ES2233276T3 - Procedimiento y dispositivo para corregir errores de alineacion entre aparatos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para corregir errores de alineación entre un dispositivo sensor (T; T1, T2) y un dispositivo efector (G; G1, G2, G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2) a través de un servosistema de control mediante una corrección de un vector de error de alineación (B), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes: a) alineación del dispositivo sensor (T; T1, T2) con un blanco de medida (Ki), b) alineación de un sensor de medida de blanco (Sg) existente en el dispositivo efector (G; G1, G2, G3) con este blanco de medida (Ki), que representa así un blanco de medida común (Ki) del dispositivo sensor (T; T1, T2) y del dispositivo efector (G; G1, G2, G3), c) captación de un valor de desviación (Di) entre la posición de la línea de mira (0) del sensor de medida de blanco (Sg), tal como ésta resulta del dispositivo efector (G; G1, G2; G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2), y la posición del blanco de medida (Ki), tal como ésta es percibida por el sensor de medida de blanco (Sg), d) empleo de un vector de error de alineación existente (B) como señal de entrada del sistema de control y e) realización recursiva de una corrección subsiguiente del vector de error de alineación (B) sobre la base del valor de desviación (Di) y según el método de los mínimos cuadrados de error.

Description

Procedimiento y dispositivo para corregir errores de alineación entre aparatos.

La presente invención concierne a un procedimiento y a un dispositivo para corregir errores de alineación entre aparatos de sistemas de dirección de tiro e instalaciones de armas según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 10, respectivamente.

Se conoce por el documento EP 0 314 721 B1 un procedimiento para corregir errores de alineación entre cureñas y aparatos dispuestos sobre ellas, pudiendo ser los aparatos unos sistemas de dirección de tiro e instalaciones de armas. El procedimiento se realiza empleando valores de corrección de la posición aproximada de los aparatos instalados establecida mientras los sistemas de dirección de tiro y las instalaciones de arma están en reposo y teniendo en cuenta tales valores de corrección en los servomandos de las cureñas; los valores de corrección de los aparatos son conocidos de fábrica y/o se calculan a partir de valores de medida.

El cometido de la presente invención consiste en mejorar un procedimiento de esta clase y proponer un dispositivo para su realización.

La solución de este problema se efectúa de manera ventajosa según la invención por medio de un procedimiento conforme a la reivindicación 1 y por medio de un dispositivo conforme a la reivindicación 10.

Se pueden tener así en cuenta desviaciones del sistema respecto de una geometría ideal definida para aumentar la precisión en la operación de disparo durante el cálculo de las magnitudes de mando para los servos de las cureñas.

Otras ejecuciones ventajosas de la invención se desprenden de las demás reivindicaciones subordinadas.

Se explica seguidamente la invención con más detalle a título de ejemplo haciendo referencia a un dibujo. Muestran:

la figura 1, una representación esquemática de la conexión mutua en red de dispositivos sensores y dispositivos efectores con respecto a su posición,

la figura 2, una observación individualizada en la medición de precisión según la invención,

la figura 3, el resultado de una observación individualizada según la figura 2,

la figura 4, una representación para explicar el sistema de coordenadas empleado,

la figura 5, el resultado de un juego completo de valores de observación y,

la figura 6, el resultado de los valores corregidos según la invención.

La figura 1 muestra una instalación con un total de cinco aparatos, a saber, dos dispositivos sensores en forma de aparatos de dirección de tiro T1, T2 y tres dispositivos efectores controlados por ordenador en forma de cañones G1, G2, G3. Los dispositivos sensores y los dispositivos efectores pueden encontrarse sobre un barco o bien en tierra. Todos estos aparatos T1, T2, G1, G2, G3 están alojados en cureñas o lechos y están alineados mecánicamente al menos en forma aproximada.

