Разработка имитатора борта для лабораторной установки по исследованию следящего измерителя направления

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Разработка имитатора борта для лабораторной установки по исследованию следящего измерителя направления

Введение

Измерение угловых координат целей является одной из важнейших функций, выполняемых РЛС различного назначения. Измеряемые угловые координаты цели закодированы в углах прихода к антенне РЛС отраженного сигнала. От углового рассогласования между направлением прихода отраженного сигнала и направлением диаграммы направленности приемной антенны могут зависеть как амплитуда, так и фаза принимаемого сигнала.

Вид этой зависимости определяется структурой антенной системы, т.е. методом угловой пеленгации, примененным в угломере. Поэтому структура оптимальных угломерных систем будет существенно зависеть от метода угловой пеленгации. На рис.1 представлены применяемые методы пеленга.

Методы пеленга:

Рис. 1. Классификация методов пеленга

1. Постановка задачи

Главной задачей работы будем считать разработку имитатора борта (далее мишень) для лабораторной установки.

Эта мишень должна:

1) фиксировать факт попадания;

2) фиксировать точность попадания;

3) двигаться по линейной траектории, изменяя скорость по заданной программе;

4) данные о попадании должны сохраняться на компьютере;

5) сохраненные данные должны представляться пользователю в виде таблиц.

2. Анализ возможных решений по имитации траектории воздушных и космических аппаратов

В настоящее время существует проблема обеспечения в реальном времени и в глобальном масштабе максимально точных, непрерывных и прямых измерений таких навигационных переменных, которые могли бы непосредственно соответствовать переменным управления и способствовали бы синтезу алгоритмов управления и навигации в одной автономной системе управления КА.

Известен способ наземной отработки и тестирования приборов, аппаратуры и систем ориентации и навигации КА, при котором обеспечивается контроль работы функциональных элементов, находящихся на борту КА, обеспечивается прием от них ответных сигналов на пультах управления, где вычислительные машины и операторы анализируют поступающую информацию для выяснения степени готовности аппаратуры. Известный способ не обеспечивает имитацию полета КА при наземной отработке.

Известен способ тестирования приборов, аппаратуры и систем ориентации и навигации КА, состоящий из ориентации трех осей связанной системы координат КА в орбитальную систему координат, использующий информацию как приборов ориентации на Землю и на Солнце, так и информацию от других измерительных приборов. Однако данный способ не обеспечивает имитацию полета КА при наземной отработке.

Известен наземный способ имитации полета КА в космосе, состоящий из моделирования полета КА по заданной орбите, управления моделированием орбитального движения КА относительно инерциальной системы координат, астроориентации по звездному датчику и имитации солнечного излучения. Однако, предложенный способ имитации звездного неба обладает недостаточной функциональностью и недостаточной точностью и требует больших временных затрат.

Наиболее близким является способ наземной имитации полета космического аппарата (КА) в космосе, состоящий из подготовки аппаратных средств и моделирования орбитального движения КА по предварительно заданному алгоритму и/или при приеме управляющих команд в режиме реального времени, моделирования движения небесной сферы в поле зрения каждого звездного датчика посредством отображения на экране жидкокристаллических мониторов конфигурации звезд, которая соответствует текущей ориентации КА с учетом динамики его движения и параметров внешней среды, а также положения Солнца и Луны в инерциальной системе координат. Однако в известном способе реализуется имитация условий для наземной отработки отдельных элементов системы управления, а не комплексную отработку элементов системы управления ориентацией и навигацией КА.

Задачей технического решения является выбор условий управления, позволяющих проводить комплексную отработку элементов системы управления ориентацией и навигацией КА как по предварительно заданным алгоритмам, так и в режиме реального времени.

Как итог будем считать, что, несмотря на свои недостатки, траектория выбирается линейной.

Данный способ имеет один недостаток. Это нереальная имитация траектории движения с учетом кинематики маневра воздушного объекта, когда объект испытывает мгновенное воздействие перегрузки вследствие скачка центробежной силы Fц=mх2/R (m и х - соответственно масса и скорость воздушного объекта), который неизбежно возникает при переходе с траектории движения по прямой с радиусом кривизны R>? на траекторию движения с конечным радиусом Rокр.

Для того чтобы достичь максимального подобия поведения космического аппарата на орбите будем изменять его угловую скорость на разных участках прямой, таким образом поведение КА будет наиболее близко к реальному.

радиолокационный управление навигация воздушный космический

3. Способ построения лабораторной установки

Лабораторная установка будет содержать в себе имитатор борта (мишень), рельс, прикрепленный к стене для движения мишени, привод для поворота «антенны» имитатора, имитатор наземной РЭС, ПК для сохранения и обработки полученных результатов.

Имитатор наземной РЭС представляет следящую систему за движением мишени. Имитацией ее излучения будет лазерный луч. Главной задачей будем считать автоматическое наведение на мишень и слежение за ней.

