全自動高精度光學制導裝置的制作方法

文檔序號：11248954閱讀：802來源：國知局

本發(fā)明涉及制導技術領域，具體涉及一種全自動高精度光學制導裝置。

背景技術：

制導是一種導引和控制飛行器按照一定規(guī)律飛向預定目標或預定軌道的技術，包括光學制導、有線制導、無線電制導、雷達制導、紅外制導、激光制導、音響制導、地磁制導、慣性制導和天文制導等。在制導過程中，通過制導系統(tǒng)不斷測定飛行器與預定目標或預定軌道之間的相對位置關系，發(fā)出制導信息傳遞給飛行器控制系統(tǒng)，以控制飛行器飛向預定目標或預定軌道。

近年來，各種類型的飛行器都在向全自動高精度制導方向發(fā)展。由于一部分飛行器在飛行過程中會高速旋轉(zhuǎn)，這就給制導帶來了極大的困難。這是因為，由于飛行器高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過光學系統(tǒng)在圖像處理電路上采集到的圖像也是高速旋轉(zhuǎn)的，無法實現(xiàn)對目標的識別、跟蹤，也就無法實現(xiàn)飛行器的制導?，F(xiàn)有高速旋轉(zhuǎn)飛行器制導通常采用激光制導。激光制導屬于主動制導，在制導過程中要發(fā)射激光照射預定目標，通過照射到預定目標的激光確定預定目標位置，實現(xiàn)制導。其存在的問題是，在制導過程中，由于導引頭需要發(fā)射激光照射預定目標，這樣就一定會暴露自身目標，預定目標在被激光照射時，就知道自身已被鎖定，可以使用反激光制導機制實現(xiàn)對抗激光制導，同時也可以對發(fā)射激光的飛行器實施打擊。目前，國內(nèi)并沒有相關的高速旋轉(zhuǎn)飛行器的全自動高精度光學制導導引頭的研究。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有高速旋轉(zhuǎn)飛行器采用激光制導存在的在發(fā)射激光照射預定目標的同時會暴露自身目標從而導致制導失敗的問題，本發(fā)明提供一種全自動高精度光學制導裝置。

本發(fā)明為解決技術問題所采用的技術方案如下：

本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置，包括外殼，還包括：

與外殼剛性連接的整流罩；

通過光學鏡組固定機構與外殼內(nèi)壁相連的光學鏡組；

設置在外殼內(nèi)部的轉(zhuǎn)臺上部和轉(zhuǎn)臺下部；

其外環(huán)與外殼內(nèi)壁相連且其內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺下部外壁相連的軸承；

固定在轉(zhuǎn)臺上部前端的紅外ccd，所述光學鏡組與紅外ccd光學同軸；

其前端部與轉(zhuǎn)臺上部后端同軸相連的轉(zhuǎn)臺連接軸；

與轉(zhuǎn)臺連接軸同軸相連的導電環(huán)；

通過電機固定機構與轉(zhuǎn)臺下部內(nèi)壁相連的電機，所述電機的輸出軸與轉(zhuǎn)臺連接軸后端部同軸相連，所述電機與伺服控制器相連；

與伺服控制器相連且與轉(zhuǎn)臺連接軸同軸相連的編碼器；

與伺服控制器相連且與轉(zhuǎn)臺下部內(nèi)壁相連的速率陀螺，所述速率陀螺沿著外殼切線安裝；

均與轉(zhuǎn)臺下部外壁相連的轉(zhuǎn)臺前端配重和轉(zhuǎn)臺后端配重；

固定在轉(zhuǎn)臺下部內(nèi)壁上的圖像處理器和伺服控制器，所述圖像處理器與紅外ccd之間通過電纜和導電環(huán)相連。

進一步的，所述圖像處理器和伺服控制器均通過電路固定機構固定在轉(zhuǎn)臺下部內(nèi)壁上。

進一步的，所述軸承采用陶瓷軸承。

進一步的，所述整流罩采用k9光學玻璃材料制成。

進一步的，所述電機采用直流力矩電機。

進一步的，所述轉(zhuǎn)臺前端配重和轉(zhuǎn)臺后端配重均采用鉛塊。

進一步的，所述圖像處理器采用dsp圖像處理電路。

進一步的，所述伺服控制器采用dsp數(shù)字控制電路。

進一步的，所述編碼器采用絕對式軸角編碼器。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明采用光學制導，預定目標通過光學鏡組成像于紅外ccd上，通過圖像處理器對圖像進行處理后傳輸給飛行器控制系統(tǒng)，以控制飛行器飛向預定目標或預定軌道，實現(xiàn)制導。光學制導屬于被動制導，與激光制導不同，在制導過程中無需發(fā)射激光照射預定目標，只需要被動接收預定目標的紅外輻射特性，這樣就不會暴露自身目標。

