李穎娟,紀(jì) 明,侯春屏,陳 穎

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,西安 710065)

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車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定技術(shù)

李穎娟,紀(jì) 明,侯春屏,陳 穎

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,西安 710065)

為了探索一種炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)瞄技術(shù),分析了傳統(tǒng)車(chē)載炮長(zhǎng)鏡直接穩(wěn)定控制的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出了基于車(chē)載慣性導(dǎo)航設(shè)備的炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)定方法。將車(chē)載慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的車(chē)體姿態(tài)信息通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到炮長(zhǎng)鏡的擾動(dòng)速率信息并送給瞄準(zhǔn)線控制單元,控制炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線相對(duì)慣性空間保持穩(wěn)定。對(duì)車(chē)載炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)定技術(shù)的穩(wěn)瞄性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法是正確與實(shí)用的,與直接穩(wěn)定方法相比達(dá)到了同樣的穩(wěn)瞄精度。

炮長(zhǎng)鏡;陀螺;間接穩(wěn)定;瞄準(zhǔn)線

0 引言

炮長(zhǎng)鏡是坦克火控系統(tǒng)的主要分系統(tǒng),需承擔(dān)靜止和行進(jìn)間對(duì)敵方目標(biāo)搜索、穩(wěn)定瞄準(zhǔn)、跟蹤和測(cè)距,為火控系統(tǒng)提供必需的信息諸元。炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)定的目的是把炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定在慣性空間,實(shí)現(xiàn)炮長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)觀察與瞄準(zhǔn)。目前采用的兩軸速率陀螺敏感外界擾動(dòng)直接穩(wěn)定反射鏡的方式存在以下問(wèn)題:1)在有陀螺的車(chē)載炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄系統(tǒng)中,由于陀螺的耐沖擊性能比較差,是一個(gè)易損件,在試驗(yàn)和裝調(diào)中以及火炮射擊時(shí)經(jīng)常損壞,導(dǎo)致炮長(zhǎng)鏡的可靠性差;2)在有陀螺的車(chē)載炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄系統(tǒng)中,由陀螺來(lái)獲取炮長(zhǎng)鏡姿態(tài)角變化,并根據(jù)陀螺的輸出信號(hào)對(duì)瞄準(zhǔn)線進(jìn)行穩(wěn)定控制。但由于陀螺是一種敏感元件,在惡劣路況和較高車(chē)速條件下陀螺的精度會(huì)變差,導(dǎo)致瞄準(zhǔn)線漂移比較大;3)采用撓性陀螺由于需經(jīng)受高過(guò)載炮射沖擊,選用陀螺的制造成本高,選用光纖陀螺則因體積和成本等因素也會(huì)造成使用限制。為此,文中提出了一種車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定控制方法,以解決現(xiàn)有車(chē)載炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄控制所存在的問(wèn)題。

1 炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線直接穩(wěn)定原理簡(jiǎn)介

炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)定的傳統(tǒng)控制方法是將陀螺安裝于穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi),利用陀螺敏感到的瞄準(zhǔn)線相對(duì)于慣性空間的絕對(duì)速率來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)外的炮長(zhǎng)鏡伺服穩(wěn)定瞄準(zhǔn)鏡普遍采用陀螺敏感擾動(dòng),用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)被穩(wěn)光學(xué)零件,穩(wěn)定頭部的反射平面鏡[1-4]。