Мишень - это соединенные между собой фотодиоды, целью которых будет реакция на попадания луча, излучаемого имитатором РЭС. Стоить отметить что по фотодиодам у нас будет понимание насколько точно луч попадает на мишень, в случае если лазер попадает на край мишени, то имитатор должен автоматически скорректировать свое движение, так чтобы луч попадал точно в центр. Для реализации данной идеи нам необходимо использовать плату Arduino. Во-первых, это позволит нам обеспечить сбор данных о попадании луча в область мишени. Во-вторых, при установке Bluetooth модуля на плату, мы сможем оперативно передавать данные на ПК и выводить результаты на экран в виде таблиц и графиков.

Движение мишени будет осуществлено посредством рельса, установленного на стену к которому она и будет прикреплена. Данные об угловой скорости будут передаваться на плату с ПК.

ПК должен обеспечивать информационный обмен с мишенью. Полученные данные графически отображаются на дисплее, для того чтобы обучающийся имел возможность оценить качество проведенного сеанса.

Рис. 2. Структурная схема лабораторной установки

4. Мишень для имитатора борта

Для использования этой мишени, подойдет обычная лазерная указка. Особенность этой электронной мишени - предельная простота и отсутствие особо дефицитных деталей. Обусловлено это использованием полевого транзистора и обычного индикаторного светодиода красного цвета свечения.

Такие светодиоды отлично «видят» излучение лазерной указки на расстоянии до 6-8 метров, но совершенно нечувствительны к засветке солнечным или искусственным светом. Единственный, пожалуй, элемент, который придется поискать - пьезокерамический излучатель со встроенным генератором, но его можно заменить обычным, собрав генератор по любой схеме или использовав вместо него индикаторный светодиод.

При попадании луча лазерной указки на светодиод VD1, сопротивление последнего резко падает, что вызывает открывание полевого транзистора VT2. Вслед за ним открывается ключ, собранный на биполярном транзисторе VT3. В результате на пьезокерамическом излучателе BF1 появляется напряжение, и он начинает пищать.

Особо стоит сказать об элементах С1 и R4, образующих положительную обратную связь. Благодаря этой цепочке сигнал будет звучать порядка 1 секунды (пока не зарядится конденсатор C1) даже если засветка светодиода VD1 лазером будет кратковременной. Транзистор VT1 включен как микромощный стабилитрон и выполняет роль защиты - он не позволит напряжению на затворе полевого транзистора превысить максимально допустимую для него величину.

При создании имитатора борта нам необходимо использовать несколько соединенных между собой светодиодов, которые позволят понимать в какую точку мишени попадает луч с наземной станции.

5. Передача данных с мишени на ПК

Программа включающая или выключающая светодиод (для визуального определения попадания в цель), подключенный по следующей схеме.

Алгоритм работы таков:

Определяем уровень сигнала с аналогового пина.

Сравниваем уровень с пороговым значением. Максимально значение будет соответствовать темноте, минимальное - максимальной освещенности. Пороговое значение выберем равное 300.

Если уровень меньше порогового - темно, нужно включать светодиод.

Иначе - выключаем светодиод.

#define PIN_LED 13

#define PIN_PHOTO_SENSOR A0

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(PIN_LED, OUTPUT);

}

void loop() {

int val = analogRead(PIN_PHOTO_SENSOR);

Serial.println(val);

if (val < 300) {

digitalWrite(PIN_LED, LOW);

} else {

digitalWrite(PIN_LED, HIGH);

}

}

Так же мы можем определить на какой из фоторезисторов попал луч (если зададим каждому из них свое значение), записать данные о попадании в историю, понимать, когда луч с имитатора наземной станции не попадает в мишень.

6. Передача данных с мишени на ПК по Bluetooth

При проектировании измерительной системы или удаленного от ПК блока зачастую требуется обеспечить обмен данными. Можно использовать обычный USB провод и передавать через него, но это не удобно в двух случаях:

1. Устройство с Ардуино должно быть мобильным;

2. Нужно обеспечить гальваническую развязку с компьютером. В этих случаях на помощь приходит технология беспроводной передачи Bluetooth.

В данной статье будет описано как это сделать очень просто:

Комплектующие для подключения по Bluetooth:

1. Bluetooth модуль HC-06 (можно другие, работающие по последовательному протоколу UART. Например HC-05, HM-10).

2. Плата Ардуино, можно взять любую, имеющую выход Rx, Tx. Например, на базовых моделях Arduino UNO, NANO они находятся на выходах 0, 1.

3. Bluetooth адаптер или встроенный в ПК модуль bluetooth.

Остальные части схемы подключаются по мере необходимости ввода данных в Ардуино или управления каким-то модулем извне.

Размещено на allbest.ru