CN101915986A - 主动式二维跟踪瞄准仪 - Google Patents

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主动式二维跟踪瞄准仪，包括基座、身架、望远镜系统、电控系统、目视图像采集机构、方位驱动机构和俯仰驱动机构，电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构安装在身架内，目视图像采集机构固定安装在望远镜系统上，望远镜系统固定安装在身架外侧上部，电控系统与目视图像采集机构、方位驱动机构和俯仰驱动机构数据线连接。本发明采用方位驱动机构和俯仰驱动机构实现瞄准仪二维(方位、俯仰)运动，采用电控系统和目视图像采集机构实现瞄准仪二维(方位、俯仰)信息识别；本发明望远镜系统采用PSD器件测量和细分目标棱镜法线与瞄准仪光轴的准直偏差角，能实时主动跟踪测量棱镜方位。

Description

主动式二维跟踪瞄准仪
技术领域
本发明涉及一种瞄准仪，特别是涉及一种主动式二维跟踪，属于光电测量技术领域。
背景技术
目前应用于运载火箭地面瞄准系统的瞄准仪，工作方式是通过操作手现场操作，实现对火箭平台棱镜的远距离光电准直，不具备通讯能力、在上位机或远程网络控制模式下的主动二维(方位和俯仰)跟踪瞄准能力和火箭在风摆下的瞄准能力。同时，瞄准仪光电准直系统采取硅光电池作为光敏器件，不具备准直偏差角测量能力，因此现役的瞄准仪只能通过找零的方法对火箭平台棱镜进行准直标定。
而新一代运载火箭活动发射平台不具备回转功能，箭上棱镜初始方位偏差(范围约±2°)不能通过旋转发射平台进行调整，只能在棱镜初始方位偏差覆盖的区域内对箭上棱镜进行主动搜索和捕获，箭上采用捷联惯组初始定向方式，即惯组棱镜与箭体刚性固联，棱镜不能回转和调平。箭体随风摆的运动及日照、加注等造成的变形，将1∶1传递给惯组棱镜。因此，新一代运载火箭要求地面瞄准系统中的瞄准仪必须具备以下功能：
1)要求瞄准仪具有准直测量的能力，需要地面瞄准系统实时主动跟踪测量棱镜方位；
2)要求瞄准仪具有二维(方位、俯仰)跟踪能力；
3)具备远程控制瞄准能力，瞄准仪需要具备目标检测能力和电控二维跟踪能力。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有电控二维跟踪能力的主动式二维跟踪瞄准仪的实现方法。
本发明的技术解决方案是：主动式二维跟踪瞄准仪，包括基座、身架、目视图像采集机构、望远镜系统、电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构，电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构安装在身架内，目视图像采集机构固定安装在望远镜系统上，望远镜系统固定安装在身架外侧上部，电控系统与目视图像采集机构、方位驱动机构和俯仰驱动机构数据线连接，方位驱动机构和俯仰驱动机构结构相同，包括蜗杆传动齿轮、电机轴、蜗杆、蜗轮、摩擦片、消隙簧片、蜗轮定位轴和电机传动齿轮，蜗轮的轮毂上加工槽用来安装摩擦片，摩擦片与蜗轮定位轴上部的外圆周接触，通过摩擦片的摩擦力保持蜗轮定位轴和蜗轮之间相对静止，电机轴和蜗杆轴线平行安装，电机轴和蜗杆一侧分别安装蜗杆传动齿轮和电机传动齿轮，蜗杆传动齿轮和电机传动齿轮啮合连接，蜗杆和蜗轮啮合传动，在蜗杆与蜗轮啮合端的端头安装消隙簧片，方位驱动机构的蜗轮定位轴固定安装在基座，蜗杆与身架固连，俯仰驱动机构的蜗轮定位轴固定安装在望远镜系统上，蜗杆与身架固连。
所述的目视图像采集机构包括一组远心镜头和CCD相机，远心镜头和CCD相机安装在与望远镜系统目镜共轭的90°位置。
所述方位驱动机构的蜗轮定位轴(17)的轴线与俯仰驱动机构的蜗轮定位轴的轴线垂直，方位、俯仰的旋转角度由光栅码盘测量。
所述的摩擦片为弧形，数量不少于2片，在蜗轮定位轴的外圆周上均匀对称分布。
所述的摩擦片选用铍青铜、弹簧钢或尼龙制成，厚度为0.5mm，公差为自由公差。