圖1為傳統(tǒng)車(chē)載炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄系統(tǒng)的構(gòu)成原理示意圖[5]。在該炮長(zhǎng)鏡中,俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器4、俯仰電機(jī)3和兩軸速率陀螺2均安裝在俯仰框架1的第一俯仰軸5上,而反射鏡6安裝在俯仰框架1的第二俯仰軸7上,第一、第二俯仰軸5、7通過(guò)一個(gè)2∶1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8連接。俯仰框架1安裝在炮長(zhǎng)鏡的方位軸9上。方位旋轉(zhuǎn)變壓器10和方位電機(jī)11安裝在方位軸9上。兩軸速率陀螺2敏感載體在方位和俯仰兩個(gè)自由度上的慣性速度;伺服系統(tǒng)以?xún)奢S速率陀螺2的信號(hào)為輸入,經(jīng)濾波、放大校正后,驅(qū)動(dòng)方位電機(jī)11和俯仰電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生的控制力矩經(jīng)伺服控制器分別帶動(dòng)方位軸和第一俯仰軸運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償載體運(yùn)動(dòng),保持兩個(gè)軸系相對(duì)慣性空間穩(wěn)定;方位的慣性穩(wěn)定能夠保證瞄準(zhǔn)線在方位方向的穩(wěn)定,而俯仰軸的運(yùn)動(dòng)則通過(guò)2∶1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)8帶動(dòng)反射鏡6轉(zhuǎn)動(dòng),以滿(mǎn)足瞄準(zhǔn)線轉(zhuǎn)動(dòng)角量為反射鏡6轉(zhuǎn)動(dòng)角兩倍的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線13的穩(wěn)定。

圖1 傳統(tǒng)車(chē)載炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖

2 炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定原理

炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)定需要慣性測(cè)量信息作為反饋,而一般的坦克裝甲車(chē)輛上都裝有慣性導(dǎo)航設(shè)備[6]。車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定技術(shù)是指陀螺是虛擬的,慣性器件間接敏感炮長(zhǎng)鏡反射鏡的軸系角運(yùn)動(dòng)而獲取測(cè)量信息,來(lái)實(shí)現(xiàn)炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)定。如圖2。

圖3為車(chē)載炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)瞄控制原理圖。從圖中可以看出,炮長(zhǎng)鏡的穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)分為電流控制單元和擾動(dòng)量獲取單元,炮長(zhǎng)鏡采用反射鏡穩(wěn)定方案,而擾動(dòng)量獲取單元?jiǎng)t代替了圖1中傳統(tǒng)炮長(zhǎng)鏡的兩軸速率陀螺。由于從慣性導(dǎo)航設(shè)備基坐-炮塔-炮長(zhǎng)鏡基坐為剛性傳遞,所以慣性導(dǎo)航設(shè)備、炮長(zhǎng)鏡和炮塔平臺(tái)受到車(chē)體的擾動(dòng)是一致的。因此,擾動(dòng)量獲取單元的主要任務(wù)是,根據(jù)炮長(zhǎng)鏡框架上安裝的方位旋轉(zhuǎn)變壓器和俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的反射鏡相對(duì)炮塔平臺(tái)的方位角位置信息和俯仰角位置信息,結(jié)合導(dǎo)航單元輸出的車(chē)體姿態(tài)信息,解算出炮長(zhǎng)鏡中反射鏡鏡體相對(duì)于慣性空間的角速率擾動(dòng)信息,并將該擾動(dòng)信息送給瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定控制單元的加法器,以參與瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定控制。但是,炮塔坐標(biāo)系和導(dǎo)航系統(tǒng)參考坐標(biāo)系不一致,必須經(jīng)過(guò)一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換才能獲得炮塔坐標(biāo)系上的擾動(dòng)量。文中所涉及的坐標(biāo)系有:導(dǎo)航坐標(biāo)系IMU系;慣性坐標(biāo)系i系,炮塔平臺(tái)坐標(biāo)系P系,炮長(zhǎng)鏡坐標(biāo)系PZ系。

圖2 坦克上光電系統(tǒng)安裝示意圖

圖3 車(chē)載炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)瞄控制原理圖

2.1 炮塔慣性擾動(dòng)量獲取

根據(jù)工作原理,如果已知t時(shí)刻慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的實(shí)時(shí)方位角度為α、俯仰角度為β、橫滾角度為γ;并且已知IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)炮塔的位置關(guān)系為方位角度α1、俯仰角度β1,采用東北天坐標(biāo)系。如果在安裝時(shí)保證α1=0,β1=0的情況下,得到IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)到炮塔坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(1)

則在t時(shí)刻,IMU導(dǎo)航系統(tǒng)到炮塔坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(2)

且有:

(3)

假設(shè)在t時(shí)刻,IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的擾動(dòng)量為Wi,此時(shí)炮塔坐標(biāo)系上的3個(gè)方向上的擾動(dòng)量為Wc,且有式(4)的解算關(guān)系:

