CN107167036A - 全自动高精度光学制导装置 - Google Patents

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Abstract

全自动高精度光学制导装置，涉及制导领域，解决了现有高速旋转飞行器采用激光制导存在的在发射激光照射预定目标的同时会暴露自身目标从而导致制导失败的问题。本发明包括刚性连接的整流罩和外壳；与外壳相连的光学镜组；与外壳和转台下部相连的轴承；固定在转台上部且与光学镜组光学同轴的红外CCD；与转台上部同轴相连的转台连接轴；与转台连接轴同轴相连的导电环；与转台下部和伺服控制器相连且与转台连接轴同轴相连的电机；与伺服控制器和转台连接轴同轴相连的编码器；与伺服控制器和转台下部相连的速率陀螺；与转台下部相连的前后端配重；固定在转台下部上的图像处理器和伺服控制器。本发明精度高，结构简单，可靠实用，体积小，重量轻。

Description

全自动高精度光学制导装置
技术领域
本发明涉及制导技术领域，具体涉及一种全自动高精度光学制导装置。
背景技术
制导是一种导引和控制飞行器按照一定规律飞向预定目标或预定轨道的技术，包括光学制导、有线制导、无线电制导、雷达制导、红外制导、激光制导、音响制导、地磁制导、惯性制导和天文制导等。在制导过程中，通过制导系统不断测定飞行器与预定目标或预定轨道之间的相对位置关系，发出制导信息传递给飞行器控制系统，以控制飞行器飞向预定目标或预定轨道。
近年来，各种类型的飞行器都在向全自动高精度制导方向发展。由于一部分飞行器在飞行过程中会高速旋转，这就给制导带来了极大的困难。这是因为，由于飞行器高速旋转，经过光学系统在图像处理电路上采集到的图像也是高速旋转的，无法实现对目标的识别、跟踪，也就无法实现飞行器的制导。现有高速旋转飞行器制导通常采用激光制导。激光制导属于主动制导，在制导过程中要发射激光照射预定目标，通过照射到预定目标的激光确定预定目标位置，实现制导。其存在的问题是，在制导过程中，由于导引头需要发射激光照射预定目标，这样就一定会暴露自身目标，预定目标在被激光照射时，就知道自身已被锁定，可以使用反激光制导机制实现对抗激光制导，同时也可以对发射激光的飞行器实施打击。目前，国内并没有相关的高速旋转飞行器的全自动高精度光学制导导引头的研究。
发明内容
为了解决现有高速旋转飞行器采用激光制导存在的在发射激光照射预定目标的同时会暴露自身目标从而导致制导失败的问题，本发明提供一种全自动高精度光学制导装置。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的全自动高精度光学制导装置，包括外壳，还包括：
与外壳刚性连接的整流罩；
通过光学镜组固定机构与外壳内壁相连的光学镜组；
设置在外壳内部的转台上部和转台下部；
其外环与外壳内壁相连且其内环与转台下部外壁相连的轴承；
固定在转台上部前端的红外CCD，所述光学镜组与红外CCD光学同轴；
其前端部与转台上部后端同轴相连的转台连接轴；
与转台连接轴同轴相连的导电环；
通过电机固定机构与转台下部内壁相连的电机，所述电机的输出轴与转台连接轴后端部同轴相连，所述电机与伺服控制器相连；
与伺服控制器相连且与转台连接轴同轴相连的编码器；
与伺服控制器相连且与转台下部内壁相连的速率陀螺，所述速率陀螺沿着外壳切线安装；
均与转台下部外壁相连的转台前端配重和转台后端配重；
固定在转台下部内壁上的图像处理器和伺服控制器，所述图像处理器与红外CCD之间通过电缆和导电环相连。
进一步的，所述图像处理器和伺服控制器均通过电路固定机构固定在转台下部内壁上。
进一步的，所述轴承采用陶瓷轴承。
进一步的，所述整流罩采用K9光学玻璃材料制成。
进一步的，所述电机采用直流力矩电机。
进一步的，所述转台前端配重和转台后端配重均采用铅块。
进一步的，所述图像处理器采用DSP图像处理电路。
进一步的，所述伺服控制器采用DSP数字控制电路。
进一步的，所述编码器采用绝对式轴角编码器。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用光学制导，预定目标通过光学镜组成像于红外CCD上，通过图像处理器对图像进行处理后传输给飞行器控制系统，以控制飞行器飞向预定目标或预定轨道，实现制导。光学制导属于被动制导，与激光制导不同，在制导过程中无需发射激光照射预定目标，只需要被动接收预定目标的红外辐射特性，这样就不会暴露自身目标。
2、本发明通过三级消旋原理实现消旋功能，消除飞行器高速旋转对图像识别和跟踪的影响，进而保持图像视轴的稳定。一级消旋通过轴承、外壳、转台下部之间的联动作用实现，消除大部分转台下部的旋转偏差；二级消旋通过速率陀螺、转台下部、伺服控制器、电机、转台上部、编码器组成自动控制闭环系统实现，进一步消除余下旋转偏差，实现高精度伺服控制；三级消旋采用红外CCD和图像处理器组成的图像处理系统实现，通过图像处理算法消除以上两级消旋残余的微小旋转偏差。
