车载炮长镜瞄准线间接稳定技术

李颖娟,纪 明,侯春屏,陈 颖

(西安应用光学研究所,西安 710065)



车载炮长镜瞄准线间接稳定技术

李颖娟,纪 明,侯春屏,陈 颖

(西安应用光学研究所,西安 710065)

为了探索一种炮长镜瞄准线间接稳瞄技术,分析了传统车载炮长镜直接稳定控制的优缺点。在此基础上提出了基于车载惯性导航设备的炮长镜间接稳定方法。将车载惯性导航设备输出的车体姿态信息通过坐标转换得到炮长镜的扰动速率信息并送给瞄准线控制单元,控制炮长镜瞄准线相对惯性空间保持稳定。对车载炮长镜间接稳定技术的稳瞄性能进行了实验验证,实验结果表明该方法是正确与实用的,与直接稳定方法相比达到了同样的稳瞄精度。

炮长镜;陀螺;间接稳定;瞄准线

0 引言

炮长镜是坦克火控系统的主要分系统,需承担静止和行进间对敌方目标搜索、稳定瞄准、跟踪和测距,为火控系统提供必需的信息诸元。炮长镜稳定的目的是把炮长镜瞄准线稳定在惯性空间,实现炮长的动态观察与瞄准。目前采用的两轴速率陀螺敏感外界扰动直接稳定反射镜的方式存在以下问题:1)在有陀螺的车载炮长镜稳瞄系统中,由于陀螺的耐冲击性能比较差,是一个易损件,在试验和装调中以及火炮射击时经常损坏,导致炮长镜的可靠性差;2)在有陀螺的车载炮长镜稳瞄系统中,由陀螺来获取炮长镜姿态角变化,并根据陀螺的输出信号对瞄准线进行稳定控制。但由于陀螺是一种敏感元件,在恶劣路况和较高车速条件下陀螺的精度会变差,导致瞄准线漂移比较大;3)采用挠性陀螺由于需经受高过载炮射冲击,选用陀螺的制造成本高,选用光纤陀螺则因体积和成本等因素也会造成使用限制。为此,文中提出了一种车载炮长镜瞄准线间接稳定控制方法,以解决现有车载炮长镜稳瞄控制所存在的问题。

1 炮长镜瞄准线直接稳定原理简介

炮长镜稳定的传统控制方法是将陀螺安装于稳定平台内,利用陀螺敏感到的瞄准线相对于惯性空间的绝对速率来实现稳定。国内外的炮长镜伺服稳定瞄准镜普遍采用陀螺敏感扰动,用伺服电机来驱动被稳光学零件,稳定头部的反射平面镜[1-4]。

图1为传统车载炮长镜稳瞄系统的构成原理示意图[5]。在该炮长镜中,俯仰旋转变压器4、俯仰电机3和两轴速率陀螺2均安装在俯仰框架1的第一俯仰轴5上,而反射镜6安装在俯仰框架1的第二俯仰轴7上,第一、第二俯仰轴5、7通过一个2∶1传动机构8连接。俯仰框架1安装在炮长镜的方位轴9上。方位旋转变压器10和方位电机11安装在方位轴9上。两轴速率陀螺2敏感载体在方位和俯仰两个自由度上的惯性速度;伺服系统以两轴速率陀螺2的信号为输入,经滤波、放大校正后,驱动方位电机11和俯仰电机4转动,产生的控制力矩经伺服控制器分别带动方位轴和第一俯仰轴运动,补偿载体运动,保持两个轴系相对惯性空间稳定;方位的惯性稳定能够保证瞄准线在方位方向的稳定,而俯仰轴的运动则通过2∶1传动机构8带动反射镜6转动,以满足瞄准线转动角量为反射镜6转动角两倍的运动关系,从而实现瞄准线13的稳定。

