RU2123166C1

RU2123166C1 - Device for formation of optical field for teleorientation of controlled plants

Info

Publication number: RU2123166C1
Application number: RU97122114A
Authority: RU
Inventors: Л.Г. Андриевский; В.В. Исаев; А.Ф. Модеев; А.П. Рослик; М.М. Рубинштейн; В.А. Соболь
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт точного машиностроения
Priority date: 1997-12-30
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 1998-12-10

Abstract

FIELD: remote control of machines, in particular, flying vehicles. SUBSTANCE: device has drive, modulation unit, two coding units, two triggering circuits and at least two channels each containing a heading and pitch radiating branches, each of them, in turn, has successively installed laser, scanner and objective lens, in addition, it uses a range unit, multiplier, and two controlled keys interconnected in the respective manner. EFFECT: simplified design, provision of respective dimensions of control zone, enhanced level of signal within entire flight range of flying vehicle. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области дистанционного управления машинами, в частности летательными аппаратами. The invention relates to the field of remote control of machines, in particular aircraft.

В современной технике дистанционного управления широкое применение нашел способ телеориентирования управляемых машин и аппаратов в оптическом луче (см., например, "Управление машинами при помощи оптического луча", С.Т.Цуккерман, А.С.Гридин, г. Ленинград, "Машиностроение", 1969 г.), сущность которого заключается в следующем. В пункте управления располагают прожектор (излучатель), который при помощи закрепленного с ним в общем корпусе оптического визира ориентируют в нужном направлении. Прожектор излучает оптический поток, модулированный таким образом, что каждой координате в пределах его поля зрения соответствует определенное значение информативного параметра, например частоты модуляции сигнала. Оптический поток излучается одновременно во всю зону управления (круг, характерное значение диаметра 6 - 8 метров). Таким образом формируется оптическое поле, в котором ориентируется объект управления. In modern remote control technology, the method of teleorienting controlled machines and devices in the optical beam has found widespread use (see, for example, "Machine Control Using an Optical Beam", S.T. Tsukkerman, A.S. Gridin, Leningrad, "Mechanical Engineering ", 1969), the essence of which is as follows. A spotlight (emitter) is located at the control point, which, with the help of an optical sight fixed with it in a common housing, is oriented in the desired direction. A searchlight emits an optical stream modulated in such a way that a certain value of an informative parameter, for example, a signal modulation frequency, corresponds to each coordinate within its field of view. The optical stream is radiated simultaneously to the entire control zone (circle, characteristic diameter value of 6 - 8 meters). Thus, an optical field is formed in which the control object is oriented.

Бортовая аппаратура управляемой машины (аппарата), приняв излученный прожектором поток, определяет значения информативного параметра, соответствующие координатам, и по этим значениям вырабатывает команды, приводящие управляемый объект на оптическую ось прожектора. The on-board equipment of the controlled machine (apparatus), having received the stream emitted by the searchlight, determines the values of the informative parameter corresponding to the coordinates, and from these values it generates commands that bring the controlled object to the optical axis of the searchlight.

Излучатель включает источник оптического излучения, механический модулятор (растр) и проекционную оптику, создающую в поле зрения изображение растра. The emitter includes an optical radiation source, a mechanical modulator (raster) and projection optics, which creates a raster image in the field of view.

Известно также устройство (прожектор) на основе инжекционных лазеров (патент N 2100745, БИ N 36, 1997 г.). A device (searchlight) based on injection lasers is also known (patent N 2100745, BI N 36, 1997).

