Параметрический синтез оптико-электронной следящей системы с гироприводом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Дмитриев, Андрей Васильевич

• Дмитриев, Андрей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриев, Андрей Васильевич

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИНТЕЗ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СЛЕДЯЩЕЙ СИСТЕМЫ КАК СОВОКУПНОСТИ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ПОДСИСТЕМ.

1.1 Общий алгоритм решения задачи синтеза ОЭСС.

1.2 Структура оптико-электронной следящей системы с гироприводом.

1.3 Основные характеристики ОЭСС. Постановка задачи синтеза.

1.4 Погрешности определения координат. Общее представление целевой функции системы.

Выводы.

ГЛАВА 2 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ПОДСИСТЕМА. ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТОЧНОСТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ.

2.1 Основные параметры и характеристики ОС и требования к ним.

2.2 Основные принципы формирования изображения оптической системой.

2.3 Варианты построения ОС.

2.3.1 Обтекатель.

2.3.2 Линзовые объективы.

2.3.3 Зеркальные объективы.

2.3.4 Зеркально-линзовые объективы.

2.4 Этапы проектирования оптической системы.

2.4.1 Характеристика основных этапов проектирования ОС.

2.4.2 Применение автоматизированных средств. при проектировании ОС.^.

2.5 Поток излучения в изображении объекта.

2.6 Пеленгационная характеристика оптико-электронной системы с четырехэлементным координатно-чувствительным приемником.

2.7 Точность определения координат наблюдаемого объекта.

2.8 Целевая функция оптико-электронного тракта.

2.8.1 Соотношение размеров поля, чувствительной площадки ПИ и изображения объекта.

2.8.2 Распределение энергии излучения в изображении объекта на площадках ПИ.51 ■

2.8.3 Энергия излучения на площадках приемника и общий поток, попадающий на приемник.

Выводы.

ГЛАВА 3. ГИРОСКОПИЧЕСКАЯ ПОДСИСТЕМА.

3.1 Математическая модель гиросистемы.

3.2 Идеальное движение управляемого гироскопа.

3.3 Погрешности слежения гиросистемы.

3.3.2 Погрешности, вызванные нестабильностью моментной характеристики системы коррекции.76 ■

3.3.2 Ложный управляющий сигнал, обусловленный переменным кинетическим моментом ротора.

3.3.3 Погрешности, вызванные наличием сил сухого трения в опорах подвеса.

3.3.4 Суммарные погрешности гироскопического привода.

Выводы.

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА СИНТЕЗА ПАРАМЕТРОВ ОЭСС.

4.1 Общая погрешность определения скорости цели ОЭСС.

4.2 Методика синтеза параметров ОЭСС.96 •

4.3 Пример применения методики синтеза параметров ОЭСС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Параметрический синтез оптико-электронной следящей системы с гироприводом»

Стремительное развитие оптико-электронных приборов во второй половине прошлого столетия привело к появлению особого типа следящих систем, работающих в оптическом диапазоне электромагнитного излучения -оптико-электронных следящих систем (ОЭСС). За полувековую историю развития данного класса систем благодаря постоянному ужесточению требований к их точности и совершенствованию элементной базы было создано множество видов и модификаций ОЭСС, в которых воплотились передовые научные и конструкторские решения мировых лидеров в проектировании и производстве оптических систем, электроники, гироскопов и т.д. Современные ОЭСС представляют собой сложные информационно-измерительные системы, применяемые, прежде всего, в таких передовых областях как авиационно-космическая и ракетная техника. Однако, не смотря на то, что существует широкий спектр специализированной литературы по оптике, гироскопии, электронике, которая позволяет по заданным требованиям спроектировать отдельные подсистемы ОЭСС либо провести анализ их конкретных схем, единого комплексного описания ОЭСС в литературе не встречается. Это существенно затрудняет процесс проектирования и не дает возможности быстро и точно оценить качество ОЭСС как единой системы, а также влияние на него отдельных параметров различных подсистем.