图1 传统车载炮长镜稳瞄系统的构成原理图

2 炮长镜瞄准线间接稳定原理

炮长镜稳定需要惯性测量信息作为反馈,而一般的坦克装甲车辆上都装有惯性导航设备[6]。车载炮长镜瞄准线间接稳定技术是指陀螺是虚拟的,惯性器件间接敏感炮长镜反射镜的轴系角运动而获取测量信息,来实现炮长镜稳定。如图2。

图3为车载炮长镜间接稳瞄控制原理图。从图中可以看出,炮长镜的稳瞄控制系统分为电流控制单元和扰动量获取单元,炮长镜采用反射镜稳定方案,而扰动量获取单元则代替了图1中传统炮长镜的两轴速率陀螺。由于从惯性导航设备基坐-炮塔-炮长镜基坐为刚性传递,所以惯性导航设备、炮长镜和炮塔平台受到车体的扰动是一致的。因此,扰动量获取单元的主要任务是,根据炮长镜框架上安装的方位旋转变压器和俯仰旋转变压器反馈的反射镜相对炮塔平台的方位角位置信息和俯仰角位置信息,结合导航单元输出的车体姿态信息,解算出炮长镜中反射镜镜体相对于惯性空间的角速率扰动信息,并将该扰动信息送给瞄准线稳定控制单元的加法器,以参与瞄准线的稳定控制。但是,炮塔坐标系和导航系统参考坐标系不一致,必须经过一个坐标转换才能获得炮塔坐标系上的扰动量。文中所涉及的坐标系有:导航坐标系IMU系;惯性坐标系i系,炮塔平台坐标系P系,炮长镜坐标系PZ系。

图2 坦克上光电系统安装示意图

图3 车载炮长镜间接稳瞄控制原理图

2.1 炮塔惯性扰动量获取

根据工作原理,如果已知t时刻惯性导航系统输出的实时方位角度为α、俯仰角度为β、横滚角度为γ;并且已知IMU惯性导航系统相对炮塔的位置关系为方位角度α1、俯仰角度β1,采用东北天坐标系。如果在安装时保证α1=0,β1=0的情况下,得到IMU惯性导航系统到炮塔坐标系统的坐标转换关系为:

(1)

则在t时刻,IMU导航系统到炮塔坐标系统的坐标转换关系为:

(2)

且有:

(3)

假设在t时刻,IMU惯性导航系统的扰动量为Wi,此时炮塔坐标系上的3个方向上的扰动量为Wc,且有式(4)的解算关系:

(4)

这样解算得到炮塔惯性扰动量,但是炮塔稳定只有方位轴的稳定,也就是炮塔的惯性扰动量为:Wcz=Wc(3)。

2.2 炮长镜惯性扰动量获取

由于炮长镜安装在炮塔上,因此它受到的扰动和炮塔受到的扰动是一致的,也就是炮塔扰动可以通过坐标转换传递给炮长镜,供炮长镜的稳定用。炮长镜的稳定是间接稳定,也就是炮长镜原来需要陀螺测量的量,通过惯性导航系统来测量,再经过一定的转换,而得到炮长镜的惯性扰动量。

假设在t时刻,炮长镜相对炮塔位置发生了角度变化,分别为方位角度变化为α3,俯仰角度变化为β3,则通过炮塔坐标系传递到炮长镜坐标系的转换关系为:

(5)

则在t时刻,IMU惯性导航系统的扰动量为Wi,炮塔坐标系上的扰动量为Wc,此时炮长镜上原来三轴陀螺的实际输入量为WPZ,且有:

(6)

而实际上,炮长镜上仅采用了两个陀螺的输出

量,即方位陀螺敏感方位变化角速度,俯仰陀螺敏感俯仰角度变化的变化量。因此,可以得到炮长镜方位向惯性扰动量输出量为WPZ(3);俯仰向惯性扰动量的输出量为WPZ(1)。