Прожектор содержит две аналогичные ветви (курсовую и тангажную), каждая из которых включает схему запуска, а также последовательно установленные инжекционный лазер, отклоняющий оптический элемент и объектив. Отклоняющие оптические элементы (выполнены в виде цилиндрических линз) и общая рамка, установленная в корпусе на коленчатых валиках с возможностью плоскопараллельного движения по окружности, образуют сканирующий узел, обслуживающий обе ветви. Входы схем запуска соединены с блоками кодирования сигналов курса и тангажа, входы которых подключены к выходам блока модуляции, входы которого соединены с приводом и программным устройством. A searchlight contains two similar branches (directional and pitch), each of which includes a trigger circuit, as well as a sequentially installed injection laser deflecting an optical element and a lens. Deflecting optical elements (made in the form of cylindrical lenses) and a common frame mounted in the housing on crankshafts with the possibility of plane-parallel movement in a circle form a scanning unit serving both branches. The inputs of the triggering circuits are connected to the coding blocks of the heading and pitch signals, the inputs of which are connected to the outputs of the modulation block, the inputs of which are connected to the drive and the software device.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа. This device is selected as a prototype.

Недостаток известного устройства заключается в том, что для получения требуемого размера зоны управления (области пространства, в каждой точке которого присутствует оптический сигнал, содержащий информацию о линейных координатах данной точки) и требуемого для надежного управления уровня сигнала (определяется освещенностью зоны управления) во всем диапазоне изменения дальности до объекта управления (характерный диапазон 20 м - 5000 м) необходимо использовать объектив с изменяемым фокусным расстоянием (панкратика, трансфокатор). Это значительно усложняет конструкцию устройства, увеличивает его массу и энергопотребление: изменение фокусного расстояния достигается за счет подвижки вдоль оптической оси объектива одного или нескольких оптических компонентов. Это, в свою очередь, требует введения в состав устройства сложных электромеханических узлов. Необходимость возвращать подвижные компоненты трансфокатора в исходное состояние после завершения процесса управления приводит к увеличению времени на подготовку следующего рейса, требует подачи на прибор питания до производства пуска, что является сложной проблемой в том случае, когда прибор используется в переносных комплексах наведения ракет. В таких комплексах наземная аппаратура, как правило, питается от пиротехнических электробатарей, являющихся одноразовыми и инициирующимися непосредственно перед запуском летательного аппарата. A disadvantage of the known device is that to obtain the required size of the control zone (the area of space at each point of which there is an optical signal containing information about the linear coordinates of this point) and the signal level required for reliable control (determined by the illumination of the control zone) in the entire range changing the distance to the control object (characteristic range of 20 m - 5000 m), it is necessary to use a lens with a variable focal length (pan-zoom, zoom). This greatly complicates the design of the device, increases its mass and power consumption: a change in focal length is achieved by moving along the optical axis of the lens one or more optical components. This, in turn, requires the introduction of complex electromechanical units. The need to return the moving components of the zoom to the initial state after the completion of the control process leads to an increase in the preparation time for the next flight, it requires a supply of power to the device before launching, which is a difficult problem when the device is used in portable missile guidance systems. In such complexes, ground-based equipment, as a rule, is powered by pyrotechnic electric batteries, which are disposable and initiated immediately before the launch of the aircraft.

Принципиальной особенностью трансфокатора является невозможность обеспечить высокое качество изображения во всем диапазоне дальности до объекта управления, а также то, что положение оптической оси трансфокатора в пространстве изменяется при движении оптического компонента, обеспечивающего изменение фокусного расстояния. Указанные особенности приводят к соответствующим недостаткам устройств, использующих трансфокаторы, - снижению уровня сигнала и точности наведения. The principal feature of the zoom is the inability to provide high image quality in the entire range of the range to the control object, as well as the fact that the position of the optical axis of the zoom in space changes with the movement of the optical component, providing a change in focal length. These features lead to the corresponding drawbacks of devices that use zoom, - a decrease in signal level and accuracy of guidance.

