即在激光测距仪二维伺服系统
机载激光测距仪二维伺服系统
作者:蒋晓松;许世宏
由于激光具有良好的方向性,当用激光测距仪测定一个在时空上有相对运动的物体时,激光的方向必须进行相应的调整,才能捕捉到目标。机载激光测距机在配合火控系统攻击时,要求根据火控系统提供的信号,实时对目标进行测距,提高火控系统的攻击精度。这时机载激光测距机必须配有伺服系统,以使激光能在较大范围内捕捉目标。实现激光扫描的通常方法有:
(1)发射机整机伺服
将整个发射机安装在伺服机构上。当伺服机构工作时,激光束随之运动,实现激光束的扫描。一旦捕捉到目标,测出的距离即为目标到本机的距离,而伺服机构所在的方位即为目标的方位. 由于发射部分体积重量较大,所需伺服机构的功率、尺寸均较大。它不适用在军用飞机上使用。
(2)反射法
利用光学反射原理。发射机固定地将激光束投射在全反镜上,通过控制反射与激光束的夹角,经反射后的激光束随反光镜的运动而完成探测空间的扫描。此种方法的关键在控制反光镜的运动。如果只控制反光镜在一维方向运动,控制伺服机构的功率、体积较第一种方法将减少许多;如果要控制反光镜在二维方向运动,那么控制伺服部分将复杂得多,且校靶很不方便。也不适宜于军用飞机使用。
(3)折射法
为寻求一种能在军用飞机上使用的体积小、性能可靠的激光测距机伺服系统,我们研制了一种采用棱镜折射原理的快速伺服系统。我们知道,当激光束垂直入射到光楔形棱镜上时,输出光线将偏离原来方向。以光楔棱镜的垂直边中点为参考点,将棱镜以入射光为轴转动时,经折射后的激光束在前方垂直平面上的投影扫描出一个圆。当再组合一个这样的棱镜时,将扫描出一个更大的圆.显然此圆的最大半径(对应光线最大折射角)与激光波长、棱镜材料、楔角有关,通过控制两个棱镜的旋转角度,便可扫描到此圆内的任意一点。
我们将光楔棱镜制成圆形,实际使用时与激光发射同轴。通过标定其最初位置,便可精确控制其转动角度而达到精确控制光线输出的目的。这种伺服控制很适合于机载激光测距机使用,而且校靶方式非常简便。
2 伺服角与棱镜旋转角的关系
激光束对探测空间的扫描,即指任一时刻激光束与参考轴(发射机光轴)形成的夹角的连续变化。此夹角在水平面上的投影为方位角( ),在垂直面上的投影为俯仰角( )。这与激光测距机要交联的火控攻击系统是一致的。
怎样控制两棱镜的旋转角度 ,而使输出的激光束形成正确的伺服角?我们采用图解法和光线追迹法。
(1)图解法
根据单个棱镜旋转时,光线扫描出一个圆形的几何特点,可以将两个镜片旋转一些特殊角度,而得到一些特殊关系,进而推导出(过程略)旋转角与伺服角的关系。
其中:① 两棱镜的初始位置相对,一个厚端严格朝上,一个厚端严格朝下。② ,是一个与棱镜的楔角、折射率及激光波长相关的常数,当精度要求不高,可认为是零投影面的最大扫描半径。
(2)光线追迹法
由于机载激光测距机对伺服精度要求高:静态为1 mrad,动态为1.5 mrad,上述图解法公式已不符合要求。为此,我们选用光线追迹法:将折射定律严格作用于每个镜片界面。
3.伺服控制信号的转换方法
(1)模拟电路
理论上,任何显示函数均可用模拟电路实现。但本系统精度要求高,用模拟电路不但电路非常庞大、复杂,而且难以保证精度 因此本系统不采用此方法。
(2)高速计算机
对于图解法(1)、(2)由于本身精度不够,在精度要求不高时利用486微机计算一组数值时间为毫秒级,成本相当高;当解算(3) (4)一组数值时,需要秒级时间,显然这个时间已不能满足伺服系统的实时控制要求。
(3)EPROM 查表法
为控制体积、成本,而又不牺牲精度和控制速度,我们巧妙地用EPROM 查表法解决此难题。将伺服系统要扫描的每一个点的对应数据用高速计算机计算出来,将这些数据经过相应处理后,固化到EPROM 中 当伺服系统工作时,只需查到对应的伺服数据进行相应的D/A、A/D转换。而高速A/D模块数据转换时间仅微秒级,单片机读取一条指令的时间为2 。这样完成整个转换的时间在300,us之内,能够保证伺服机构的实时控制。
① 将a、卢经A/D转换器量化,a量化的编码作低地址,卢量化的编码作高地址,拼接成一个完整地址码选通EPROM(EPROM 采用容量为64K的27512)。
② 将(n、卢)(一个地址)对应的 、≠两个数据经光线追违法计算后用2进制码分别存贮 由于EPROM 的数据量是8位的,而 、 在精度范围内要超过8位,因此再选用一片PROM 作为数据的高8位存放。这样共需4片27512。
③ 将 、≠的编码分别送到各自的D/A转换器,得到所需的 、≠控制信号。
④ 输入输出均采用运放进行电平调整。
4.伺服机构
当系统接收到控制信号a、 后,经量化和EPROM 查表,再经数模转换得到棱镜的控制信号口、 。伺服控制电路根据 、≠及角度反馈信号△ 、 产生控制信号,经驱动电路放大驱动何服电机,带动传动机构使棱镜旋转。当角度反馈信号 、 一O时,棱镜旋转刊位,整个伺服过程完成。
5 伺服系统技术指标
(1)伺服范围: :0。~ 14.0。,卢:一7.0o~7.0o;
(2)伺服速度:≮360。/S
(3)伺服精度:静态if"1mrad,动态≯1.5mrad;
(4)体积:80×100×60 mm ,150×180×120 miD.
(5)重量:1.85 kg。
6 结束语
此伺服系统针对现有飞机的实际,信号可取自瞄准具或平显。从瞄准具来的信号是模拟量,需量化;从平显来的信号是数字量,可直接与本系统相连。伺服控制信号采用的是模拟量,易受激光调Q脉冲的干扰,采取了与激光接收机相类似的电磁屏蔽法,效果良好。
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