En la figura 2 se representan a título de ejemplo un helicóptero 10 y una instalación sencilla con un dispositivo sensor T y un dispositivo efector G. El dispositivo sensor T puede ser un aparato de dirección de fuego o de puntería, designado también con T, para controlar el cañón G. El cañón G puede estar provisto, por ejemplo, de un sensor de TV Sg. El aparato de puntería T controla el cañón G a través de líneas de datos o de señal 11. Tanto el cañón G como el aparato de puntería T apuntan hacia un blanco de medida común K, por ejemplo una esfera designada también con K que está enganchada en un cable de soporte 12 del helicóptero 10.

Con tales disposiciones se pretende determinar una corrección para un vector de error de alineación B o varios vectores de error de alineación B_{jk}, en la figura 1, por ejemplo, B11, B12, B21, B22, B31, B32. Se parte aquí de la consideración de que el vector de error de alineación B o los vectores de error de alineación B_{jk} son vectores de base que son conocidos por mediciones de posición aproximadas, mediciones de fábrica, etc. y están archivados.

Mediante el procedimiento según la invención se realiza una medición de precisión para mejorar estos valores conocidos de los vectores de error de alineación B o B_{jk} en varios pasos o después de varias mediciones. Por tanto, para un vector de error de alineación B corregido con un vector de corrección calculado Pn se cumple después de un número de i pasos, en donde i representa valores enteros de 1 a n:

B(nuevo) = B(antiguo) + P_{n}

Después de un número de n mediciones, se puede suponer que P_{n} = P_{s}, en donde P_{s} corresponde al valor real o correcto, en sí inaccesible, para la corrección del sistema como tal.

Cuando, por ejemplo, los dispositivos sensores o los dispositivos efectores se encuentran sobre un barco, se obtiene entonces, al variar el peso del barco a consecuencia de variaciones de la carga útil, del carburante existente o de una variación en la forma del cuerpo del barco, etc., un nuevo valor para el vector de corrección P_{s}, el cual a su vez puede calcularse aproximadamente en forma de un nuevo valor P_{n} por medio de nuevas mediciones realizadas con ayuda de la esfera K fijada al helicóptero 10. Variaciones muy pequeñas en la forma del casco del barco, por ejemplo por combado o torsión, especialmente después de una explosión, provocan una variación relativamente grande en los ángulos de referencia. Un objetivo de la invención es tener en cuenta estas variaciones muy pequeñas.

La pantalla representada en la figura 3 muestra el modo en que el sensor de TV Sg ve, por ejemplo, el blanco de medida K o la esfera K, concretamente en la posición realmente ocupada, en general con una cierta desviación respecto de un punto de cruce 0 de un retículo de la pantalla. Esta desviación de posición perceptible inmediatamente por el sensor de TV Sg es un error de posición que es la consecuencia o la suma de todos los errores del sistema de cualquier clase; errores del sistema son, por ejemplo, imprecisiones mecánicas a consecuencia de tolerancias de fabricación o desgastes, errores residuales de la medición de posición aproximada, variaciones en la forma del casco del barco, ruidos de medida. La desviación de posición puede ser captada como un vector de columna Di con dos componentes, lo que se puede representar en forma transpuesta como sigue:

D_{i} = |\ dy_{i}' dz_{i}'\ |^{T}

en donde dy_{i}' y dz_{i}' son los componentes del vector de columna D_{i} en los ejes y' y z', respectivamente. La magnitud d de la longitud del vector de columna D_{i} se puede calcular según la figura 3 como

d = (dy_{i}{'}^{2} + dz_{i}{'}^{2})^{1/2}

La pantalla según la figura 3 se ha calibrado a una distancia predeterminada para que los componentes dy_{i}' y dz_{i}', que en realidad son ángulos, puedan ser representados por longitudes y distancias, respectivamente. Para el vector de intersticio D_{i} rige la relación:

D_{i} = M_{i} * P_{s} + R_{i} = D_{ic} + R_{i}

en donde R_{i} = error residual.

Los factores que influyen sobre el error residual R_{i} son entre otros, aparte del ruido térmico, el estado del mar, las imprecisiones del servosistema y el hecho de que el operador no pueda llevar una marca + representada en la figura 3 exactamente sobre el blanco de medida en su posición momentánea K_{i}.