所述的电控系统集成在主控板上，包括电机驱动电路、准直偏差角计算模块和数据传输接口，其中准直偏差角计算模块利用公式计算准直偏差角β＝K×(V1-V2)/(V1+V2)，其中β为准直偏差角，K为方位常数且K＝K1×K2×K0，K1和K2是放大器放大倍数，K0是角度标定常数，V1和V2是望远镜系统的PSD器件输出代表光点位置的两路电流输出信号I1和I2经由I/V变换后变成电压信号。
所述的望远镜系统的准直光源发射、接收共用同一光路。
所述的蜗杆在蜗杆传动齿轮的外侧延伸至身架外安装手轮，通过手轮手动调整身架水平和俯仰转动。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用方位驱动机构和俯仰驱动机构实现瞄准仪二维(方位、俯仰)运动，采用电控系统和目视图像采集机构实现瞄准仪二维(方位、俯仰)信息识别；
(2)本发明的方位驱动机构和俯仰驱动机构采用摩擦片使涡轮与涡轮定位轴相对静止，在手动和电动微调时，改变了传统涡轮涡杆传动设计理念，使涡杆围绕涡轮定位轴转动，在涡轮定位轴轴系固定情况下，涡杆带动身架(望远镜)转动角度可以精确测量，同时在需要手动大角度调整时，只需搬动身架克服摩擦片的摩擦力即可；
(3)本发明望远镜系统采用PSD器件测量和细分目标棱镜法线与瞄准仪光轴的准直偏差角，能实时主动跟踪测量棱镜法线方位；
(4)本发明采用电控系统与上位机设备进行通讯，接收指令和传送数据，实现远程控制瞄准能力；
(5)本发明采用方位驱动机构和俯仰驱动机构提供了手动模式、电控模式和手动快速大角度调整模式三种瞄准仪调整方位的方式，使瞄准仪方位调整更方便、准确；
(6)本发明方位驱动机构和俯仰驱动机构在涡轮涡杆传动系统中采用消隙簧片用来消除涡轮和涡杆的间隙，增加涡杆与涡轮之间的挤靠力，使涡轮涡杆能更好啮合。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明方位或俯仰驱动机构结构示意图；
图3为本发明方位或俯仰驱动机构蜗轮结构示意图；
图4为本发明方位或俯仰驱动机构摩擦片结构示意图；
图5为本发明光源驱动电路示意图。
具体实施方式
本发明主要解决基于捷联惯组的新一代运载火箭初始方位测量，火箭变形或风摆条件下的捷联惯组跟踪，并能在瞄准系统其它单机配合下实现火箭的远程控制瞄准。新一代运载火箭要求地面瞄准具有准直测量能力，在发射台和棱镜不能旋转情况下，依靠瞄准仪捕获并测量出棱镜法线与已知基准之间的夹角，并将测量结果通过网络对外传输，同时要求地面瞄准具有瞄准间无人值守的远控瞄准能力。本发明提出了一种主动式二维跟踪瞄准仪的技术实现途径，为新一代运载火箭配套，满足对新一代运载火箭瞄准需求。
本发明如图1所示，包括基座1、身架2、目视图像采集机构3、望远镜系统4、电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构，电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构安装在身架2内，目视图像采集机构3固定安装在望远镜系统4上，望远镜系统4固定安装在身架2外侧上部，电控系统与目视图像采集机构、方位驱动机构和俯仰驱动机构数据线连接。基座1和身架2用来安装和支撑瞄准仪。
方位驱动机构和俯仰驱动机构结构相同，实现瞄准仪方位、俯仰两个方向的手动微调、电控无限微调和手动大角度快速调整功能，并能在远控上位机控制下对目标实施方位和俯仰二维电控主动跟踪。
方位驱动机构或俯仰驱动机构结构如图2所示，包括蜗杆传动齿轮11、电机轴12、蜗杆13、蜗轮14、摩擦片15、消隙簧片16、蜗轮定位轴17和电机传动齿轮18，蜗轮14的轮毂上加工槽用来安装摩擦片15，摩擦片15与蜗轮定位轴17上部的外圆周接触，通过摩擦片15的摩擦力保持蜗轮定位轴17和蜗轮14之间相对静止，电机轴12和蜗杆13轴线平行安装，电机轴12和蜗杆13一侧分别安装蜗杆传动齿轮11和电机传动齿轮18，蜗杆传动齿轮11和电机传动齿轮18啮合连接，蜗杆13和蜗轮14啮合传动，在蜗杆13与蜗轮14啮合端的端头安装消隙簧片16，方位驱动机构和俯仰驱动机构的蜗轮定位轴17固定安装在基座1，蜗杆13与身架2固连。