3、本发明中设置有导电环，它作为转台上部和转台下部的电气连接机构，起到将旋转转台上部和转台下部的电气连接作用。由于转台是转动的，电缆连接如果不采取措施，由于转动，电缆就会绞在一起，导致电缆绞断。
4、针对飞行器长时间存放的情况，普通的机械轴承需要定期添加润滑油，本发明中的轴承采用陶瓷轴承，无需使用润滑油，解决了飞行器长时间存放的问题。
5、本发明可以对高速旋转的飞行器实现稳定消旋进而实现全自动高精度光学制导，结构设计简单，安全可靠实用，体积小巧，重量轻，可以实现高速旋转飞行器制导的最佳效果。
附图说明
图1为本发明的全自动高精度光学制导装置的结构示意图。
图中：1、整流罩，2、外壳，3、光学镜组，4、光学镜组固定机构，5、红外CCD，6、转台上部，7、转台连接轴，8、电机，9、电机固定机构，10、速率陀螺，11、转台下部，12、轴承，13、转台前端配重，14、转台后端配重，15、导电环，16、图像处理器，17、伺服控制器，18、电路固定机构，19、编码器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的全自动高精度光学制导装置，主要包括整流罩1、外壳2、光学镜组3、光学镜组固定机构4、红外CCD 5、转台上部6、转台连接轴7、电机8、电机固定机构9、速率陀螺10、转台下部11、轴承12、转台前端配重13、转台后端配重14、导电环15、图像处理器16、伺服控制器17、电路固定机构18、编码器19。
整流罩1与外壳2刚性连接，整流罩1起到减小风阻、使本发明的全自动高精度光学制导装置满足空气动力学。外壳2与飞行器外壳一体化加工或者外壳2与飞行器外壳机械连接。在外壳2内部，在光学镜组3和红外CCD5的主光轴传播方向上从左至右依次设置有光学镜组3、红外CCD5、转台上部6、编码器19、导电环15、转台连接轴7、电机8、转台下部11、轴承12、图像处理器16、伺服控制器17。其中，光学镜组3通过光学镜组固定机构4与外壳2机械连接，光学镜组固定机构4固定在外壳2内壁上，光学镜组3靠近整流罩1设置，光学镜组3可以随着外壳2一起旋转，由于光学镜组3中的光学镜片均为球面镜片，随着外壳2一起旋转时不影响光学成像。红外CCD5固定在转台上部6前端，并且光学镜组3与红外CCD5安装时要保证两者光学同轴，可以通过调整光学镜组3与光学镜组固定机构4的机械连接位置以及通过调整红外CCD5与转台上部6的机械连接位置来调整光学镜组3与红外CCD5之间的位置关系。轴承12外环与外壳2内壁机械连接，轴承12内环与转台下部11外壁机械连接。转台上部6、转台连接轴7、电机8机械同轴连接，具体的说，转台上部6后端中心与转台连接轴7前端部机械同轴相连，转台连接轴7后端部与电机8的输出轴机械同轴相连。编码器19、导电环15、转台连接轴7、转台下部11机械同轴连接，具体的说，编码器19与转台连接轴7机械同轴相连，导电环15与转台连接轴7机械同轴相连，电机8通过电机固定机构9与转台下部11机械连接，电机固定机构9固定在转台下部11内壁上，并且编码器19和导电环15位于转台上部6与电机8之间，编码器19用于测量转台的旋转角度。速率陀螺10是测速元件，切线安装，具体的是：速率陀螺10沿着外壳2切线方向与转台下部11内壁机械连接，测到的速度就是外壳2的转速，如果不是切线安装，测到的速度就不是外壳2的转速，而是存在了三角函数的关系。图像处理器16和伺服控制器17均通过电路固定机构18与转台下部11机械连接，电路固定机构18固定在转台下部11内壁上。转台前端配重13和转台后端配重14均与转台下部11外壁机械连接。
红外CCD5与图像处理器16之间通过电缆和导电环15相连，导电环15可以避免电缆在旋转过程中造成扭伤。本发明的全自动高精度光学制导装置前端的预打击目标通过光学镜组3成像于红外CCD5上，并通过图像处理器16接收图像，图像处理器16与飞行器控制系统通过电缆相连，通过图像处理器16对图像进行处理后传输给飞行器控制系统，以控制飞行器飞向目标或预定轨道。
速率陀螺10与伺服控制器17通过电缆相连，电机8与伺服控制器17通过电缆相连，编码器19与伺服控制器17通过电缆相连。通过速率陀螺10测量转台下部11的旋转偏差输出给伺服控制器17，通过伺服控制器17控制电机8旋转，同时驱动转台上部6转动，以消除旋转偏差。
为了抵消飞行器的高速旋转，本发明的全自动高精度光学制导装置采用三级消旋措施：
一级消旋：轴承12外环与外壳2内壁机械连接，轴承12内环与转台下部11外壁机械连接，外壳2与飞行器外壳一体化加工或者外壳2与飞行器外壳机械连接。当外壳2随着飞行器高速旋转时，轴承12外环也随着外壳2一起高速旋转，与轴承12内环机械连接的转台下部11不会随着外壳2高速旋转。转台前端配重13和转台后端配重14均与转台下部11外壁机械连接，转台前端配重13和转台后端配重14使整个转台前后配重一致，进而减小轴承12外环与内环之间的摩擦力。通过上述结构的设计，可以抵消高速旋转的外壳2带来的大部分旋转。并且，轴承12采用陶瓷轴承，无需使用润滑油。