(4)

這樣解算得到炮塔慣性擾動(dòng)量,但是炮塔穩(wěn)定只有方位軸的穩(wěn)定,也就是炮塔的慣性擾動(dòng)量為:Wcz=Wc(3)。

2.2 炮長(zhǎng)鏡慣性擾動(dòng)量獲取

由于炮長(zhǎng)鏡安裝在炮塔上,因此它受到的擾動(dòng)和炮塔受到的擾動(dòng)是一致的,也就是炮塔擾動(dòng)可以通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換傳遞給炮長(zhǎng)鏡,供炮長(zhǎng)鏡的穩(wěn)定用。炮長(zhǎng)鏡的穩(wěn)定是間接穩(wěn)定,也就是炮長(zhǎng)鏡原來(lái)需要陀螺測(cè)量的量,通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)測(cè)量,再經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換,而得到炮長(zhǎng)鏡的慣性擾動(dòng)量。

假設(shè)在t時(shí)刻,炮長(zhǎng)鏡相對(duì)炮塔位置發(fā)生了角度變化,分別為方位角度變化為α3,俯仰角度變化為β3,則通過(guò)炮塔坐標(biāo)系傳遞到炮長(zhǎng)鏡坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

(5)

則在t時(shí)刻,IMU慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的擾動(dòng)量為Wi,炮塔坐標(biāo)系上的擾動(dòng)量為Wc,此時(shí)炮長(zhǎng)鏡上原來(lái)三軸陀螺的實(shí)際輸入量為WPZ,且有:

(6)

而實(shí)際上,炮長(zhǎng)鏡上僅采用了兩個(gè)陀螺的輸出

量,即方位陀螺敏感方位變化角速度,俯仰陀螺敏感俯仰角度變化的變化量。因此,可以得到炮長(zhǎng)鏡方位向慣性擾動(dòng)量輸出量為WPZ(3);俯仰向慣性擾動(dòng)量的輸出量為WPZ(1)。

2.3 炮長(zhǎng)鏡控制方法

從上面的推導(dǎo)可以看出t時(shí)刻地理變化對(duì)車(chē)體的擾動(dòng)量可以轉(zhuǎn)化到對(duì)炮長(zhǎng)鏡的擾動(dòng)量上去。由于炮長(zhǎng)鏡的變化只有方位和俯仰,所以炮長(zhǎng)鏡相對(duì)慣性空間的方位擾動(dòng)量為WPZ(3),俯仰擾動(dòng)量為WPZ(1)。將方位和俯仰擾動(dòng)量分別除以數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔Δt,可得到如圖3中所示的炮長(zhǎng)鏡相對(duì)慣性空間的方位方向的擾動(dòng)速率ωx和俯仰方向的擾動(dòng)角速率ωy,即炮長(zhǎng)鏡虛擬陀螺的擾動(dòng)速率。

將計(jì)算出的ωx、ωy分別送入瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定控制單元參與炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)定控制。炮長(zhǎng)鏡受到的方位擾動(dòng)速率ωx和俯仰擾動(dòng)速率ωy與方位指令vx和俯仰指令vy取差,得到方位誤差信號(hào)ex=vx-ωx和俯仰誤差信號(hào)ey=vy-ωy并送入校正模塊?？梢钥闯鼋?jīng)過(guò)取差后的控制信號(hào)抵消掉了外界對(duì)炮長(zhǎng)鏡的擾動(dòng),可以保證炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線保持慣性穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 炮長(zhǎng)鏡慣性擾動(dòng)量獲取驗(yàn)證

為了測(cè)試炮長(zhǎng)鏡的間接穩(wěn)瞄性能而進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)安裝位置如圖4所示,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、電子箱和炮長(zhǎng)鏡都放置在地面上,采用電纜進(jìn)行連接。其中炮長(zhǎng)鏡的第一俯仰軸上安裝有兩只單自由度速率陀螺,用來(lái)驗(yàn)證通過(guò)數(shù)學(xué)方法獲取炮長(zhǎng)鏡擾動(dòng)量的正確性。

