траектории ϕд(t) к заданной ϕг(t). В момент начала движения состояние привода
игенераторатраекторииодинаковы: ϕä (0) = ϕã (0), ϕä (0) = ϕã (0), ϕä (0) = ϕã (0). При запуске генератора траекторных заданий управляющее напря-
жение формируется в следующем виде:
Uä(n) = U0 + U1(n) + U2(n) + U3(n),
(2)
U0 = CeTìϕòð, U1(n) = Ceϕ(ãn), U2(n) = CeTìϕ(ãn), U3(n) = CeTeTìϕã(n).
(3)
Фактически формулы (2) и (3) описывают регулятор с разомкнутой обратной связью. Для синтеза обратной связи используется алгоритм асимптотического приближения исполняемой
траектории ϕд(t) к задаваемой ϕг(t). Указанный алгоритм реализуется в следующей последова-
тельности. По меткам времени, совпадающим с
началом дискрета времени t1, датчики углового положения, скорости и ускорения формируют отсчеты ϕ(än), ϕ(än), ϕ(än). С использованием измеренных данных вычисляются сигналы ошибок,
определяющие рассогласование между заданным
и действительным состоянием привода,
Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än), Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än), Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än).
Для некоторого интервала времени tk = kt1 (k >> 1) вычисляются прогноз ошибки Δϕ(n + k) в отсутствие сигнала коррекции и параметр коррекции привода ϕk(n) такой, при котором прогнозируемая ошибка Δϕ(n + k) = 0,
Δϕk(n)
=
6 tk3
Δϕ(n)
+
6 tk2
Δϕ(n)
+
3 tk
Δϕ(n) .
(4)
Можно считать, что на протяжении дискрета времени t1 (будем полагать, что t1 Te. Вычислительные процедуры (2)–(5) определя-
ют три контура регулирования с обратной связью
по угловому положению, скорости и ускорению.
Оценка параметра tk, которая необходима для синтеза напряжения коррекции, может быть
получена численными методами.
Таким образом, для реализации предложенно-
го алгоритма структура исполнительной системы
оптико-локационной аппаратуры должна содер-
жать в своем составе центральный блок управле-
ния, осуществляющий синхронное вычисление траекторных параметров ϕ(in), ϕ(in), ϕ(in), ϕi(n) для всех исполнительных устройств, и локальные
системы управления, формирующие в момен-
ты времени t(n) = nt1 сигналы управления U(дn) электродвигателем. В состав ЛСУ должны также
52 “Оптический журнал”, 76, 9, 2009
входить измерители рассогласований привода по углу, скорости и ускорению (поскольку точных измерителей Δϕ(n) как правило не существует, на практике приходится ограничиваться первыми двумя).
На практике сигнал управления электродвигателем удобнее представлять следующей cуммой из 6 компонент Uä(ni ) (i = 1, … 6):
∑Uä(n) = 6 Uä(ni ) = À1ϕòð + À2ϕ(ãn) + i=1
∑+ À3ϕ(ãn) + À4Δϕ(n) + À5Δϕ(n) + À6 Δϕ(n). n
(6)
Назначение компонент Uä(ni ) следующее: Uä(n1) – компенсирует момент трения при начале движесднUвитä(иnяе3г)кпа–утрщеоилбивяеомспдпарзе,аичдUзиааä(вндn2аиа) е–нетмнковопйрмоаспщкуеоснеркнсооиисрртееуинвевиатрюлпаащрϕоде(ãтnвни)ии,вгяоаU-ϕтЭä(е(ãn4Дnл))С–я, компенсирует угловое рассогласование текущих координат с траекторным заданием, Uä(n5) – компенсирует рассогласование скорости привода и ее задания от генератора траекторий, Uä(n6) – исправляет систематические ошибки системы
управления. Коэффициенты А1, А2 и А3 вычисляются по результатам тестирования реального
привода при ступенчатом воздействии по графикам тока и скорости ϕ(än). Коэффициенты А4, А5 и А6 определяются методом математического
моделирования с учетом результатов тестирова-
ния при ступенчатом воздействии. Более точная
настройка осуществляется путем вариации по-
лс умчиеннинмыихзазнцаичеейнгирйафкиоэкфофв иошцииебнотковϕ(äАn4)., А5 и А6
Реализация метода управления
Структура аппаратно-программного комплекса оптико-локационной аппаратуры включает две полуавтономные системы, выполненные на базе промышленного компьютера (RACK-305G) с двумя процессорными платами и обменом данными между платами по интерфейсу “Ethernet”. Система 1 предназначена для цифрового преобразования, ввода и обработки информации теплопеленгационного и лазерного локационного каналов. Из блоков, приведенных на рис. 1, в ее состав входят: БОС ТП, БОС ЛЛ, БОИ. Система 2 обеспечивает управление оптикомеханическими и оптико-электронными исполнительными устройствами. В ее состав входят: ЦБУ, ЛСУ-АН, ЛСУ-УМН, ЛСУ-КП, ЛСУ-αД, ЛСУ-βД, БУИ.