Целью изобретения является упрощение конструкции и обеспечение требуемых размеров зоны управления и высокого уровня сигнала во всем диапазоне летательного аппарата. The aim of the invention is to simplify the design and provide the required dimensions of the control zone and a high signal level in the entire range of the aircraft.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее привод, блок модуляции, два блока кодирования, две схемы запуска и по крайней мере два канала, каждый из которых включает курсовую и тангажную излучающие ветви, каждая из которых включает последовательно установленные лазер, сканер и объектив, введены блок дальности, умножитель и два управляемых ключа, при этом первый выход блока дальности и выход привода соединены с входами умножителя, второй выход блока дальности - с первыми входами управляемых ключей, вторые входы управляемых ключей - с выходами схем запуска, а выходы управляемых ключей - с лазерами. This goal is achieved by the fact that in a device containing a drive, a modulation unit, two coding units, two trigger circuits and at least two channels, each of which includes a directional and pitch emitting branches, each of which includes a laser, scanner and lens in series , a range block, a multiplier and two controlled keys are introduced, while the first output of the range block and the output of the drive are connected to the inputs of the multiplier, the second output of the range block is connected to the first inputs of the controlled keys, the second inputs are controlled 's key - to the outputs of circuits run, and outputs driven keys - with lasers.

Сопоставительный анализ показал, что заявляемое устройство отличается от прототипа введением блоков: блока дальности, умножителя и управляемых ключей, а также их связями с остальными элементами системы. Comparative analysis showed that the claimed device differs from the prototype in the introduction of blocks: range block, multiplier and controlled keys, as well as their relationships with other elements of the system.

Предложенная структура устройства позволила достигнуть поставленной цели, сообщив заявленному устройству положительные свойства, которыми известные устройства не располагали. The proposed structure of the device made it possible to achieve the goal by informing the claimed device of the positive properties that the known devices did not have.

Решение поставленной задачи в заявляемом устройстве обусловлено созданием структуры, использующей важное свойство выбранного способа формирования зоны управления (полезная информация передается в узком сканирующем лазерном луче, модулируемом при изменении угла отклонения) - возможность изменять пеленгационную характеристику за счет модуляции сигналов запуска лазера. Это позволило использовать для формирования зоны управления набор объективов с фиксированными фокусными расстояниями в сочетании со сканирующим узлом, обслуживающим все объективы, а также предложенным набором электронных блоков, решить поставленную задачу. Созданное устройство имеет габариты и массу, существенно сниженные по сравнению с прототипом, просто по конструкции и надежно. Это позволяет использовать его не только в комплексах, располагаемых на носителях, а и в переносных комплексах. Такие комплексы имеют массовое применение, что подчеркивает важность решенной задачи. The solution of the problem in the claimed device is due to the creation of a structure that uses an important property of the selected method of forming the control zone (useful information is transmitted in a narrow scanning laser beam, modulated by changing the deflection angle) - the ability to change the direction-finding characteristic by modulating the laser start signals. This made it possible to use a set of lenses with fixed focal lengths in combination with a scanning unit serving all lenses, as well as the proposed set of electronic units, to solve the problem to form a control zone. The created device has dimensions and weight, significantly reduced compared with the prototype, simply in design and reliable. This allows its use not only in complexes located on carriers, but also in portable complexes. Such complexes are widely used, which emphasizes the importance of the solved problem.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема (для определенности на ней показаны три канала), на фиг. 2, 3 и 4 - вариант конструкции оптикомеханической части применительно к трехканальной схеме. The essence of the proposal is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a block diagram (for definiteness, three channels are shown), FIG. 2, 3, and 4 — a design variant of the optomechanical part as applied to a three-channel scheme.

Устройство (фиг. 1) содержит блок дальности 1, умножитель 2, блок модуляции 3, блоки кодирования 4 и 5, схемы запуска 6 и 7, управляемые ключи 8 и 9, лазеры 10 - 15, рамку 16, сканеры (цилиндрические линзы) 17 - 22, объективы 23-28, привод 29. В состав устройства входят также (фиг. 2) оправа 30, линзы 31 и 32, оправы 33, 34 и 35 с оптическими клиньями. Коленчатые валы 36 (фиг. 3), растр 37, светодиод 38, фотодиод 39 и электродвигатель 40 входят в состав привода. Линзы 31 и 32 и оправа 30 образуют объектив 23. The device (Fig. 1) contains a range unit 1, a multiplier 2, a modulation unit 3, coding blocks 4 and 5, trigger circuits 6 and 7, controlled keys 8 and 9, lasers 10-15, frame 16, scanners (cylindrical lenses) 17 - 22, lenses 23-28, drive 29. The device also includes (Fig. 2) frame 30, lenses 31 and 32, frames 33, 34 and 35 with optical wedges. Crankshafts 36 (Fig. 3), raster 37, LED 38, photodiode 39 and motor 40 are included in the drive. The lenses 31 and 32 and the frame 30 form a lens 23.