Целью данной работы является построение методики синтеза параметров ОЭСС, основанной на оценке влияния параметров системы на качество ее работы, осуществляемой при помощи математической модели, учитывающей особенности совместной работы подсистем ОЭСС.

Для осуществления этой цели необходимо решение следующих задач: 1. Разработка математических моделей оптико-электронной и гироскопической подсистем ОЭСС.

2. Создание единой математическая модель ОЭСС, позволяющей учитывать влияние параметров ее подсистем на качество всей системы как единого целого.

3. Определение вида целевой функции синтеза ОЭСС, как зависимости погрешностей системы от ее параметров.

4. Разработка методика синтеза параметров ОЭСС, основанной на оптимизации параметров подсистем с помощью исследования поведения целевой функции.

Методологической и теоретической основой работы послужили методы системного анализа, теория синтеза и проектирования систем, теория гироскопичеких систем, теория проектирования оптико-электронных систем, теория оптических систем, теория аберраций и дифракционного формирования оптического изображения.

Результатами работы, обладающими научной новизной, являются:

1. Обобщенная математическая модель ОЭСС, построенная на базе математических моделей отдельных подсистем.

2. Целевая функция синтеза системы, разработанная на основе обобщенной математической модели.

3. Методика синтеза параметров ОЭСС, разработанная на основе соотношений, полученных в результате оптимизации целевой функции и анализа обобщенной математической модели системы.

Теоретическая ценность работы состоит едином описании ОЭСС в виде обобщенной математической модели, позволяющей выявить основные параметры подсистем, наиболее сильно влияющие на качество системы.

Практической ценностью работы является методика синтеза параметров ОЭСС, основанная на целевых функциях и обобщенной математической модели, позволяющая упростить и повысить качество результатов проектирования систем.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

- «Оптика и образование», С-Петербург, 2004;

- 1-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России», ТулГУ, 2004;

- международная научная конференции «XXX гагаринские чтения», г. Москва, МАТИ-РГТУ им. Циолковского, 2004.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей и тезисов докладов.

Введение содержит обоснование актуальности темы исследований, формулировку цели и задач диссертационной работы, краткое изложение результатов по основным разделам.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Дмитриев, Андрей Васильевич

Выводы

1. Общая погрешность может быть представлена как функция конструктивных параметров ОЭСС, на основе исследования значения которой может осуществляться выбор этих параметров в процессе синтеза.

2. Методика синтеза параметров ОЭСС, построенная на базе этого выражения и материалов глав 2 и 3 позволяет осуществлять выбор параметров системы исходя из заданных исходных данных, что было подтверждено на примере синтеза ОЭСС с зеркально-линзовой оптической системой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами работы являются:

1. Обобщенная математическая модель ОЭСС, построенная на базе математических моделей отдельных подсистем.

2. Целевая функция синтеза системы, разработанная на основе обобщенной математической модели, включающая в себя целевые функции подсистем.

3. Методика синтеза параметров ОЭСС, разработанная на основе соотношений, полученных в результате оптимизации целевой функции и анализа обобщенной математической модели системы.

Проведенное комплексное исследование оптико-электронной и гироскопической подсистем дало возможность выявить параметры, наиболее сильно влияющие на работу ОЭСС и разработать методику синтеза параметров ОЭСС, основанную на результатах анализа обобщенной математической модели. Базисом для решения оптимизационных задач методики послужили целевые функции:

1. Целевая функция, связывающая энергию излучения в изображении цели и основные характеристики оптической системы, приемника излучения и атмосферы, позволяющая выбрать оптимальный рабочий спектральный диапазон и приемник излучения.

2. Целевая функция, позволяющая оптимизировать соотношения геометрических размеров поля зрения, изображения цели и чувствительной площадки ПИ.

3. Целевая функция ОЭСС, определяющая влияние величины входного зрачка ОС на погрешности системы, состоящая из двух частей, определяемых погрешностями гироскопической и оптико-электронной подсистем.