Блок первичной обработки сигналов теплопеленгатора преобразует аналоговые сигналы в цифровые, нормирует их, выделяет сигналы объектов и вводит полученные данные в блок вторичной обработки информации. Блок вторичной обработки информации формирует отображение теплопеленгационных и локационных данных в единой системе координат, завязывает трассы (траектории) движения выделенных объектов и транслирует в ЦБУ их координатные последовательности. Наведение зондирующего лазерного пучка в точку местоположения объекта, выделенного теплопеленгатором, осуществляется по командам ЦБУ в БУИ и блок управления вращением зеркал ДДЛИ (рис. 1).
В ЦБУ синхронно с данными о координатах объектов, поступающими из блока вторичной обработки информации, транслируются данные датчиков о текущем состоянии оптикомеханических узлов оптико-локационной системы. ЦБУ с учетом текущего рабочего режима и координат объектов формирует функционально связанные траекторные задания и транслирует их в ЛСУ. Обмен данными между ЦБУ и ЛСУ осуществляется по шине PCI через платы сопряжения (контроллеры) типа ЛИР905. Частота обмена задается генератором тактовых импульсов и установлена равной 200 Гц (значение дискрета времени t2 = 5 мс). На каждой из плат сопряжения монтируется по два модуля управления, выполненных на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) “Cyclone-III” фирмы Altera. В ПЛИС осуществляется вычисление сигналов ШИМ – управления цифровыми электроприводами исполнительных устройств. ПЛИС работает в дискретах времени t1 = 40 мкс. ПЛИС с дискретностью t1 вычисляет угловые положения и скорости вращения валов исполнительных устройств, экстраполирует на текущий момент t траекторные параметры, полученные от ЦБУ в дискретах времени t2 = 5 мс, вычисляет угловые рассогласования между заданными и реальными угловыми положениями и скоростями, формирует коды с результатами вычисления сигналов управления и транслирует их (в протоколе SPI) в адреса цифровых драйверов управления электродвигателей, интегрированных с управляемыми источниками питания. На рис. 2 представлен вариант исполнения унифицированного цифрового привода, включающего в себя цифровой драйвер и программируемый источник питания. Обмен данными между модулем управления и цифровым драйвером двухсторонний, ответный сигнал несет информацию о текущем значении тока
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
53
Рис. 2. Цифровой привод.
якорной обмотки и состоянии электропривода. Измерение указанных параметров обеспечивается датчиками тока разрядностью 9 и датчиками угловых перемещений разрядностью до 19.
Для получения данных, характеризующих точность выполнения траекторных заданий электроприводами исполнительных устройств, изготовлен отладочный комплект оптиколокационной системы (рис. 3), блок-схема которой представлена на рис. 1. Исследования, проведенные на базе отладочного комплекта, подтвердили работоспособность метода управления с использованием генератора траекторных заданий. В качестве примера на рис. 4 представлено траекторное задание привода азимутального наведения в пространстве угловых координат, а на рис. 5 приведен график ошибок при его исполнении. Траекторное задание включает в себя три участка: начальный участок – разгон с постоянным ускорением, средний участок – движение с постоянной скоростью и конечный участок – торможение с постоянным ускорением.
Как видно из приведенных рисунков, ошибка исполнения траекторного задания на участке равномерного движения составляла не более двухтрех отсчетов углового датчика. Угловое разреше-
ϕ. г, рад/с.
40
20
0 1
3
5
7 t, c
Рис. 4. Траекторное задание привода азимутального наведения.