2.3 炮长镜控制方法

从上面的推导可以看出t时刻地理变化对车体的扰动量可以转化到对炮长镜的扰动量上去。由于炮长镜的变化只有方位和俯仰,所以炮长镜相对惯性空间的方位扰动量为WPZ(3),俯仰扰动量为WPZ(1)。将方位和俯仰扰动量分别除以数据采样时间间隔Δt,可得到如图3中所示的炮长镜相对惯性空间的方位方向的扰动速率ωx和俯仰方向的扰动角速率ωy,即炮长镜虚拟陀螺的扰动速率。

将计算出的ωx、ωy分别送入瞄准线稳定控制单元参与炮长镜稳定控制。炮长镜受到的方位扰动速率ωx和俯仰扰动速率ωy与方位指令vx和俯仰指令vy取差,得到方位误差信号ex=vx-ωx和俯仰误差信号ey=vy-ωy并送入校正模块。可以看出经过取差后的控制信号抵消掉了外界对炮长镜的扰动,可以保证炮长镜瞄准线保持惯性稳定。

3 实验验证

3.1 炮长镜惯性扰动量获取验证

为了测试炮长镜的间接稳瞄性能而进行了实验,系统安装位置如图4所示,惯性导航系统、电子箱和炮长镜都放置在地面上,采用电缆进行连接。其中炮长镜的第一俯仰轴上安装有两只单自由度速率陀螺,用来验证通过数学方法获取炮长镜扰动量的正确性。

图4 系统安装位置示意图

测试方法:炮长镜方位与俯仰轴同时扰动情况下,在信号处理板的输出端利用示波器表笔同时观测炮长镜方位和俯仰陀螺直接输出,以及采用坐标转换的方式间接得到的炮长镜方位和俯仰向扰动信号输出。把采用陀螺直接获得的炮长镜的扰动量与间接方法获取的扰动量进行对比,对比曲线如图5。图中:通道1直接获取的俯仰速率信号;通道2直接获取的方位速率信号;通道3间接获取的俯仰速率信号;通道4间接获取的方位速率信号。从图中可以看到在炮长镜受到外界扰动的情况下,通过间接方式和直接方式获取的炮长镜方位向和俯仰向的扰动信号变化一致。

图5 炮长镜方位与俯仰同时扰动条件下直接方式和间接方式获取的扰动信号对比

3.2 炮长镜间接稳瞄功能验证

为了验证炮长镜的间接瞄准线稳定性能,在系统样机上进行了跑车实验。测试条件为:在时速20 km/h,靶场自然道路条件下。在实验过程中将瞄准线对应某一目标点,测试在跑车过程中瞄准线偏离目标点的程度。实验结果如图6所示。根据统计学原理计算测试数据的标准方差,计算得出方位向稳定精度和俯仰向稳定精度均小于0.2 mrad,与采用陀螺直接进行炮长镜瞄准线稳定达到同样的精度。

图6 车载炮长镜瞄准线间接稳定跑车实验结果

4 结论

文中利用车载惯性导航设备输出的车体姿态信息,通过坐标转换的方法解算得到车载炮长镜瞄准线相对惯性空间的扰动量,将该角速率扰动信息输送到炮长镜稳瞄控制系统参与稳定控制,实现了车载炮长镜瞄准线间接稳定功能。从跑车试验结果看间接稳定技术的稳定精度小于0.2 mrad,该方法切实可行。

炮长镜间接稳瞄控制技术通过软件实时解算炮长镜受到的扰动角速率,不需要增加任何硬件资源便可以为车载炮长镜提供必要的角速率数据,具有快速、简单、解算精度高和成本低等优点。

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[5] 向世明, 高教波, 焦明印, 等. 现代光电子成像技术概论 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2010: 234-235.

[6] 王宇, 程向红, 吴峻. 车载稳瞄/惯导一体化技术 [J]. 中国惯性技术学报, 2010, 18(3): 261-266.

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”总装备部重点项目资助。

李颖娟(1981-),女,陕西户县人,高级工程师,研究方向:惯性导航技术。

U666.1

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