CN106338222A - 一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，所述光学目标运动仿真系统包括光学目标模拟器、球面运动系统以及支撑平台机构，所述球面运动系统包括方位圆弧运动机构、俯仰圆弧运动机构和导轨连接件，光学目标模拟器侧面安装在俯仰圆弧运动机构上，光学目标模拟器的光轴与安装面平行，通过调节导轨连接件的位置使光学目标模拟器做俯仰圆弧运动时光轴的回转中心与方位圆弧运动机构的圆心的连线垂直于方位圆弧运动的导轨面，从而实现了光学目标模拟器的球面运动轨迹，且光学目标模拟器的光轴始终指向球面运动系统的球心。相比其他光学目标运动仿真系统，该光学目标运动仿真系统具有结构紧凑和成本低的特点。

Description

一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统

技术领域

本发明属于光学成像制导导引头的半实物仿真技术领域，涉及一种可使光学目标模拟器具有球面运动轨迹，能实现光学成像制导导引头对光学目标跟踪性能测试的光学目标运动仿真系统。

背景技术

光学成像制导导引头是导弹中极为关键的系统之一，是导弹的“眼睛”，其性能的优劣将直接影响导弹的打击精度，所以对光学成像制导导引头性能的测试至关重要。

目前，对光学成像制导导引头性能的测试方法有两种：一种方法是通过实物导弹的外场实验，获取导弹飞行过程中的数据，通过对数据的分析来评价导引头的性能；另一种方法是采用半实物仿真技术，在实验室条件下模拟目标的运动特性，实现对光学成像制导导引头跟踪性能的测试。

由于实物导弹的外场实验成本高、信息反馈慢和安全性差等原因，针对光学成像制导导引头的半实物仿真技术受到各国科研人员的重视。国外的统计结果表明，由于仿真技术的引入可使导弹飞行试验次数减少30~60%，研制经费节省10~40%，研制周期缩短30~40%。因此，研制与导弹配套的可评价其光学成像制导导引头性能的半实物仿真系统是导弹研制过程中不可缺少的环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，该系统中光学目标模拟器具有球面运动轨迹，且在运动过程中光学目标模拟器的光轴始终通过球心，使用时将导引头光学扫描系统的回转中心与球心重合，通过观测该系统模拟的不同运动状态的光学目标，实现导引头跟踪性能的测试，该系统具有结构紧凑、稳定性好和成本低的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，包括光学目标模拟器、带动光学目标模拟器实现球面运动轨迹且使目标模拟器的光轴始终指向球心的球面运动系统以及支撑平台机构，其中：

所述球面运动系统包括方位圆弧运动机构、俯仰圆弧运动机构和位于方位圆弧运动机构与俯仰圆弧运动机构之间的导轨连接件，光学目标模拟器采用侧面安装方式安装在俯仰圆弧运动机构上，光学目标模拟器的光轴与安装面平行，通过调节导轨连接件的位置使光学目标模拟器做俯仰圆弧运动时光轴的回转中心与方位圆弧运动机构的圆心的连线垂直于方位圆弧运动的导轨面，从而实现了光学目标模拟器的球面运动轨迹，且光学目标模拟器的光轴始终指向球面运动系统的球心；

所述方位圆弧运动机构包括实现方位圆弧运动的方位伺服电机、方位减速器、方位传动齿轮、带有齿圈的方位圆弧导轨、方位滑座、带有V型槽的方位滚动轴承，方位圆弧导轨通过螺栓固定在支撑平台机构上，方位滑座通过带有V型槽的方位滚动轴承与方位圆弧导轨相连，实现沿方位圆弧导轨V型导轨面的滑动，方位滑座的表面与方位圆弧导轨的导轨面平行，方位伺服电机和方位减速器连接后固定在方位滑座的下方，与方位减速器传动轴相连的方位传动齿轮通过与方位圆弧导轨齿圈的咬合使方位滑座在方位伺服电机的驱动下按照预定轨迹运动；

所述俯仰圆弧运动机构包括实现俯仰圆弧运动的俯仰伺服电机、俯仰减速器、俯仰传动齿轮、带有齿圈的俯仰圆弧导轨、俯仰滑座、带有V型槽的俯仰滚动轴承，俯仰圆弧导轨通过导轨连接件安装在方位滑座上，俯仰圆弧导轨的导轨面与水平圆弧导轨的导轨面垂直，俯仰滑座通过带有V型槽的俯仰滚动轴承与俯仰圆弧导轨相连，实现沿俯仰圆弧导轨V型导轨面的滑动，俯仰滑座的表面与俯仰圆弧导轨的导轨面平行，光学目标模拟器安装在俯仰滑座一侧，目标模拟器的光轴与俯仰圆弧导轨的导轨面平行，俯仰伺服电机和俯仰减速器连接后固定在俯仰滑座的另一侧，与俯仰减速器传动轴相连的俯仰传动齿轮通过与俯仰圆弧导轨齿圈的咬合使俯仰滑座在俯仰伺服电机的驱动下按照预定轨迹运动。