圖4 系統(tǒng)安裝位置示意圖

測(cè)試方法:炮長(zhǎng)鏡方位與俯仰軸同時(shí)擾動(dòng)情況下,在信號(hào)處理板的輸出端利用示波器表筆同時(shí)觀測(cè)炮長(zhǎng)鏡方位和俯仰陀螺直接輸出,以及采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式間接得到的炮長(zhǎng)鏡方位和俯仰向擾動(dòng)信號(hào)輸出。把采用陀螺直接獲得的炮長(zhǎng)鏡的擾動(dòng)量與間接方法獲取的擾動(dòng)量進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比曲線如圖5。圖中:通道1直接獲取的俯仰速率信號(hào);通道2直接獲取的方位速率信號(hào);通道3間接獲取的俯仰速率信號(hào);通道4間接獲取的方位速率信號(hào)。從圖中可以看到在炮長(zhǎng)鏡受到外界擾動(dòng)的情況下,通過(guò)間接方式和直接方式獲取的炮長(zhǎng)鏡方位向和俯仰向的擾動(dòng)信號(hào)變化一致。

圖5 炮長(zhǎng)鏡方位與俯仰同時(shí)擾動(dòng)條件下直接方式和間接方式獲取的擾動(dòng)信號(hào)對(duì)比

3.2 炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)瞄功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證炮長(zhǎng)鏡的間接瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定性能,在系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行了跑車(chē)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試條件為:在時(shí)速20 km/h,靶場(chǎng)自然道路條件下。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將瞄準(zhǔn)線對(duì)應(yīng)某一目標(biāo)點(diǎn),測(cè)試在跑車(chē)過(guò)程中瞄準(zhǔn)線偏離目標(biāo)點(diǎn)的程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差,計(jì)算得出方位向穩(wěn)定精度和俯仰向穩(wěn)定精度均小于0.2 mrad,與采用陀螺直接進(jìn)行炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定達(dá)到同樣的精度。

圖6 車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定跑車(chē)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

文中利用車(chē)載慣性導(dǎo)航設(shè)備輸出的車(chē)體姿態(tài)信息,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法解算得到車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線相對(duì)慣性空間的擾動(dòng)量,將該角速率擾動(dòng)信息輸送到炮長(zhǎng)鏡穩(wěn)瞄控制系統(tǒng)參與穩(wěn)定控制,實(shí)現(xiàn)了車(chē)載炮長(zhǎng)鏡瞄準(zhǔn)線間接穩(wěn)定功能。從跑車(chē)試驗(yàn)結(jié)果看間接穩(wěn)定技術(shù)的穩(wěn)定精度小于0.2 mrad,該方法切實(shí)可行。

炮長(zhǎng)鏡間接穩(wěn)瞄控制技術(shù)通過(guò)軟件實(shí)時(shí)解算炮長(zhǎng)鏡受到的擾動(dòng)角速率,不需要增加任何硬件資源便可以為車(chē)載炮長(zhǎng)鏡提供必要的角速率數(shù)據(jù),具有快速、簡(jiǎn)單、解算精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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Indirect Line-of-sight Stabilization Technique of Vehicular Gunner’s Periscopic Sight

LI Yingjuan,JI Ming,HOU Chunping,CHEN Ying

(Xi’an Institute of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

In order to explore an indirect line-of-sight stabilization technology of vehicular gunner’s periscopic sight, advantages and disadvantages of traditional direct stabilization method were analyzed. On the basis of this, a method of indirect LOS stabilization based on inertial navigation equipment was proposed. From the output of inertial navigation equipment on land vehicle, the attitude information of vehicle could be achieved, and the disturbance information of gunner’s periscopic sight was obtained by coordinate transformation from the attitude information. Then the disturbance information was sent to LOS control unit to keep the LOS be relatively stable to the inertial space. Experiments were taken to validate indirect LOS stabilization ability of vehicular gunner’s periscopic sight. The experiments results show that the method is correct and practical, and has the same precision with the direct LOS stabilization method.

gunner’s periscopic sight; gyroscope; indirect stabilization; line of sight

2014-08-08

“十二五”總裝備部重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

李穎娟(1981-),女,陜西戶(hù)縣人,高級(jí)工程師,研究方向:慣性導(dǎo)航技術(shù)。

U666.1

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