En la zona del aparato de puntería T y del cañón G está definido un sistema de coordenadas según la figura 4. Cuando el aparato de puntería T y el cañón G se encuentran sobre el terreno, se tiene entonces que, por ejemplo, el eje X está dirigido hacia el Norte, el eje Y hacia el Este y el eje Z hacia del centro de la tierra. Cuando el aparato de puntería T y el cañón G se encuentran sobre un barco, se tiene entonces que, por ejemplo, el eje X es el eje longitudinal del barco, el eje Y es el eje transversal del barco y el eje Z es un eje que gira a derechas y que está dirigido ortogonalmente al eje X y al eje Y. En el sistema de coordenadas definido por los ejes X, Y y Z cada posición que puede ocupar el objetivo de medida K_{i} está determinada por tres coordenadas x_{k}, y_{k}, z_{k}. Sin embargo, por motivos prácticos, en la técnica del tiro se emplean también como coordenadas las magnitudes angulares \alpha_{k} y \lambda_{k}, designándose con \alpha_{k} el ángulo lateral y con \lambda_{k} el ángulo en altura; por tanto, las magnitudes \alpha_{k} y \lambda_{k} son redundantes. Las coordenadas x_{k}, y_{k}, z_{k} se consideran como componentes de un vector de blanco 0K_{1}, pudiendo calcularse también a partir de estas coordenadas el ángulo lateral \alpha o el ángulo de altura \lambda. La proyección del vector 0K sobre el plano X-Y en la figura 4 define una recta g; se elige como eje \lambda una recta situada también en el plano X-Y y que corta perpendicularmente la recta g en el punto nulo 0.

El vector de corrección P_{i} mencionado al principio y calculado recursivamente presenta de preferencia cuatro componentes en la forma que sigue:

P_{i} = |\ \Delta x_{i} \Delta y_{i} \Delta z_{i}\Delta \lambda_{i}\ |

en donde \Deltax_{i}, \Deltay_{i}, \Deltaz_{i} y \Delta\lambda_{i} son pequeños valores angulares, significando:

\Deltax_{i} un giro en torno al eje X,

\Deltay_{i} un giro en torno al eje Y,

\Deltaz_{i} un giro en torno al eje Z y

\Delta\lambda_{i} un giro en torno al eje \lambda.

Estos giros o ladeos resultan debido a que el plano de giro del dispositivo efector, es decir, del cañón G, no es paralelo al plano de giro del dispositivo sensor, es decir, el aparato de puntería T.

El error que resulta de esto tiene dos grados de libertad y, por tanto puede corregirse por medio de los dos giros \Deltax_{i} en torno al eje X y \Deltay_{i} en torno al eje Y. Por el contrario, el giro \Deltaz_{i} en torno al eje Z comprende también el giro del azimut \Delta\alpha. Por tanto, para cualquier posición de un blanco de medida definida por un vector de blanco 0K_{i} o para cualquier paso i del procedimiento existe una matriz de transformación M_{i} definida como sigue:

1

con i = 1, 2, 3,... n.

Para cada paso i del procedimiento existe también una matriz de covarianzas Si en la forma siguiente:

S_{i}=S_{i-1} -\frac{S_{i-1}*M_{i}{}^{T}*M_{i}*S_{i-1}}{(M_{i}*S_{i-1}*M_{i}{}^{T}+I)}

en donde I representa una matriz unidad.

Por último, se define todavía un vector de error E (error de ecuación) por la ecuación siguiente:

E_{i} = D_{i} - M_{i} * P_{i-1}

El cálculo se inicializa con los valores siguientes:

P = |\ 0\ 0\ 0\ 0\ |^{T}

y

2

en donde C es una constante.

La recursión comienza con valores iniciales P_{0} y S_{0}, con valores calculados de M_{i} y con valores medidos de
D_{i} = | dy_{i}' dz_{i}' |^{T}, en donde i comienza en 1. A partir de esto se calculan los valores de E_{i} y S_{i} según las fórmulas de recursión anteriormente indicadas y a continuación P_{i} según la fórmula de recursión siguiente:

P_{i} = P_{i-1} + S_{i} * M_{i}{}^{T} * E_{i}

con i = 1, 2, 3,... n.