Δϕ, отсч. дат.
Рис. 3. Отладочный комплект оптико-локационной системы.
54
30
0
–30 1 3 5 7 t, c Рис. 5. График ошибок при исполнении приводом траекторного задания.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
ние датчика составляло 2π/125 000 = 5×10–5 рад. На участках разгона и торможения ошибка возрастала до 13–14 отсчетов, что было связано с отсутствием резерва мощности у использованных источников питания электродвигателей (пиковое значение напряжения коррекции при больших ускорениях ограничивается допустимыми для источника питания значениями тока и напряжения). Наблюдаемый резкий рост ошибки в момент останова привода при его торможении скорее всего обусловлен помехой из-за скачкообразного изменения момента трения в окрестности точки покоя (при ϕ(ãn) ≈ 0) и возникающими при этом автоколебаниями в системе привода. На участках разгона и торможения, а также при переводе оптико-локационной системы в режим секторного обзора имели место случаи срыва синхронизма привода компенсатора поворота изображения с азимутальным и угломестным приводами при последующем восстановлении синхронизма.
Заключение
Можно сформулировать следующие основные результаты работы. Предложена схема построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной поиска и теплопеленгатором и лазерным локатором, работающими в разных спектральных диапазонах. Разработан алгоритм управления исполнительными устройствами, основанный на использовании генератора траекторных заданий. Для его реализации создан отладочный комплект аппаратно-программного комплекса, содержащий центральный блок управления и локальные системы управления на базе унифицированных цифровых приводов и высокоточных угловых датчиков текущего состояния. Экспериментально подтверждена
работоспособность предложенного метода управления и получены данные, характеризующие достаточную точность выполнения траекторных заданий исполнительными устройствами. Предложенный метод синтеза цифрового привода с использованием генератора траекторных заданий может найти применение при решении других практических задач, в частности, при разработке роботизированных электромеханических систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеев И.Н., Протопопов В.В., Троицкий И.Н., Устинов Н.Д. Лазерная локация / Под ред. Устинова Н.Д. М.: Машиностроение, 1984. 272 с.
2. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М. и др. Основы импульсной лазерной локации / Под ред. Рождествина В.Н. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.
3. Прилипко А.Я., Павлов Н.И. Вариант построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной обзора // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 4. С. 51–56.
4. Смирнова В.И., Петров Ю.А., Разинцев В.И. Основы проектирования и расчета следящих систем. М.: Машиностроение, 1983. 296 с.
5. Башарин А.В., Новиков Б.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоатомиздат, 1982. 392 с.
6. Кротенко В.В., Толмачев В.А., Томасов В.С., Синицын В.А. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 11. С. 23–30.
7. Васильев В.Н., Томасов В.С., Шаргородский В.Д., Садовников М.А. Состояние и перспективы развития прецизионных электроприводов комплексов высокоточных наблюдений // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 6. С. 5–12.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
55
ОПТИКО-ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С КРУГОВОЙ ЗОНОЙ ПОИСКА: АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
© 2009 г. М. Ф. Борисов; М. Ф. Данилов; А. А. Максимов; Н. Г. Мотылев, канд. техн. наук; Н. И. Павлов, доктор техн. наук; А. Я. Прилипко; С. В. Телятников; А. Л. Чилипенко
Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем, г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
Е-mail: contact@niiki.ru
Рассматривается оптико-локационная система с круговой зоной поиска, способная осуществлять обнаружение объектов по радиационному контрасту и их допоиск по отраженному лазерному излучению, циклическое сопровождение выделенных объектов с построением оптимальной траектории сканирования, захват приоритетного объекта и его точное сопровождение. Подвижные оптико-механические узлы снабжены блоками управления, имеют датчики текущего состояния и цифровые электроприводы, что позволяет программно перестраивать функции системы. Предложен и реализован метод управления исполнительными устройствами, основанный на использовании генератора траекторных заданий. Представлены результаты, характеризующие точность выполнения траекторных заданий электроприводами исполнительных устройств.
Ключевые слова: оптико-локационная система поиска, лазерный локатор, теплопеленгатор.
