宋曉明，劉小強(qiáng)，壽少峻，柳井莉

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

艦載光電跟蹤儀作為對敵目標(biāo)的一種探測設(shè)備，以其探測目標(biāo)時跟蹤精度高、抗干擾能力強(qiáng)和作戰(zhàn)時可直接獲得目標(biāo)的圖像等特點(diǎn)，在現(xiàn)役各種武器系統(tǒng)中大量裝備，在現(xiàn)代國防中受到越來越多的重視[1]。光電跟蹤儀調(diào)舷時間的縮短意味著武器系統(tǒng)反應(yīng)時間的減小，給后續(xù)火控、武器攻擊爭取了先發(fā)的時間，相應(yīng)提升了我方裝備、人員的戰(zhàn)場生存能力[2]。

1 研究課題提出

1.1 調(diào)舷簡介

光電跟蹤儀接收到以大地球坐標(biāo)系表示的目標(biāo)方位指示數(shù)據(jù)Bc及距離指示數(shù)據(jù)Rc后，根據(jù)光電跟蹤儀當(dāng)前在大地球坐標(biāo)系中所處的角位置B0，方位伺服系統(tǒng)自動以最快的時間從任意的當(dāng)前位置B0用最佳運(yùn)動方式靠向Bc位置，同時仰角伺服系統(tǒng)也從任意的當(dāng)前位置E0快速運(yùn)動到所需定位的位置Ec，完成調(diào)舷，以便對目標(biāo)進(jìn)行空域搜索、捕獲與跟蹤。

對動態(tài)系統(tǒng)來說，一個重要的指標(biāo)就是完成給定任務(wù)所需的時間，特別對于光電跟蹤儀這種跟蹤系統(tǒng)來說，快速反應(yīng)是它們的致命點(diǎn)，而大角度調(diào)舷時間占武器反應(yīng)時間的一大部分，因此，如何快速調(diào)舷在工程上是個很有意義的課題[3]。

1.2 常用調(diào)舷速度曲線

目前常用的調(diào)舷速度曲線主要有以下3種：

1）直線型加減速速度曲線。此種加減速控制方法加減速過程快速，計算簡單，節(jié)省資源[4]。

2）指數(shù)型加減速速度曲線。此種方法符合系統(tǒng)固有頻率，加減速過程快速而平穩(wěn)適用于控制系統(tǒng)處理速度快且對加減速過程要求高的場合[5]。

3）S型加減速曲線。其運(yùn)動過程依次為加加速運(yùn)動階段，加速運(yùn)動階段，減加速運(yùn)動階段，勻速運(yùn)動階段，加減速運(yùn)動階段，加減速運(yùn)動階段，減速運(yùn)動階段，減減速運(yùn)動階段。主要適用于對加減速平穩(wěn)性要求較高的場合[6]。

1.3 調(diào)舷速度曲線的選取

某艦載光電系統(tǒng)在初樣機(jī)設(shè)計中，采用的加減速曲線為：直線升速，指數(shù)曲線減速。在實(shí)驗中，我們發(fā)現(xiàn)，指數(shù)曲線減速收斂比較慢，調(diào)舷耗時較長，且計算量偏大，占用資源較大。

由于該光電系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)為快速目標(biāo)，對速度要求較高，并且控制計算機(jī)任務(wù)繁重，要求調(diào)舷占用盡量少的資源，因此，在改進(jìn)中采用了直線型加減速曲線進(jìn)行調(diào)舷。

一般情況下最佳快速調(diào)舷的速度曲線由最大加速度、最大恒速保持段和最大減速段三部分組成，呈等腰梯形。當(dāng)調(diào)舷行程比較短時，沒有最大恒速保持段，因而呈等腰三角形。最佳快速調(diào)舷速度曲線采用等腰梯形模型，但實(shí)際編程時最好采用非等腰梯形模型，即速度上升段的加速度取得大一些，而速度下降段的加速度則取得小一些。這樣做主要是考慮到若速度下降段的加速度取得過大，容易使角度位置沖過頭，而不利于最終的位置鎖定。

2 實(shí)驗驗證

為驗證調(diào)舷改進(jìn)設(shè)計的可行性，本研究以某型光電系統(tǒng)為硬件平臺，采用了直線型加減速曲線與現(xiàn)有的指數(shù)型加減速曲線對比，以調(diào)舷期望性能參數(shù)為指標(biāo)規(guī)劃了調(diào)舷運(yùn)動過程，最后在某型光電系統(tǒng)硬件平臺上進(jìn)行調(diào)舷操作，并錄取數(shù)據(jù)，與現(xiàn)有系統(tǒng)調(diào)舷數(shù)據(jù)進(jìn)行對比并對之進(jìn)行評估。

2.1 調(diào)舷方式規(guī)劃及指標(biāo)

通過某型光電系統(tǒng)平臺核算，其調(diào)舷可按如下方式及性能進(jìn)行規(guī)劃：

1）方位機(jī)構(gòu)