俯仰驱动机构的蜗轮定位轴17的轴线垂直，方位驱动机构的蜗轮定位轴17的轴线水平。蜗杆13在蜗杆传动齿轮11的外侧延伸至身架2外安装手轮，通过手轮手动调整身架2水平和俯仰转动。
涡轮14的轮毂上均匀加工安装槽41，安装槽41的数量与设计时摩擦片15的数量一致，安装槽41的宽度与摩擦片15宽度一致，安装槽41处安装摩擦片与涡轮定位轴17外圆周接触并用摩擦力锁紧。涡轮轮毂铣出两个缺口作为安装槽41，如图3所示，涡轮14的轮毂上加工了两个安装槽。安装槽41两侧壁上各加工一个安装孔411，通过安装孔411与摩擦片15两端固定。
摩擦片15数量不少于2片，在涡轮定位轴17的外圆周上均匀对称分布。摩擦片15如图4所示为弧形，两端各有一个平面51，平面51上加工安装孔511，通过与安装孔411配合将摩擦片15固定在涡轮14上。摩擦片15的厚度为0.5mm，加工公差为自由公差，摩擦片15的内径与涡轮定位轴17的外径紧密配合。摩擦片15选用弹性材料，例如可使用铍青铜、弹簧钢、尼龙等。摩擦片15的摩擦力最小要大于电机最大驱动力，最大防止摩擦片抱死中心轴。
消隙簧片16消除涡轮和涡杆的间隙，增加涡杆与涡轮之间的挤靠力，使涡轮涡杆能更好啮合。
方位、俯仰驱动机构与身架固连，通过蜗轮和蜗杆带动身架相对于垂直轴或水平轴转动，实现对方位、俯仰的手轮手动调整和在电机控制下电动调整，同时，可以通过手动进行大角度的快速调整。
1)手动模式。将蜗杆延长至身架外部，并安装手轮，通过手轮带动对方位微动调整。
2)电控模式，由电机驱动装置驱动蜗杆，带动瞄准仪方位或俯仰快、慢速微动。
3)手动快速大角度调整。在蜗轮上装有一对摩擦片，微动方位时，利用摩擦片的摩擦力，使蜗轮与轴相对静止不转动，电机或手轮通过蜗杆带动身架转动。手动直接搬动身架或望远镜时，克服摩擦片的摩擦力，直接由身架带动蜗轮沿轴系大角度转动。
在与望远镜目镜共轭的90°位置，目视图像采集机构3用于采集瞄准仪目视视场内的图像，供后端上位机监测。目视图像采集机构3包括一组远心镜头和CCD相机，远心镜头和CCD相机安装在与望远镜系统4目镜共轭的90°位置。在同一望远镜系统之上，增加用于目视视场图像采集的镜头和CCD相机，CCD相机与目镜同时存在并共轭，共用一套望远镜调焦系统和目视分划板。采集的图像信息与目视视场一致。远距离光电准直时，通过调焦手轮调焦至无穷远，可以采集准直光点与目视分划板图像；调焦至有限距离，可以采集目视视场图像。CCD相机前面安装窄带滤光片光，用于降低准直光源对CCD相机成像的影响。
望远镜系统4特殊设计，其余为现有技术：
(1)光源
对光源进行明、暗调制，并对光源功率进行电控或远控调整。光源采用半导体激光，激光管功率不小于5mW，光源组件与瞄准仪身架分体设计，便于更换备件，光源调制频率1kHZ，用于提高光源抗环境干扰能力。通过数字电位计调整光源功率，用于补偿雨、雾等外界环境对准直激光的衰减。
光源驱动电路见图5，接收来自电控系统(主控板)CPU的调制信号，通过三极管控制激光管LD端的电流通与断，实现激光亮、暗调制。通过数字电位计调整PD端电流，根据PSD接收准直激光能量变化，改变光源能量强弱。
(2)近距离(25m)准直偏差角测量技术
准直光源发射、接收共用同一光路，由PSD器件测量和细分目标棱镜法线与瞄准仪光轴的准直偏差角，在光源发射环节安装硅光电池为PSD器件提供同光源的同步采样信号。25m准直距离准直敏区不小于±2.5′，±1′内测角精度(3σ)不大于15″，并能适应中雨、中雾环境。
采用PSD器件进行光电转换和准直偏差角测量，当惯组棱镜法线偏离瞄准仪光轴时，棱镜返回的准直激光汇聚到在PSD器件表面的光点会发生位移，PSD器件输出的电流信号I1和I2相应发生变化。信号经由I/V变换后变成电压信号V1和V2，两路信号经由仪表放大器差分放大K1(V1-V2)，同时两路信号经由加法求和放大K2(V1+V2)，将电压信号送入电控系统的准直角计算模块计算准直角对PSD接收的返回光能量变化进行补偿，消除回光能量变化对方位转角测量精度的影响，得到准直偏差角即惯组棱镜方位转角。
电控系统集成在主控板上，包括电机驱动电路、准直偏差角测量、计算模块电路、数据传输接口以及各种配套电路。主控板的核心为CPU，电机驱动电路经由电缆与电机连接控制电机启动。准直偏差角度、方位和俯仰旋转角度、目视图像采集机构3几路信号通过接口对外传输。