Коды OCIS: 220.4830, 280.3400, 120.1880
Поступила в редакцию 06.03.2009
Лазерные локационные системы поиска, обнаружения и сопровождения объектов с определением их пространственных координат и скорости относятся к важнейшим средствам получения информации об окружающей обстановке. Это обуславливается их разнообразными практическими применениями, включая контроль воздушного пространства в ближней зоне, навигацию и управление движением, предупреждение столкновений и др. [1, 2]. Часто лазерные локационные средства используются вместе с другими средствами поиска, в частности, теплопеленгаторами, которые осуществляют выдачу азимутальных и угломестных координат для наведения луча оптического локатора на объекты. Объединение пассивных и активных каналов получения информации в одной оптико-локационной системе способствует более успешному комплексному решению задачи. В работе [3] предложен вариант построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной поиска. Предложенная схема позволяет совместить функции каналов кругового поиска, захвата и пассивного сопровождения объекта в едином устройстве; совмещены
также в едином блоке приемные каналы теплопеленгатора и лазерного локатора. Подвижные оптико-механические узлы снабжены блоками управления, имеют высокоточные угловые датчики текущего состояния и программноуправляемые электроприводы, что позволяет перестраивать функции системы в соответствии с решаемыми ею задачами. Совокупность задач, решаемых оптико-локационной системой, включает:
– круговой поиск и обнаружение объектов в пассивном режиме по радиационному контрасту,
– допоиск выделенных объектов путем моноимпульсной лазерной локации непосредственно в процессе их пассивного поиска,
– циклическое сопровождение выделенных объектов с построением оптимальной траектории сканирования,
– определение местоположения и скоростей движущихся объектов,
– захват и точное сопровождение движущегося объекта, при котором оптическая ось системы совмещается с направлением на объект. Исполнение функций кругового поиска, обнаружения, сопровождения (циклического и точного с захватом
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
49
выделенного объекта), определения координат и скорости объектов обеспечивается аппаратнопрограммным комплексом оптико-локационной системы. Последний представляет собой распределенную командно-информационную систему (рис. 1), предназначенную для обработки получаемых оптико-локационных данных и управления локальными исполнительными устройствами.
Настоящая работа посвящена решению проблемы управления многофункциональной оптико-локационной системой, один из вариантов которой описан в работе [3]. В статье рассматривается алгоритм формирования команд управления, который обеспечивает в каждый момент времени позиционирование подвижных оптико-механических элементов с ошибками
не выше допустимых. Приводится описание структуры аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего реализацию предложенного алгоритма управления. Представлены результаты, характеризующие точность выполнения траекторных заданий исполнительными устройствами оптико-локационной системы.
Блок-схема и алгоритм функционирования оптико-локационной системы
На рис. 1 представлена блок-схема оптиколокационной системы, в которой в отличие от системы, описанной в работе [3], теплопеленгатор и лазерный локатор работают в разных
ЛСУ-αД SPI 19 ДДЛИ
SPI ЛСУ-βД
20
14 СД
13
ИМИС 21
ОМС ДС
ОР 2
SPI ЛСУ-АН 16
SPI ЛСУ-УМН 1 17
ПО ЛЛ 9
ФПУ ЛЛ 10
БОС ЛЛ БОИ 11
ПВО
SPI 3
ЛСУ КП 18
ЗЛ 12
БУИ 22
ФПУ ТП 4
БОС ТП 5
БОИ
БОИ
6
ЦБУ
7
Пульт управления
PCI-шина Рис. 1. Блок-схема оптико-локационной системы.
8
50 “Оптический журнал”, 76, 9, 2009
спектральных диапазонах. Соответственно приемные блоки теплопеленгатора (ТП) и лазерного локатора (ЛЛ) имеют раздельное исполнение. В схему введен оптический разветвитель (ОР), осуществляющий осевое совмещение апертур излучающего лазерного и приемных лазерного и теплопеленгационного каналов. Используется приемный вращающийся объектив (ПВО) оригинальной конструкции со спектроделительным зеркалом на задней поверхности входной линзы. Он в связке с оптическим разветвителем позволяет пространственно разделить принимаемые пучки лазерного и теплового излучений.