Разработанная методика позволяет упростить и повысить качество результатов проектирования системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриев, Андрей Васильевич, 2005 год

1. Аведьян А.Б. Современные программные комплексы для решения инженерных и прикладных научных проблем. // САПР и графика, 1998, №2. -с.24-27.

2. Астапов Ю.М., Васильев Д.В., Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988.- 328 с.

3. Бабаев A.A. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов. Л.-.Машиностроение, 1984.- 232 с.

4. Бабичев В.И. Области применнеия и особенности бортовых ф гироприборов управляемых ЛА ракетно-артиллерийских комплексов.

5. Оборонная техника №5-6. 1994. с. 6-8.

6. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. М.:Машиностроение, 1973.-488 с.

7. Бельский М.Д., Суворинов A.B., Филипчук Т.С. Применение теории оптимального управления к оптимизационным задачам зондоформирующей электронной оптики // Изв. РАН. Сер. Физ., 2001, № 8. с.124-128.

8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики/Пер с англ. С.Н. Бреуса; Под ред. Г.П. Мотулевич. М.:Наука, 1973.-719 с.

9. Будин В. П. Оценка предельных возможностей объектива с малым * угловым полем, состоящего из одиночного параболического зеркала. // ОМП.- 1991. №3, с. 44-47.

10. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер С.А. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.:Наука, 1965.- 353 с.

11. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, K.M. Константинович, И.В. Меськин и др.; под ред. Ю.Г. Якушенкова. -М.: Машиностроение, 1987.- 480 с.

12. Вязигина Л.И., Распопов В.Я., Савельев В.В. Расчеты на жесткость и прочность элементов карданова подвеса трехстепенных гироскопов сwприменением ЦВМ. Тула:ТулПИ, 1982.-98 с.

13. Гвоздева H.П., Коркина К.И. Теория оптических систем и оптические измерения. Учебник для техникумов. М.: Машиностроение, 1981. - 384с.

14. Горин В.И., Распопов В.Я. Гирокоординаторы вращающихся ракет. М.:НТЦ «Информтехника», 1996.-152с.

15. Гришин A.C. Астатический гироскоп во вращающемся кардановом подвесе и его уходы при угловых колебаниях основания. //Инж. журн. Механика твердого тела, 1966. №3, с. 66-70.

16. Демидов C.B., Иванов Ю.В., Особенности разработки систем автоматизации проектирования оптико-электронных приборов наведения. //В сб. «Известия Тульского государственного университета», вып.4, т. 1.-Тула, 2001.-с. 143-144.

17. Дмитриев A.B. Влияние конструктивных параметров оптической системы на точностные характеристики следящего пеленгатора.//Сборник трудов. Конференция «Оптика и образование» СПб: СПбГУ ИТМО, 2004, с.94-96.

18. Дмитриев A.B. Влияние оптической системы на параметры гирокоординатора цели летательного аппарата.//Изв. ВУЗов. Приборостроение, 2005, № 8, с. 68-74.

19. Дмитриев A.B. Ошибки оптико-электронной измерительной системы с четырехплощадочным разрезным фотодиодом. // Тезисы докладов международной научной конференции «XXX гагаринские чтения», Москва, МАТИ-РГТУ им. Циолковского, 2004, с. 71.

20. Дэвид А. Марка, Клемент Мак-Гоуэн. Методология структурного анализа и проектирования./Пер. С англ. М.:Мир, 1993 г.- 240 с.

21. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-376 с.

22. Заказнов Н.П. Прикладная геометрическая оптика. М.: Машиностроение, 1984. - 184 с.

23. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных лучей в атмосфере. М.:Советское Радио, 1970.-496 с.

24. Зуев В.Е. Расчет объемных коэффициентов ослабления излучения дымками в диапазоне длин волн 0,3-25 мкм // Изв. вузов. Физика. 1969. N1. -с. 107-111.

25. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Л.:Машиностроение, 1986.-175 с.