二级消旋：速率陀螺10、转台下部11、伺服控制器17、电机8、转台上部6、编码器19组成自动控制闭环系统，可以实现高精度伺服控制。采用速率陀螺10测量转台下部11经一级消旋余下的旋转偏差，然后将其输出到伺服控制器17中，通过伺服控制器17控制电机8旋转，同时驱动转台上部6转动，进一步消除余下旋转偏差。编码器19作为自动控制闭环系统的反馈测量元件，通过编码器19测量转台的旋转角输出给伺服控制器17，伺服控制器17根据编码器19测量的旋转角和速率陀螺10测量的旋转偏差控制电机8旋转，同时驱动转台上部6转动，进一步消除余下旋转偏差。
一般高速旋转飞行器的转速是每秒6～12转，也就是2160～4320°/s。普通速率陀螺10的最大测速范围是1200°/s，无法直接测量高速旋转飞行器的转速，从而无法实现消旋，本发明通过一级消旋后转台下部11的转速大幅度下降，可以满足普通速率陀螺10的测量范围，而且可以实现速率陀螺10的小型化。
三级消旋：红外CCD5和图像处理器16组成图像处理系统，通过图像处理算法消除以上两级消旋残余的微小旋转偏差。
本实施方式中，整流罩1采用K9光学玻璃材料制成。
本实施方式中，光学镜组3采用现有设计或者根据实际需求设计即可，只要实现成像功能。具体的说：光学镜组3中的所有光学镜片均采用光学镀膜处理，具有增透作用，并且所有的光学镜片均采用球面镜片。
本实施方式中，外壳2采用不锈钢喷漆，光学镜组固定机构4采用不锈钢喷漆，转台上部6采用不锈钢喷漆，转台连接轴7采用不锈钢喷漆，电机固定机构9采用不锈钢喷漆，转台下部11采用不锈钢喷漆，电路固定机构18采用不锈钢喷漆。
本实施方式中，红外CCD5采用红外波段CCD。
本实施方式中，电机8采用直流力矩电机。
本实施方式中，速率陀螺10采用高精度小型化速率陀螺。
本实施方式中，轴承12采用陶瓷轴承。
本实施方式中，转台前端配重13采用铅块配重，转台后端配重14采用铅块配重。
本实施方式中，导电环15采用小型化导电环。
本实施方式中，图像处理器16采用DSP图像处理电路。
本实施方式中，伺服控制器17采用DSP数字控制电路。
本实施方式中，编码器19采用绝对式轴角编码器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.全自动高精度光学制导装置，包括外壳(2)，其特征在于，还包括：
与外壳(2)刚性连接的整流罩(1)；
通过光学镜组固定机构(4)与外壳(2)内壁相连的光学镜组(3)；
设置在外壳(2)内部的转台上部(6)和转台下部(11)；
其外环与外壳(2)内壁相连且其内环与转台下部(11)外壁相连的轴承(12)；
固定在转台上部(6)前端的红外CCD(5)，所述光学镜组(3)与红外CCD(5)光学同轴；
其前端部与转台上部(6)后端同轴相连的转台连接轴(7)；
与转台连接轴(7)同轴相连的导电环(15)；
通过电机固定机构(9)与转台下部(11)内壁相连的电机(8)，所述电机(8)的输出轴与转台连接轴(7)后端部同轴相连，所述电机(8)与伺服控制器(17)相连；
与伺服控制器(17)相连且与转台连接轴(7)同轴相连的编码器(19)；
与伺服控制器(17)相连且与转台下部(11)内壁相连的速率陀螺(10)，所述速率陀螺(10)沿着外壳(2)切线安装；
均与转台下部(11)外壁相连的转台前端配重(13)和转台后端配重(14)；
固定在转台下部(11)内壁上的图像处理器(16)和伺服控制器(17)，所述图像处理器(16)与红外CCD(5)之间通过电缆和导电环(15)相连。
2.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述图像处理器(16)和伺服控制器(17)均通过电路固定机构(18)固定在转台下部(11)内壁上。
3.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述轴承(12)采用陶瓷轴承。
4.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述整流罩(1)采用K9光学玻璃材料制成。
5.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述电机(8)采用直流力矩电机。
6.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述转台前端配重(13)和转台后端配重(14)均采用铅块。
7.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述图像处理器(16)采用DSP图像处理电路。
8.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述伺服控制器(17)采用DSP数字控制电路。
9.根据权利要求1所述的全自动高精度光学制导装置，其特征在于，所述编码器(19)采用绝对式轴角编码器。
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