На рис. 1 используются следующие обозначения: ОМС-ДС – оптико-механическая схема двухкоординатного сканирования, ЛСУ-АН – локальная система управления азимутальным наведением, ЛСУ-УМН – локальная система управления угломестным наведением, ЛСУ-КП – локальная система управления компенсатором поворота изображения, ЛСУ-αД и ЛСУ-βД – локальные системы управления по α-координате и β-координате дефлектора лазерного излучения (ДДЛИ), ЗЛ – зондирующий лазер, ИМИС – импульсный многоспектральный источник света, СД – светоделитель, ПО – приемный объектив, ФПУ – фотоприемное устройство, БОС – блок первичной обработки сигналов, БОИ – блок вторичной обработки информации, БУИ – блок управления излучателями, ЦБУ – центральный блок управления.
Функционирование оптико-локационной аппаратуры происходит следующим образом [3]. Теплопеленгатор, имеющий многоэлементную “ножевую” диаграмму направленности, осуществляет сканирование заданной зоны верхней полусферы по разворачивающейся спирали, регистрируя радиационные характеристики точек контролируемого пространства. Получаемый массив информации сравнивается в реальном времени с записанными данными предыдущего цикла поиска. При выявлении радиационной флуктуации шаг спиральной развертки корректируется таким образом, чтобы выявленная точка пространства попала в диаграмму направленности лазерного локатора. Приход отраженного импульса лазерного излучения от выделенной точки пространства является сигналом подтверждения наличия в ней объекта, а временная задержка сигнала дает дальность до него.
Управляющая программа может перевести оптико-локационную систему из режима поиска объекта в режим его циклического сопровождения (слежения). В этом случае сигнал отметки
объекта обновляется с частотой азимутального сканирования. В общем случае для циклического слежения за несколькими объектами может быть выбрана более сложная траектория с быстрыми вариациями положения оптической оси по углу места в процессе азимутального сканирования.
Для перехода в режим захвата и точного сопровождения (оптическая ось системы в этом случае совмещается с направлением на выбранный объект) осуществляется быстрое торможение азимутального привода с коррекцией по углу места и раскруткой компенсатора поворота изображения приемного канала. К моменту завершения торможения в окрестности выбранной точки пространства теплопеленгатор из режима кругового поиска переходит в режим секторного обзора с радиальной разверткой контролируемого поля. По сигналам теплопеленгатора осуществляется совмещение местоположения объекта с диаграммой направленности лазерного локатора, который при захвате цели переходит в режим автосопровождения объекта.
Метод управления с использованием генератора траекторных заданий
Решение проблемы синхронного динамического управления исполнительными устройствами предполагает разработку и реализацию алгоритма формирования команд управления, который должен обеспечить в каждый момент времени позиционирование подвижных оптикомеханических элементов оптико-локационной системы с ошибками не выше допустимых. Ниже предлагается метод управления, основанный на использовании уравнения Кирхгофа для напряжения, приложенного к якорной цепи электродвигателя постоянного тока [4]
Uä (t) = Ce ⎢⎡⎣ϕ(t) +Tì (ϕ(t) + ϕòð )+TeTìϕ(t)⎥⎦⎤. (1)
В уравнении (1) использованы следующие обозначения: Ce и Te – коэффициент ЭДС и электромагнитная постоянная электродвигателя, Tм – электромеханическая постоянная электропривода с нагрузкой, ϕ, ϕ, ϕ – соответственно угловая скорость вращения электродвигателя и ее производные по времени t, ϕòð – эквивалентное угловое ускорение, обусловленное моментом трения привода. Параметры Ce, Te и Tм известным образом выражаются через противо-ЭДС электродвигателя, сопротивление, индуктивность и ток в якорной цепи. Предполагаем, что момент инерции ротора электродвигателя много меньше совокупного момента инерции привода.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
51
Колебательными процессами, обусловленными
конечным значением жесткости механиче-
ской связи ротора с нагрузкой, пренебрегаем.
Основная идея управления сводится к тому,
чтобы с помощью уравнения (1) сформировать
управляющий сигнал Uд(t), который обеспечивает требуемую траекторию движения электро-
привода ϕ(t) с минимизацией ошибок, возни-
кающих из-за непрогнозируемых внешних воз-
мущений и ограниченной точности измерения
учитываемых параметров.