本发明中，所述导轨连接件使光学目标模拟器在沿俯仰圆弧导轨随俯仰滑座运动时的光轴指向中心与方位圆弧导轨圆心的连线垂直于方位圆弧导轨的导轨面，该指向中心是俯仰圆弧导轨圆心向光学目标模拟器光轴随俯仰滑座运动时所在运动面的投影，同时该指向中心也是光学目标模拟器球面运动轨迹的球心和球面运动过程中的光学目标模拟器光轴的指向中心。

本发明具有如下优点：

1、使用该光学目标运动仿真系统测试导引头的跟踪性能具有重复性，通过控制方位伺服电机和俯仰伺服电机可精确模拟实际目标的运动轨迹。相比其他光学目标运动仿真系统，该光学目标运动仿真系统具有结构紧凑和成本低的特点。

2、该光学目标运动仿真系统中的球面运动系统仅使用两根圆弧导轨，通过导轨连接件使它们满足上述的特定空间位置关系，使目标模拟器实现了球面运动且运动过程中目标模拟器的光轴始终指向球心。

3、该光学目标运动仿真系统中的球面运动系统通过巧妙的设计，使导引头观测到目标的方位角和俯仰角分别对应方位圆弧导轨的运动角度和俯仰圆弧导轨的运动角度，不存在耦合关系，即球面运动系统只有方位角变化时，导引头观测的目标也只有方位角变化且和球面运动系统的方位角相等，而俯仰角不变；当球面运动系统只有俯仰角变化时，导引头观测的目标也只有俯仰角变化且和球面运动系统的俯仰角相等，而方位角不变。该优势使导引头观测的目标方位角和俯仰角与球面运动系统的方位角和俯仰角一一对应，不需要进行坐标变换，这对于模拟目标的复杂运动轨迹有巨大的优势，是许多球面运动系统不具有的性质。

4、该光学目标运动仿真系统中的目标模拟器光轴与安装面平行，只要目标模拟器的光轴与安装面的距离相等，不同目标模拟器之间可以互换，都可以安装在球面运动系统上实现球面运动，且运动过程中光轴始终指向球面运动系统的球心。

附图说明

图1是本发明光学目标运动仿真系统的结构示意图；

图2是图1的右视图；

图3是图1的上视图；

图4是方位圆弧运动机构的局部放大图；

图5是俯仰圆弧运动机构的局部放大图；

图6是球面运动系统的原理图；

图中：

1-光学目标模拟器；

2-支撑平台；

3-高度及水平调节机构；

4-方位圆弧运动机构，401-方位圆弧导轨，402-方位圆弧导轨圆心，403-方位滑座，404-方位滚动轴承，405-方位伺服电机，406-方位减速器，407-方位传动齿轮；

5-导轨连接件；

6-俯仰圆弧运动机构，601-俯仰圆弧导轨，602-俯仰圆弧导轨圆心，603-俯仰滑座，604-俯仰滚动轴承，605-俯仰伺服电机，606-俯仰减速器，607-俯仰传动齿轮，608-光学目标模拟器仅俯仰运动时光轴的回转中心；

7-球面运动系统的球心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统通过控制球面运动系统中方位和俯仰的角度，使光学目标模拟器从不同方向投射到导引头的光学系统上，实现在实验室条件下对光学制导导引头跟踪系统性能的测试。

如图1所示，本发明提供的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统由光学目标模拟器1、带动光学目标模拟器实现球面运动轨迹且使目标模拟器的光轴始终指向球心的球面运动系统、支撑平台机构构成。光学目标模拟器1需要采用侧面安装的方式，其作用是为导引头提供光学目标，具体参数由被测导引头的光学性能决定。方位圆弧运动机构4、俯仰圆弧运动机构6和位于方位圆弧运动机构4与俯仰圆弧运动机构6之间的导轨连接件5构成了球面运动系统，球面运动系统的作用是带动光学目标模拟器1实现球面运动轨迹，并保证在运动过程中光学目标模拟器1的光轴始终通过某固定点，即球面运动系统的球心7。支撑平台机构包括支撑平台2、高度及水平调节机构3，支撑平台2和高度及水平调节机构3的作用是实现光学目标运动仿真系统的支撑和调节。

如图1所示，光学目标模拟器1包括光学镜片、结构件、靶标以及光源。光学目标模拟器使用了双镜反射系统，两个反射镜安装在主镜座上，主镜座的侧面固定在俯仰圆弧运动机构6中的俯仰滑座603的右侧，实现与球面运动系统的连接。

如图2和图4所示，方位圆弧运动机构4包括实现方位圆弧运动的方位伺服电机405、方位减速器406、方位传动齿轮407、带有齿圈的方位圆弧导轨401、方位滑座403、带有V型槽的方位滚动轴承404，方位圆弧导轨401通过螺栓固定在支撑平台机构的支撑平台2上，方位滑座403通过带有V型槽的方位滚动轴承404与方位圆弧导轨401相连，实现方位运动。方位伺服电机405提供方位运动的动力，传动机构由方位减速器406、方位传动齿轮407构成。其中，方位伺服电机405和方位减速器406相连，方位减速器406安装在方位滑座403的下方，此时方位传动齿轮407与方位圆弧导轨401上的齿圈咬合，当方位伺服电机405工作时，方位滑座403可沿方位圆弧导轨401做圆弧运动。