Este algoritmo recursivo minimiza el siguiente índice de calidad J(p) (prestaciones):

J(p) = suma\ (i = 1, 2,... n)\ (D_{i} - M_{i} * P_{i})^{T}*(D_{i} - M_{i}*P_{i})

El algoritmo según la presente invención se basa en una aplicación especial del método de los mínimos cuadrados de error, en el que se obtienen los valores "más favorables" haciendo que la suma de los cuadrados de las respectivas diferencias entre el valor observado para D_{i} y el valor calculado para D_{ic} \approx M_{i} * P_{n} dé como resultado un mínimo.

Mediante la matriz de transformación M_{i} se transforma el vector de corrección calculado P_{i} en el vector D_{i} o se transforman los componentes \Deltax_{i}, \Deltay_{i}, \Deltaz_{i} y \Delta\lambda_{i} en los componentes dy_{i}', dz_{i}'. Para evitar ambigüedades en el plano de observación (figura 3) se emplea una matriz S. La matriz S es la matriz de covarianza anteriormente expuesta que conduce, especialmente para mediciones diseñadas en forma ortogonalmente simétrica, a una matriz diagonalmente simétrica con valores decrecientes en la diagonal, es decir que la pista Sp o el índice de convergencia tiende a 0. Los ensayos realizados respecto de las posiciones de la coma en éste número de convergencia han demostrado que es ventajoso elegir para la constante C, por ejemplo, el valor 49,25 ó 492,5 etc. En el caso de C = 49,25, el valor de la vía de la matriz de covarianza S_{n} disminuye desde el valor 99,99... inicial hasta aproximadamente 0,03 con un número n suficientemente grande de mediciones o pasos. Sin embargo, la constante C puede ser también 1 o tener un valor cualquiera. Después de un número n de mediciones o pasos de recursión, por ejemplo 25 < n < 400, preferiblemente n \approx 200, el valor de P_{n} tiende hacia el valor deseado P_{s}.

La figura 5 muestra, cada vez con una cruz +, un número de posiciones reales del blanco de medida K llevado por el helicóptero 10. En la figura 6 se han representado los valores corregidos correspondientes de estas posiciones. Cuando el sistema de coordenadas X-Y-Z parte de un barco, el helicóptero 10 vuela preferiblemente en una trayectoria de forma circular con un radio del orden de magnitud de 1,5 km, pero en forma de línea helicoidal o con altura creciente \alpha_{Ti}, \lambda_{Ti}, \Delta_{Ti} en torno al barco. Sobre la base de los datos calculados por el aparato de puntería T y teniendo en cuenta parámetros conocidos hasta ahora, especialmente paralajes entre el aparato de puntería T y el cañón G, la línea de mira 0 del sensor del cañón G (en lugar de la línea de tiro o del eje del tubo del cañón G decalado con un pequeño paralaje) es dirigida de preferencia automáticamente en la mejor forma posible hacia un blanco de medida K_{i} por medio del sistema de control. El punto de cruce del retículo de la línea de visión del sensor Sg (figura 3) apunta en la dirección en la que se espera el blanco de medida K_{i}.

Por tanto, en la figura 5 cada punto marcado con una cruz + se refiere a un respectivo valor medido de \alpha_{Ki} o \lambda_{Ki}, es decir que se refiere al ángulo lateral o al ángulo de altura del cañón G, los cuales ángulos corresponden a la respectiva posición K_{i} del blanco de medida K llevado por el helicóptero 10. Por el contrario, la figura 6 corresponde a los valores teóricos de \alpha y \lambda que se medirían después de las correcciones según el presente procedimiento en condiciones exactamente iguales cuando ni siquiera se podría prácticamente realizar una medición adicional de esta clase. En realidad, es imposible realizar tales mediciones adicionales con el helicóptero 10 en posiciones exactamente iguales a las de las mediciones anteriores y en las mismas condiciones del barco, etc.