Для реализации цифрового устройства
управления приводом часто используют трех-
контурную систему подчиненного регулирования
(например, [5–7]). При этом внешний, средний
и внутренний контуры являются контурами
регулирования углового положения, угловой
скорости и тока в обмотках двигателя с соответ-
ствующими датчиками обратной связи. Автора-
ми предлагается другой подход к синтезу управ-
ляющего напряжения Uд, позволяющий упростить вычислительные процедуры и увеличить
частоту сервовычислений с нескольких килогерц
до нескольких десятков килогерц. Предлагаемый
подход имеет следующие особенности. При син-
тезе управляющего напряжения используются не
спектральные образы исполняемой траектории
ϕд и напряжения Uд, а их оригиналы. В состав управляющей системы включается генератор
траекторных заданий, который формирует
дискретную по времени координатную последовательность ϕ(ãn) = ϕã (nt1) (n – целые числа, t1 – значение дискрета времени), и соответствующие последовательности производных ϕ(ãn), ϕ(ãn), ϕã(n). При этом задаваемая траектория ϕг(t) формируется с требуемой точностью в виде кусочно-
непрерывной функции. Применяется алгоритм
асимптотического приближения исполняемой
траектории ϕд(t) к заданной ϕг(t). В момент начала движения состояние привода
игенераторатраекторииодинаковы: ϕä (0) = ϕã (0), ϕä (0) = ϕã (0), ϕä (0) = ϕã (0). При запуске генератора траекторных заданий управляющее напря-
жение формируется в следующем виде:
Uä(n) = U0 + U1(n) + U2(n) + U3(n),
(2)
U0 = CeTìϕòð, U1(n) = Ceϕ(ãn), U2(n) = CeTìϕ(ãn), U3(n) = CeTeTìϕã(n).
(3)
Фактически формулы (2) и (3) описывают регулятор с разомкнутой обратной связью. Для синтеза обратной связи используется алгоритм асимптотического приближения исполняемой
траектории ϕд(t) к задаваемой ϕг(t). Указанный алгоритм реализуется в следующей последова-
тельности. По меткам времени, совпадающим с
началом дискрета времени t1, датчики углового положения, скорости и ускорения формируют отсчеты ϕ(än), ϕ(än), ϕ(än). С использованием измеренных данных вычисляются сигналы ошибок,
определяющие рассогласование между заданным
и действительным состоянием привода,
Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än), Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än), Δϕ(n) = ϕ(ãn) − ϕ(än).
Для некоторого интервала времени tk = kt1 (k >> 1) вычисляются прогноз ошибки Δϕ(n + k) в отсутствие сигнала коррекции и параметр коррекции привода ϕk(n) такой, при котором прогнозируемая ошибка Δϕ(n + k) = 0,
Δϕk(n)
=
6 tk3
Δϕ(n)
+
6 tk2
Δϕ(n)
+
3 tk
Δϕ(n) .
(4)
Можно считать, что на протяжении дискрета времени t1 (будем полагать, что t1 Te. Вычислительные процедуры (2)–(5) определя-
ют три контура регулирования с обратной связью
по угловому положению, скорости и ускорению.
Оценка параметра tk, которая необходима для синтеза напряжения коррекции, может быть
получена численными методами.
Таким образом, для реализации предложенно-
го алгоритма структура исполнительной системы
оптико-локационной аппаратуры должна содер-
жать в своем составе центральный блок управле-
ния, осуществляющий синхронное вычисление траекторных параметров ϕ(in), ϕ(in), ϕ(in), ϕi(n) для всех исполнительных устройств, и локальные
системы управления, формирующие в момен-
ты времени t(n) = nt1 сигналы управления U(дn) электродвигателем. В состав ЛСУ должны также
52 “Оптический журнал”, 76, 9, 2009
входить измерители рассогласований привода по углу, скорости и ускорению (поскольку точных измерителей Δϕ(n) как правило не существует, на практике приходится ограничиваться первыми двумя).