26. Каватеров Г.И., Мандельштамм С.М. Введение в информационную теорию измерений. М.: Энергия, 1974.- 175 с.

27. Калиткин H.H. Численные методы. М.:Наука, 1978.-512 с.

28. Каргу Л.И. Некоторые способы повышения точности гироскопических приборов. М.Машиностроение, 1966. - 223 с.

29. Каргу Л.И., Яблонская В.А. О характере движения астатического гироскопа во вращающемся кардановом подвесе. Изв. вузов. Приборостроение, 1972, №7. с. 90-95.

30. Катыс Г.П. Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. М.:Машиностроение, 1986.- 416 с.

31. Катыс Г.П. Оптико-электронная обработка информации. -М.: Машиностроение, 1973.-447 с.

32. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач/ Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.- 656 с.

33. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. М.: Машиностроение, 1973.- 335 с.

34. Корякин О.Г., Рогов С.В. Особенности конструкций управляемых гиприводов./Юборонная техника. 1994 №5-6.с. 17-24.

35. Криксунов Л.З. Следящие системы с оптико-электронными координаторами К.: Тэхника, 1991. 156с.

36. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. Радио, 1978.-400с.

37. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения движущихся объектов. -М.:Советское Радио, 1968.- 320 с.

38. Криксунов Л.З., Усольцев И.Ф. Инфракрасные системы. М.: Советское Радио, 1968.-319 с.

39. Кринецкий Е.И. Системы самонаведения. М.¡Машиностроение. 1970. -236с.

40. Кудряшов Г.Н., Павлов В.А. Гироскопы с принудительным вращением карданова подвеса. Л.Машиностроение, 1978.- 100 с.

41. Лазарев Л.П. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов. М., Машиностроение, 1986.- 216 с.

42. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989.-512 с.

43. Лазарев Л.П., Лазарев В.В. Оптико-электронные приборы систем управления летательными аппаратами. М.:Машиностроение, 1978.- 175 с.

44. Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. М.: Мир. 1974. - 448с.

45. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.:Мир, 1979.- 470 с.

46. Марк Д., Мак-Гоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования. М.:Метатехнология, 1993.- 320 с.

47. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М.:Наука, 1968.168 с.

48. Милях А.Н., Барабанов В.А., Двойных Е.В. Трехстепенные электрические машины. Киев: Наук. Думка, 1979.- 312с.

49. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.:Машиностроение, 1983.- 696 с.

50. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев E.H. Теория оптико-электронных систем. М.Машиностроение, 1990.- 432 с.

51. Неусыпин А.К. Гироскопические приводы. М.: Машиностроение, 1978. -192с.

52. Николаи Е.Л. Теория гироскопов. Л., 1948, - 171 с.

53. Норенков В.В. Основы автоматизированного проектирования: Учеб.для вузов. М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.- 360 с.

54. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.:Советское Радио, 1977.- 232 с.

55. Основы синтеза приборов и систем.:Учеб. Пособие /В.Я. Распопов; Тул. гос. ун-т. Тула, 2000.- 132 с.

56. Павлов A.B. Оптико-электронные приборы: основы теории и расчета. -М.:Энергия, 1974.-359 с.

57. Павлов A.B., Черников А.И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М.:Энергия, 1972.- 240 с.

58. Патрушев Г. Я. Влияние турбулентности атмосферы на пеленгационную характеристику оптического угломерного устройства. // ОМП. 1991.- №1, с. 35-37.

59. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Гироскопические приборы и сиатемы: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1986. - 424с. ч.2.

60. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов: Учеб. для вузов. М.: Высш. шк., 1986. -423с. ч.1.

61. Погорельский С.Л., Пальцев М.В., Дмитриев A.B. Методика расчета энергетических параметров оптико-электронного прибора с фотоприемником матричного типа.//Изв. ВУЗов. Приборостроение, 2003, № 9, с.54-56.

62. Порфирьев Л.Ф. Теория оптико-электронных приборов и систем. -Л.:Машиностроение, 1989.- 387 с.