Teóricamente, en la figura 6 - gracias a la corrección efectuada - todos los puntos + tendrían que caer en el punto nulo 0. A causa de los errores residuales R_{i} inevitablemente existentes en el sistema, tal como se ha representado en la figura 6, los puntos + no caen en el punto nulo 0, es decir que se obtienen desviaciones estadísticamente distribuidas respecto del punto nulo 0, cuya distribución, no obstante, está exenta de un valor medio, es decir que el valor medio de las desviaciones de los puntos en ambos ejes es cero.

En comparación con otros algoritmos que trabajan con pasadas diferentes para los ordenadores de sistemas similares, el algoritmo según la presente invención se manifiesta como especialmente ventajoso en lo que respecta a que la inicialización según la invención no es en absoluto problemática y no se producen nunca singularidades (determinantes = 0), de modo que no hay que temer ninguna clase de "descarrilamiento" del programa. Tales "descarrilamientos" podrían presentarse, por ejemplo, cuando se intente para cada pasada adaptar valores de medida a una curva prefijada, tal como una curva sinusoidal.

Al igual que en el sistema según la patente EP 0 314 721 B1, los datos de corrección basados en mediciones, con los cuales se corrigen los vectores de error de alineación, tienen un efecto de corrección de la alineación errónea en tiempo real. Las mediciones pueden realizarse de nuevo de vez en cuando, por ejemplo después de cuatro o seis semanas, para adaptar los datos de corrección a condiciones variables, por ejemplo de un barco. Esto significa que los valores de medición obtenidos de vez en cuando pueden ser integrados en el sistema y que, por tanto, éstos son inherentes al sistema y, por tanto, corresponden cada uno de ellos a un error no observable directamente.

El dispositivo sensor T (rastreador) puede ser un sensor, un aparato de puntería, un aparato de radar, de láser o de infrarrojos, etc. o bien pueden combinarse varios de estos aparatos. Como dispositivos efectores G (cañones) entran en consideración no sólo piezas de artillería convencionales, como, por ejemplo, cañones, sino también dispositivos de lanzamiento de cohetes o cañones láser. Las mediciones pueden realizarse para diferentes pares G/T B11, B12, B21, B22,... (véase la figura 1), pudiendo controlar también un dispositivo sensor T varios dispositivos efectores G.

La instalación descrita con ayuda de las figuras puede presentar los necesarios sistemas de control, medios de ordenador o hardware y programas o software para materializar los diferentes procedimientos o procedimientos parciales según las variantes reivindicadas o en cualquier combinación de las mismas.

Claims (10)

1. Procedimiento para corregir errores de alineación entre un dispositivo sensor (T; T1, T2) y un dispositivo efector (G; G1, G2, G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2) a través de un servosistema de control mediante una corrección de un vector de error de alineación (B), caracterizado por los pasos de procedimiento siguientes:

a)

alineación del dispositivo sensor (T; T1, T2) con un blanco de medida (K_{i}),

b)

alineación de un sensor de medida de blanco (Sg) existente en el dispositivo efector (G; G1, G2, G3) con este blanco de medida (K_{i}), que representa así un blanco de medida común (K_{i}) del dispositivo sensor (T; T1, T2) y del dispositivo efector (G; G1, G2, G3),

c)

captación de un valor de desviación (D_{i}) entre la posición de la línea de mira (0) del sensor de medida de blanco (Sg), tal como ésta resulta del dispositivo efector (G; G1, G2; G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2), y la posición del blanco de medida (K_{i}), tal como ésta es percibida por el sensor de medida de blanco (Sg),

d)

empleo de un vector de error de alineación existente (B) como señal de entrada del sistema de control y

e)

realización recursiva de una corrección subsiguiente del vector de error de alineación (B) sobre la base del valor de desviación (D_{i}) y según el método de los mínimos cuadrados de error.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque

- para corregir un vector de error de alineación (B) se obtiene un vector (Pn) calculado recursivamente en pasos de procedimiento i = 1,... a i = n, el cual presenta para cada posición medida del blanco de medida (K_{i}) al menos dos componentes o coordenadas del valor de desviación (D_{i}), y

- la corrección de un vector calculado (Pi) se realiza por multiplicación de un valor inicial o un vector anteriormente calculado con una matriz de transformación (M_{i}) que produce una transformación de las coordenadas del blanco de medida en función del ángulo azimutal (\alpha_{gi}) y del ángulo de elevación (\lambda_{gi}) del sensor de medida de blanco (Sg).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la matriz de transformación se define de la manera siguiente:

3

con i = 1, 2, 3,... n.