На практике сигнал управления электродвигателем удобнее представлять следующей cуммой из 6 компонент Uä(ni ) (i = 1, … 6):
∑Uä(n) = 6 Uä(ni ) = À1ϕòð + À2ϕ(ãn) + i=1
∑+ À3ϕ(ãn) + À4Δϕ(n) + À5Δϕ(n) + À6 Δϕ(n). n
(6)
Назначение компонент Uä(ni ) следующее: Uä(n1) – компенсирует момент трения при начале движесднUвитä(иnяе3г)кпа–утрщеоилбивяеомспдпарзе,аичдUзиааä(вндn2аиа) е–нетмнковопйрмоаспщкуеоснеркнсооиисрртееуинвевиатрюлпаащрϕоде(ãтnвни)ии,вгяоаU-ϕтЭä(е(ãn4Дnл))С–я, компенсирует угловое рассогласование текущих координат с траекторным заданием, Uä(n5) – компенсирует рассогласование скорости привода и ее задания от генератора траекторий, Uä(n6) – исправляет систематические ошибки системы
управления. Коэффициенты А1, А2 и А3 вычисляются по результатам тестирования реального
привода при ступенчатом воздействии по графикам тока и скорости ϕ(än). Коэффициенты А4, А5 и А6 определяются методом математического
моделирования с учетом результатов тестирова-
ния при ступенчатом воздействии. Более точная
настройка осуществляется путем вариации по-
лс умчиеннинмыихзазнцаичеейнгирйафкиоэкфофв иошцииебнотковϕ(äАn4)., А5 и А6
Реализация метода управления
Структура аппаратно-программного комплекса оптико-локационной аппаратуры включает две полуавтономные системы, выполненные на базе промышленного компьютера (RACK-305G) с двумя процессорными платами и обменом данными между платами по интерфейсу “Ethernet”. Система 1 предназначена для цифрового преобразования, ввода и обработки информации теплопеленгационного и лазерного локационного каналов. Из блоков, приведенных на рис. 1, в ее состав входят: БОС ТП, БОС ЛЛ, БОИ. Система 2 обеспечивает управление оптикомеханическими и оптико-электронными исполнительными устройствами. В ее состав входят: ЦБУ, ЛСУ-АН, ЛСУ-УМН, ЛСУ-КП, ЛСУ-αД, ЛСУ-βД, БУИ.
Блок первичной обработки сигналов теплопеленгатора преобразует аналоговые сигналы в цифровые, нормирует их, выделяет сигналы объектов и вводит полученные данные в блок вторичной обработки информации. Блок вторичной обработки информации формирует отображение теплопеленгационных и локационных данных в единой системе координат, завязывает трассы (траектории) движения выделенных объектов и транслирует в ЦБУ их координатные последовательности. Наведение зондирующего лазерного пучка в точку местоположения объекта, выделенного теплопеленгатором, осуществляется по командам ЦБУ в БУИ и блок управления вращением зеркал ДДЛИ (рис. 1).
В ЦБУ синхронно с данными о координатах объектов, поступающими из блока вторичной обработки информации, транслируются данные датчиков о текущем состоянии оптикомеханических узлов оптико-локационной системы. ЦБУ с учетом текущего рабочего режима и координат объектов формирует функционально связанные траекторные задания и транслирует их в ЛСУ. Обмен данными между ЦБУ и ЛСУ осуществляется по шине PCI через платы сопряжения (контроллеры) типа ЛИР905. Частота обмена задается генератором тактовых импульсов и установлена равной 200 Гц (значение дискрета времени t2 = 5 мс). На каждой из плат сопряжения монтируется по два модуля управления, выполненных на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) “Cyclone-III” фирмы Altera. В ПЛИС осуществляется вычисление сигналов ШИМ – управления цифровыми электроприводами исполнительных устройств. ПЛИС работает в дискретах времени t1 = 40 мкс. ПЛИС с дискретностью t1 вычисляет угловые положения и скорости вращения валов исполнительных устройств, экстраполирует на текущий момент t траекторные параметры, полученные от ЦБУ в дискретах времени t2 = 5 мс, вычисляет угловые рассогласования между заданными и реальными угловыми положениями и скоростями, формирует коды с результатами вычисления сигналов управления и транслирует их (в протоколе SPI) в адреса цифровых драйверов управления электродвигателей, интегрированных с управляемыми источниками питания. На рис. 2 представлен вариант исполнения унифицированного цифрового привода, включающего в себя цифровой драйвер и программируемый источник питания. Обмен данными между модулем управления и цифровым драйвером двухсторонний, ответный сигнал несет информацию о текущем значении тока
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
53
Рис. 2. Цифровой привод.