方位機(jī)構(gòu)調(diào)舷時采用“不等腰梯形”模型進(jìn)行調(diào)舷。

方位大角度調(diào)舷期望模型如下圖所示，方位最大調(diào)舷速度≥250°/s；速度上升段最大調(diào)舷加速度≥900°/s2，速度下降段最大調(diào)舷加速度≥700°/s2；

圖1 方位調(diào)舷速度理論上曲線模型（0°－90°）Fig.1 Azimuth Adjust side speed curve model on theory（0°－90°）

90°典型調(diào)舷速度曲線為一不等腰三角形，過程分為兩部分，加速段，減速段?？捎嬎愠觯?/p>

加速段時間：t1=0.295 8 s；加速段行程：S1=39.38°。

減速段時間：t2=0.380 3 s；減速段行程：S2=50.62°。

0°—90°方位調(diào)舷時間為 t=t1+t2+0.676 s。

2）俯仰機(jī)構(gòu)

俯仰機(jī)構(gòu)調(diào)舷時采用“等腰梯形”模型進(jìn)行。

俯仰大角度調(diào)舷期望模型如圖2所示，俯仰最大調(diào)舷速度≥200°/s；俯仰最大調(diào)舷加速度≥500°/s2；

圖2 俯仰調(diào)舷速度曲線模型（0°-85°）Fig.2 Elevation Adjust side speed curve model on theory（0°-85°）

85°典型調(diào)舷速度曲線為一等腰梯形，過程分為3部分，加速段，減速段，恒速段?？捎嬎愠觯?/p>

加速段時間：t1=0.4；加速段行程：S1=40°。

恒速段時間：t2=0.025 s；恒速段行程：S2=5°。

減速段時間：t3=0.4 s；減速段行程：S3=40°。

0°—85°俯仰調(diào)舷時間為 t=t1+t2+t3+0.825 s。

2.2 實(shí)驗結(jié)果

經(jīng)臺架測試，并通過操控系統(tǒng)記錄典型調(diào)轉(zhuǎn)過程的速度、位置數(shù)據(jù)，測試結(jié)果與改進(jìn)前光電平臺調(diào)舷性能對比。

1）方位 90°調(diào)舷

現(xiàn)有系統(tǒng)以加速段以700°/s2加速度加速，減速段使用指數(shù)曲線收斂，最后閉位置環(huán)。位置曲線和速度曲線見下圖。

圖3 現(xiàn)有系統(tǒng)方位90°調(diào)舷位置曲線Fig.3 Azimuth90°Adjust side position curve

圖4 現(xiàn)有系統(tǒng)方位90°調(diào)舷速度曲線Fig.4 Azimuth90°Adjust side speed curve

改進(jìn)后系統(tǒng)以加速段以900°/s2加速度加速，減速段以700°/s2加速度減速，最后閉位置環(huán)。位置曲線和速度曲線見下圖。

圖5 改進(jìn)后系統(tǒng)方位90°調(diào)舷位置曲線Fig.5 Improved azimuth90°adjust side position curve

圖6 改進(jìn)后系統(tǒng)方位90°調(diào)舷速度曲線Fig.6 Improved azimuth 90°djust side speed curve

2）俯仰 85°調(diào)舷

現(xiàn)有系統(tǒng)以加速段以336°/s2加速度加速，減速段使用指數(shù)曲線收斂，最后閉位置環(huán)。位置曲線和速度曲線見下圖。

圖7 現(xiàn)有系統(tǒng)俯仰85°調(diào)舷位置曲線Fig.7 Elevation85°Adjust side position curve

圖8 現(xiàn)有系統(tǒng)俯仰85°調(diào)舷速度曲線Fig.8 Elevation85°Adjust side speed curve

改進(jìn)后系統(tǒng)以加速段以500°/s2加速度加速，減速段以500°/s2加速度減速，最后閉位置環(huán)。位置曲線和速度曲線見下圖。

圖9 改進(jìn)后系統(tǒng)俯仰85°調(diào)舷位置曲線Fig.9 Improved Elevation85°Adjust side position curve

圖10 改進(jìn)后系統(tǒng)俯仰85°調(diào)舷速度曲線Fig.10 Improved Elevation85°Adjust side speed curve

通過上述曲線，系統(tǒng)改進(jìn)前后速度、加速度和調(diào)舷時間等參數(shù)對比如下表。

表1 系統(tǒng)改進(jìn)前后參數(shù)對照表Tab.1 Pre-and post-parameter system improvements table

3 結(jié)束語

實(shí)驗證明，對比了目前系統(tǒng)的調(diào)舷性能和調(diào)舷改進(jìn)后通過專題試驗測試的性能，從表1可以看出，改進(jìn)設(shè)計可行，且改進(jìn)后大大縮短了調(diào)舷時間，改進(jìn)后方位90°典型調(diào)舷時間由原系統(tǒng)的1.08 s縮短到0.66 s，俯仰85°典型調(diào)舷時間由原系統(tǒng)的3.04 s縮短到0.76 s。由此可見選擇合理的調(diào)舷曲線，在保證調(diào)舷精度的前提下，可以有效縮短調(diào)舷時間。

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