准直偏差角计算模块利用公式(1)计算准直偏差角
β＝K×(V1-V2)/(V1+V2)                (1)
其中β为准直偏差角即目标惯组棱镜方位转角，
K为方位常数且K＝K1×K2×K0，
K1和K2是放大器放大倍数，
K0是角度标定常数，通过事先测量一系列电压变化量与位移变化量，得到的电压变化量与位移变化量的对应关系。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：包括基座(1)、身架(2)、目视图像采集机构(3)、望远镜系统(4)、电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构，电控系统、方位驱动机构和俯仰驱动机构安装在身架(2)内，目视图像采集机构(3)固定安装在望远镜系统(4)上，望远镜系统(4)固定安装在身架(2)外侧上部，电控系统与目视图像采集机构(3)、方位驱动机构和俯仰驱动机构数据线连接，方位驱动机构和俯仰驱动机构结构相同，包括蜗杆传动齿轮(11)、电机轴(12)、蜗杆(13)、蜗轮(14)、摩擦片(15)、消隙簧片(16)、蜗轮定位轴(17)和电机传动齿轮(18)，蜗轮(14)的轮毂上加工槽用来安装摩擦片(15)，摩擦片(15)与蜗轮定位轴(17)上部的外圆周接触，通过摩擦片(15)的摩擦力保持蜗轮定位轴(17)和蜗轮(14)之间相对静止，电机轴(12)和蜗杆(13)轴线平行安装，电机轴(12)和蜗杆(13)一侧分别安装蜗杆传动齿轮(11)和电机传动齿轮(18)，蜗杆传动齿轮(11)和电机传动齿轮(18)啮合连接，蜗杆(13)和蜗轮(14)啮合传动，在蜗杆(13)与蜗轮(14)啮合端的端头安装消隙簧片(16)，方位驱动机构的蜗轮定位轴(17)固定安装在基座(1)，蜗杆(13)与身架(2)固连，俯仰驱动机构的蜗轮定位轴(17)固定安装在望远镜系统(4)上，蜗杆(13)与身架(2)固连。
2.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的目视图像采集机构(3)包括一组远心镜头和CCD相机，远心镜头和CCD相机安装在与望远镜系统(4)目镜共轭的90°位置。
3.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述方位驱动机构的蜗轮定位轴(17)的轴线与俯仰驱动机构的蜗轮定位轴(17)的轴线垂直，方位、俯仰的旋转角度由光栅码盘测量。
4.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的摩擦片(15)为弧形，数量不少于2片，在蜗轮定位轴(17)的外圆周上均匀对称分布。
5.根据权利要求1或4所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的摩擦片(15)选用铍青铜、弹簧钢或尼龙制成，厚度为0.5mm，公差为自由公差。
6.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的电控系统集成在主控板上，包括电机驱动电路、准直偏差角计算模块和数据传输接口，其中准直偏差角计算模块利用公式计算准直偏差角β＝K×(V1-V2)/(V1+V2)，其中β为准直偏差角，K为方位常数且K＝K1×K2×K0，K1和K2是放大器放大倍数，K0是角度标定常数，V1和V2是望远镜系统(4)的PSD器件输出代表光点位置的两路电流输出信号I1和I2经由I/V变换后变成电压信号。
7.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的望远镜系统(4)的准直光源发射、接收共用同一光路。
8.根据权利要求1所述的主动式二维跟踪瞄准仪，其特征在于：所述的蜗杆(13)在蜗杆传动齿轮(11)的外侧延伸至身架(2)外安装手轮，通过手轮手动调整身架(2)水平和俯仰转动。
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