Цилиндрические линзы ( сканеры) тангажных каналов 17, 18, 19 показаны на фиг. 1 в виде плосковыпуклых линз, цилиндрические линзы (сканеры) 20, 21, 22 курсовых каналов - в виде пластинок. Это отражает то, что оси цилиндрических поверхностей линз 17, 18, 19 расположены перпендикулярно плоскости рисунка, а оси цилиндрических поверхностей линз 20, 21, 22 - параллельно плоскости рисунка. Cylindrical lenses (scanners) of the pitch channels 17, 18, 19 are shown in FIG. 1 in the form of plano-convex lenses, cylindrical lenses (scanners) of 20, 21, 22 directional channels in the form of plates. This reflects the fact that the axis of the cylindrical surfaces of the lenses 17, 18, 19 are perpendicular to the plane of the picture, and the axis of the cylindrical surfaces of the lenses 20, 21, 22 are parallel to the plane of the picture.

Взаимное расположение лазеров, рамки и зрачков объективов (вид по направлению оптической оси) показано на фиг. 4. The relative position of the lasers, frames and pupils of the lenses (view in the direction of the optical axis) is shown in FIG. 4.

В состав устройства входят три канала, каждый из которых включает ветви курса и тангажа. Каждая ветвь образована установленными последовательно лазером, сканером и объективом. Тангажная ветвь первого канала (ветвь 1т) образована лазером 10, сканером 17 и объективом 23. Ветвь 1к образована лазером 13, сканером 20 и объективом 26. Ветвь 2т образована лазером 11, сканером 18 и объективом 24. Ветвь 2к образована лазером 14, сканером 21 и объективом 27. Ветвь 3т образована лазером 12, сканером 19 и объективом 25. Ветвь 3к образована лазером 15, сканером 22 и объективом 28. The device includes three channels, each of which includes the course and pitch branches. Each branch is formed by sequentially installed laser, scanner and lens. The pitch branch of the first channel (branch 1t) is formed by a laser 10, scanner 17 and lens 23. Branch 1k is formed by laser 13, scanner 20 and lens 26. Branch 2t is formed by laser 11, scanner 18 and lens 24. Branch 2k is formed by laser 14, scanner 21 and a lens 27. A 3t branch is formed by a laser 12, a scanner 19 and a lens 25. A 3k branch is formed by a laser 15, a scanner 22, and a lens 28.