如图3和图5所示，俯仰圆弧运动机构6包括实现俯仰圆弧运动的俯仰伺服电机605、俯仰减速器606、俯仰传动齿轮607、带有齿圈的俯仰圆弧导轨601、俯仰滑座603、带有V型槽的俯仰滚动轴承604，俯仰滑座603通过带有V型槽的俯仰滚动轴承604与俯仰圆弧导轨601相连，实现俯仰运动。俯仰伺服电机605提供俯仰运动的动力，传动机构由俯仰减速器606、俯仰传动齿轮607构成。其中，俯仰伺服电机605和俯仰减速器606相连，俯仰减速器606安装在俯仰滑座603的左侧，此时俯仰传动齿轮607与俯仰圆弧导轨601上的齿圈咬合，当俯仰伺服电机605工作时，俯仰滑座603可沿俯仰圆弧导轨601做圆弧运动。

如图1和图6所示，导轨连接件5将俯仰圆弧导轨601的两端与方位滑座403固定，实现方位圆弧运动机构4和俯仰圆弧运动机构6的连接。当球面运动系统中只有俯仰运动时，由于光学目标模拟器1的光轴与俯仰圆弧导轨601的导轨面平行，所以在运动过程中光学目标模拟器1的光轴绕回转中心608转动。通过调节导轨连接件5的位置和角度，使光学目标模拟器1的光轴回转中心608和方位圆弧导轨的圆心602的连线与方位圆弧运动机构4的导轨面垂直，当方位圆弧运动结构4和俯仰圆弧运动机构6同时运动时，光学目标模拟器1具有球面运动轨迹，且其光轴始终通过回转中心608，回转中心608就是球面运动系统的球心7。

本发明中，方位圆弧导轨401的中心半径为875mm，导轨对圆心的张角为90°；俯仰圆弧导轨601的中心半径为900mm，导轨对圆心的张角为40°；方位伺服电机405和俯仰伺服电机605选用了日本安川伺服电机，功率为200W。

Claims (8)

1.一种具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述光学目标运动仿真系统包括光学目标模拟器、球面运动系统以及支撑平台机构，其中：

所述球面运动系统包括方位圆弧运动机构、俯仰圆弧运动机构和位于方位圆弧运动机构与俯仰圆弧运动机构之间的导轨连接件；

所述方位圆弧运动机构包括方位伺服电机、方位减速器、方位传动齿轮、带有齿圈的方位圆弧导轨、方位滑座、带有V型槽的方位滚动轴承，方位圆弧导轨固定在支撑平台机构上，方位滑座通过带有V型槽的方位滚动轴承与方位圆弧导轨相连，方位伺服电机和方位减速器连接后固定在方位滑座的下方，与方位减速器传动轴相连的方位传动齿轮通过与方位圆弧导轨齿圈的咬合使方位滑座在方位伺服电机的驱动下按照预定轨迹运动；

所述俯仰圆弧运动机构包括俯仰伺服电机、俯仰减速器、俯仰传动齿轮、带有齿圈的俯仰圆弧导轨、俯仰滑座、带有V型槽的俯仰滚动轴承，俯仰圆弧导轨通过导轨连接件安装在方位滑座上，俯仰圆弧导轨的导轨面与水平圆弧导轨的导轨面垂直，俯仰滑座通过带有V型槽的俯仰滚动轴承与俯仰圆弧导轨相连，光学目标模拟器安装在俯仰滑座一侧，俯仰伺服电机和俯仰减速器连接后固定在俯仰滑座的另一侧，与俯仰减速器传动轴相连的俯仰传动齿轮通过与俯仰圆弧导轨齿圈的咬合使俯仰滑座在俯仰伺服电机的驱动下按照预定轨迹运动；

所述导轨连接件使光学目标模拟器在沿俯仰圆弧导轨随俯仰滑座运动时的光轴指向中心与方位圆弧导轨圆心的连线垂直于方位圆弧导轨的导轨面。

2.根据权利要求1所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述方位滑座的表面与方位圆弧导轨的导轨面平行。

3.根据权利要求1所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述俯仰滑座的表面与俯仰圆弧导轨的导轨面平行。

4.根据权利要求1所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述光学目标模拟器的光轴与俯仰圆弧导轨的导轨面平行。

5.根据权利要求1所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述导轨连接件使光学目标模拟器在沿俯仰圆弧导轨随俯仰滑座运动时的光轴指向中心与方位圆弧导轨圆心的连线垂直于方位圆弧导轨的导轨面。

6.根据权利要求1或2所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述方位圆弧导轨的中心半径为875mm，导轨对圆心的张角为90°。

7.根据权利要求1、3或4所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述俯仰圆弧导轨的中心半径为900mm，导轨对圆心的张角为40°。

8.根据权利要求1所述的具有球面运动轨迹的光学目标运动仿真系统，其特征在于所述方位伺服电机和俯仰伺服电机的功率为200W。