63. Проектирование оптико-электронных приборов. Изд. 2-е, перераб и доп./Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.:Логос, 2000.- 488 с.

64. Пустынский И.Н., Слободян С.М. Диссекторные следящие системы. -М.:Радио и связь, 1984.-136 с.

65. Распопов В.Я. Тепломеханические гиромоторы. Учеб. пособие. Тула, ТулПИ, 1983.- 84 с.

66. Распопов В.Я., Савельев В.В. Гироскопы с быстровращающимся кардановым подвесом. Тула:ТулПИ, 1983.- 87 с.

67. Распопов В.Я., Савельев В.В., Ловыгин A.C. Проектирование гироскопических систем. Проектирование гироприборов с вращающимся подвесом. Тула:ТулПИ, 1987. -68 с.

68. Растригин JI.A. Современные принципы управления сложными объектами. М.-.Советское Радио, 1980.-230 с.

69. Ратнер Е.С. О пороговой чувствительности приемников излучения. -Оптика и спектроскопия, 1960, т.9, вып.1, с. 101-107

70. Родионов В.И. Гироскопические системы стабилизации и управления. -Тула: Тул. Гос. Ун-т, 2000.-192с.

71. Русинов М.М. Композиция оптических систем. JL: Машиностроение, 1982.-320 с.

72. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. 2-е изд., перераб. и доп. М.:Машиностроение, 1969.-670 с.

73. Слюсарев Г.Г. Расчет оптических систем. JL: Машиностроение, 1975. -• 640 с.

74. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. 3-е изд. -М.: Высшая школа, 2001.- 343 с.

75. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. -Л.:Машиностроение, 1989.-196 с.

76. Соловьев А.Э. Зависимость ошибок гироприводов головок самонаведения от электромагнитных процессов, протекающих в системе «ротор-статор» трехстепенных электрических машин.//Оборонная техника №4. 2001.С.68-71.

77. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения//Изв. Вузов СССР. Приборостроение, 1986. Вып.9, с. 62-69.

78. Страуструп Б. Язык программирования С++./Пер. с англ. Киев: ДиаСофт, 1993.-296 с.

79. Темников Ф.Е., Афонин В.А.,Дмитриев В.И. Технические основы информационной техники. М.: Энергия, 1979. 458 с.

80. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Учеб. Пособие для вузов по спец. «Оптические приборы». М.:Машиностроение, 1965-Т.1. 362 е.; 1966-Т.2. 431 с.

81. Уайльд Д. Оптимальное проектирование. М.:Мир, 1981. 456 с.

82. Фаворин М.В. Моменты инерции тел. Справочник. Под ред. М.М. Гернета. М.:Машиностроение, 1977.-512 с.

83. Фридман A. JI. Основы объектно-ориентированной разработки программных систем. М.: "Финансы и статистика", 2000 г. - 192 с.

84. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-536 с.

85. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование. М.: Мир, 1983.-695 с.

86. Хорафас Д., Легг С. Конструкторские базы данных. М.: Машиностроение, 1990.- 224 с

87. Цаленко М. Ш. Моделирование семантики в базах данных. М.: Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. 1989 г.- 286 с.

88. Цуканова Г.И. Исследование экранирования, виньетирования и аберраций высших порядков в трехзеркальных планастигматах // ОМП, 1991. №3, с. 37-44.

89. Черноруцкий И.Г. Оптимальный параметрический синтез. Электромеханические устройства и системы. Л.:Энергоатомиздат, 1987. -232с.

90. Шарловский Ю.В. Механические устройства малых оптических систем. М.:Машиностроение, 1979.- 128 с.

91. Шестов Н.С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех. М.:Советское Радио, 1967.- 347 с.

92. Яблонская В.А. О влиянии сухого трения на движение гироскопа с принудительным вращением карданова подвеса. // Изв. Вузов. Приборостроение, 1967. -№9, с. 80-83

93. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. -М.:Машиностроение, 1989.-360 с.