Оптические клинья в оправах 33, 34 и 35, а также клинья, установленные за объективом 18, используются для регулировки направления оптических осей при настройке прибора. The optical wedges in the frames 33, 34 and 35, as well as the wedges mounted behind the lens 18, are used to adjust the direction of the optical axes when setting up the device.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Оператор при помощи визира (на рисунках не показан) ориентирует устройство в нужном направлении. После этого он подает сигнал пуска на привод 29 и блок дальности 1. Привод 29 приводит в движение рамку 16. Рамка 16 с закрепленными на ней сканерами 17 - 22 начинает совершать плоскопараллельное движение по круговой траектории. Блок дальности 1 вырабатывает с учетом текущей дальности (определяется по времени на основании программы), параметров сканеров 17 и 20 и фокусного расстояния объективов 23 и 26 сигнал, поступающий на первый вход умножителя 2. На второй вход умножителя 2 с выхода привода 29 подается сигнал, определяющий угол поворота рамки 16. В результате на выходе умножителя 2 формируются сигналы, определяющие отклонение сканирующего луча от опорного направления в линейной мере. По этим сигналам блок модуляции 3 вырабатывает текущие значения информативных интервалов времени. По сигналам блока модуляции 3 блоки кодирования 4 и 5 вырабатывают сигналы, кодирующие излучение курсового и тангажного лазеров 10 и 13. В частном случае это могут быть последовательности посылок, каждая из которых состоит из двух импульсов ("двойка"). Интервал времени между одиночными импульсами, образующими "двойку", постоянен для каждой ветви, но имеет свое значение для каждой ветви. С выходов блоков кодирования 4 и 5 сигналы поступают на входы схем запуска 6 и 7 и далее на лазеры 10 и 13 первого канала. Лазеры излучают кодированные сигналы, которые вследствие того, что их изображения сканируют зону управления, заполняют поле зрения объективов 23 и 26 первого канала. В моменты, когда текущая дальность достигает заданного значения, соответствующего переходу на управление от первого канала на второй, блок дальности 1 вырабатывает сигналы переключения каналов, поступающие на управляющие входы управляемых ключей 8 и 9. Происходит срабатывание ключей 8 и 9, в результате к выходам схем запуска подключаются лазеры 11 и 14 второго канала, излучение которых фокусируется объективами 24 и 27. В момент, когда текущая дальность достигает значения, соответствующего переходу на управление от второго канала на третий, блок дальности 1 вырабатывает сигналы переключения каналов, поступающие с его второго выхода на управляющие входы управляемых ключей 8 и 9. Происходит срабатывание ключей 8 и 9, в результате к выходам схем запуска 6 и 7 через ключи 8 и 9 подключаются лазеры 12 и 15 третьего канала, излучение которых фокусируется объективами 25 и 28. The operator, with the help of a visor (not shown in the figures), orientes the device in the desired direction. After that, he sends a start signal to the drive 29 and the range unit 1. The drive 29 drives the frame 16. The frame 16 with the scanners 17-22 mounted on it starts to perform plane-parallel motion along a circular path. The range unit 1 generates, taking into account the current range (determined by the time on the basis of the program), the parameters of the scanners 17 and 20 and the focal length of the lenses 23 and 26, the signal supplied to the first input of the multiplier 2. A signal is sent to the second input of the multiplier 2 from the output of the drive 29 determining the angle of rotation of the frame 16. As a result, at the output of the multiplier 2, signals are generated that determine the deviation of the scanning beam from the reference direction in a linear measure. Based on these signals, modulation unit 3 generates current values of informative time intervals. Based on the signals of modulation block 3, coding blocks 4 and 5 generate signals encoding the radiation of the directional and pitch lasers 10 and 13. In the particular case, these can be sequences of packages, each of which consists of two pulses (“two”). The time interval between single pulses forming a “two” is constant for each branch, but has its own significance for each branch. From the outputs of coding units 4 and 5, the signals are fed to the inputs of the triggering circuits 6 and 7 and then to the lasers 10 and 13 of the first channel. Lasers emit coded signals, which, due to the fact that their images scan the control zone, fill the field of view of the lenses 23 and 26 of the first channel. At moments when the current range reaches a preset value corresponding to the transition to control from the first channel to the second, the range unit 1 generates channel switching signals arriving at the control inputs of the controlled keys 8 and 9. The keys 8 and 9 are triggered, resulting in circuit outputs lasers connect the lasers 11 and 14 of the second channel, the radiation of which is focused by the lenses 24 and 27. At the moment when the current range reaches a value corresponding to the transition to control from the second channel to the third, range 1 produces channel switching signals from its second output to the control inputs of the controlled keys 8 and 9. The keys 8 and 9 are triggered, as a result, the lasers 12 and 15 of the third channel are connected to the outputs of the triggering circuits 6 and 7, the radiation of which is focused by lenses 25 and 28.

Claims

A device for forming an optical field for tele-orientation of controlled objects, comprising a drive, a modulation unit, two coding units, two triggering schemes and at least two channels, each of which includes a directional and pitch emitting branches, each of which includes a laser, a scanner and a lens, characterized in that a range block, a multiplier and two controlled keys are introduced into it, while the first output of the range block and the output of the drive are connected to the inputs of the multiplier, the second output of the block gave NOSTA - the first inputs of controlled key, the second control input key - to the outputs of circuits run, and outputs driven keys - with lasers.