якорной обмотки и состоянии электропривода. Измерение указанных параметров обеспечивается датчиками тока разрядностью 9 и датчиками угловых перемещений разрядностью до 19.
Для получения данных, характеризующих точность выполнения траекторных заданий электроприводами исполнительных устройств, изготовлен отладочный комплект оптиколокационной системы (рис. 3), блок-схема которой представлена на рис. 1. Исследования, проведенные на базе отладочного комплекта, подтвердили работоспособность метода управления с использованием генератора траекторных заданий. В качестве примера на рис. 4 представлено траекторное задание привода азимутального наведения в пространстве угловых координат, а на рис. 5 приведен график ошибок при его исполнении. Траекторное задание включает в себя три участка: начальный участок – разгон с постоянным ускорением, средний участок – движение с постоянной скоростью и конечный участок – торможение с постоянным ускорением.
Как видно из приведенных рисунков, ошибка исполнения траекторного задания на участке равномерного движения составляла не более двухтрех отсчетов углового датчика. Угловое разреше-
ϕ. г, рад/с.
40
20
0 1
3
5
7 t, c
Рис. 4. Траекторное задание привода азимутального наведения.
Δϕ, отсч. дат.
Рис. 3. Отладочный комплект оптико-локационной системы.
54
30
0
–30 1 3 5 7 t, c Рис. 5. График ошибок при исполнении приводом траекторного задания.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
ние датчика составляло 2π/125 000 = 5×10–5 рад. На участках разгона и торможения ошибка возрастала до 13–14 отсчетов, что было связано с отсутствием резерва мощности у использованных источников питания электродвигателей (пиковое значение напряжения коррекции при больших ускорениях ограничивается допустимыми для источника питания значениями тока и напряжения). Наблюдаемый резкий рост ошибки в момент останова привода при его торможении скорее всего обусловлен помехой из-за скачкообразного изменения момента трения в окрестности точки покоя (при ϕ(ãn) ≈ 0) и возникающими при этом автоколебаниями в системе привода. На участках разгона и торможения, а также при переводе оптико-локационной системы в режим секторного обзора имели место случаи срыва синхронизма привода компенсатора поворота изображения с азимутальным и угломестным приводами при последующем восстановлении синхронизма.
Заключение
Можно сформулировать следующие основные результаты работы. Предложена схема построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной поиска и теплопеленгатором и лазерным локатором, работающими в разных спектральных диапазонах. Разработан алгоритм управления исполнительными устройствами, основанный на использовании генератора траекторных заданий. Для его реализации создан отладочный комплект аппаратно-программного комплекса, содержащий центральный блок управления и локальные системы управления на базе унифицированных цифровых приводов и высокоточных угловых датчиков текущего состояния. Экспериментально подтверждена
работоспособность предложенного метода управления и получены данные, характеризующие достаточную точность выполнения траекторных заданий исполнительными устройствами. Предложенный метод синтеза цифрового привода с использованием генератора траекторных заданий может найти применение при решении других практических задач, в частности, при разработке роботизированных электромеханических систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеев И.Н., Протопопов В.В., Троицкий И.Н., Устинов Н.Д. Лазерная локация / Под ред. Устинова Н.Д. М.: Машиностроение, 1984. 272 с.
2. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М. и др. Основы импульсной лазерной локации / Под ред. Рождествина В.Н. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 512 с.
3. Прилипко А.Я., Павлов Н.И. Вариант построения многофункциональной оптико-локационной системы с круговой зоной обзора // Оптический журнал. 2008. Т. 75. № 4. С. 51–56.
4. Смирнова В.И., Петров Ю.А., Разинцев В.И. Основы проектирования и расчета следящих систем. М.: Машиностроение, 1983. 296 с.
5. Башарин А.В., Новиков Б.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. Л.: Энергоатомиздат, 1982. 392 с.
6. Кротенко В.В., Толмачев В.А., Томасов В.С., Синицын В.А. Синтез микропроцессорной системы управления электропривода опорно-поворотного устройства // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47. № 11. С. 23–30.
7. Васильев В.Н., Томасов В.С., Шаргородский В.Д., Садовников М.А. Состояние и перспективы развития прецизионных электроприводов комплексов высокоточных наблюдений // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 6. С. 5–12.
“Оптический журнал”, 76, 9, 2009
55