4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque se emplea también para cada paso i del procedimiento una matriz de covarianzas (S_{i}) en la forma siguiente

S_{i}=S_{i-1} - \frac{S_{i-1}*M_{i}{}^{T}*M_{i}*S_{i-1}}{(M_{i}*S_{i-1}*M_{i}{}^{T}+I)}

en donde I es una matriz unidad, se emplea para la inicialización de la recursión un valor inicial de S_{0} y se cumple que i = 1, 2, 3,... n.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque se obtiene un vector de error (E) según la siguiente fórmula de recursión

E_{i} = D_{i} - M_{i} * P_{i-1}

en donde D_{i} = |dy_{i}' dz_{i}'| es un vector con los componentes de los valores de desviación (d).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque los pasos recursivos del procedimiento se realizan con valores libremente seleccionables para P_{0}, S_{0}, con valores calculados de M_{i} y con valores medidos de
D_{i} = |dy_{i}' dz_{i}'|^{T} empezando con i = 1, y porque se derivan de ellos el vector de corrección (E_{i}) según la fórmula de recursión citada

E_{i} = D_{i} - M_{i} * P_{i-1}

y el vector de corrección (P_{i}) según la fórmula de recursión siguiente

P_{i} = P_{i-1} + S_{i} * M_{i}{}^{T} * E_{i}

con i = 1, 2, 3,... n.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque el vector de corrección (P_{i}) se forma con al menos dos de los cuatro componentes siguientes \Deltax_{i}, \Deltay_{i}, \Deltaz_{i} y \Delta\lambda_{i}.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque el cálculo se realiza con el vector de corrección P_{i} = |\Deltax_{i} \Deltay_{i} \Deltaz_{i} \Delta\lambda_{i}| y se inicializa con los valores siguientes

P_{0} = |\ 0\ 0\ 0\ 0\ |^{T}

y

4

en donde C es una constante que presenta preferiblemente el valor 49,25.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el blanco de medida común (K_{i}) es conducido en el espacio sobre trayectorias prefijadas, preferiblemente por medio de un helicóptero (10).

10. Dispositivo para corregir errores de alineación entre un dispositivo sensor (T; T1, T2) y un dispositivo efector (G; G1, G2, G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2) a través de un servosistema de control mediante una corrección de un vector de error de alineación (B),

en el que el dispositivo sensor (T; T1, T2) está construido para ser alineado con un blanco de medida (K_{i}),

en el que está presente en el dispositivo efector (G; G1, G2, G3) un sensor de medida de blanco (Sg) que está construido para ser alineado con este blanco de medida (K_{i}), el cual puede representar así un blanco de medida común (K_{i}) del dispositivo sensor (T; T1, T2) y del dispositivo efector (G; G1, G2, G3),

en el que están presentes medios de pantalla para captar un valor de desviación (D_{i}) entre la posición de la línea de mira (0) del sensor de medida de blanco (Sg), tal como ésta resulta del dispositivo efector (G; G1, G2, G3) controlado por el dispositivo sensor (T; T1, T2), y la posición del blanco de medida (K_{i}), tal como ésta es percibida por el sensor de medida de blanco (Sg), y

en el que están presentes medios de ordenador para obtener a partir de un vector de error de alineación existente (B) una señal de entrada para el servosistema de control y para realizar a continuación recursivamente una corrección del vector de error de alineación (B) sobre la base del valor de desviación (D_{i}) y según el método de los mínimos cuadrados de error.