2、本發(fā)明通過三級消旋原理實現(xiàn)消旋功能，消除飛行器高速旋轉(zhuǎn)對圖像識別和跟蹤的影響，進而保持圖像視軸的穩(wěn)定。一級消旋通過軸承、外殼、轉(zhuǎn)臺下部之間的聯(lián)動作用實現(xiàn)，消除大部分轉(zhuǎn)臺下部的旋轉(zhuǎn)偏差；二級消旋通過速率陀螺、轉(zhuǎn)臺下部、伺服控制器、電機、轉(zhuǎn)臺上部、編碼器組成自動控制閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)，進一步消除余下旋轉(zhuǎn)偏差，實現(xiàn)高精度伺服控制；三級消旋采用紅外ccd和圖像處理器組成的圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)，通過圖像處理算法消除以上兩級消旋殘余的微小旋轉(zhuǎn)偏差。

3、本發(fā)明中設置有導電環(huán)，它作為轉(zhuǎn)臺上部和轉(zhuǎn)臺下部的電氣連接機構，起到將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上部和轉(zhuǎn)臺下部的電氣連接作用。由于轉(zhuǎn)臺是轉(zhuǎn)動的，電纜連接如果不采取措施，由于轉(zhuǎn)動，電纜就會絞在一起，導致電纜絞斷。

4、針對飛行器長時間存放的情況，普通的機械軸承需要定期添加潤滑油，本發(fā)明中的軸承采用陶瓷軸承，無需使用潤滑油，解決了飛行器長時間存放的問題。

5、本發(fā)明可以對高速旋轉(zhuǎn)的飛行器實現(xiàn)穩(wěn)定消旋進而實現(xiàn)全自動高精度光學制導，結(jié)構設計簡單，安全可靠實用，體積小巧，重量輕，可以實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)飛行器制導的最佳效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置的結(jié)構示意圖。

圖中：1、整流罩，2、外殼，3、光學鏡組，4、光學鏡組固定機構，5、紅外ccd，6、轉(zhuǎn)臺上部，7、轉(zhuǎn)臺連接軸，8、電機，9、電機固定機構，10、速率陀螺，11、轉(zhuǎn)臺下部，12、軸承，13、轉(zhuǎn)臺前端配重，14、轉(zhuǎn)臺后端配重，15、導電環(huán)，16、圖像處理器，17、伺服控制器，18、電路固定機構，19、編碼器。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置，主要包括整流罩1、外殼2、光學鏡組3、光學鏡組固定機構4、紅外ccd5、轉(zhuǎn)臺上部6、轉(zhuǎn)臺連接軸7、電機8、電機固定機構9、速率陀螺10、轉(zhuǎn)臺下部11、軸承12、轉(zhuǎn)臺前端配重13、轉(zhuǎn)臺后端配重14、導電環(huán)15、圖像處理器16、伺服控制器17、電路固定機構18、編碼器19。

整流罩1與外殼2剛性連接，整流罩1起到減小風阻、使本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置滿足空氣動力學。外殼2與飛行器外殼一體化加工或者外殼2與飛行器外殼機械連接。在外殼2內(nèi)部，在光學鏡組3和紅外ccd5的主光軸傳播方向上從左至右依次設置有光學鏡組3、紅外ccd5、轉(zhuǎn)臺上部6、編碼器19、導電環(huán)15、轉(zhuǎn)臺連接軸7、電機8、轉(zhuǎn)臺下部11、軸承12、圖像處理器16、伺服控制器17。其中，光學鏡組3通過光學鏡組固定機構4與外殼2機械連接，光學鏡組固定機構4固定在外殼2內(nèi)壁上，光學鏡組3靠近整流罩1設置，光學鏡組3可以隨著外殼2一起旋轉(zhuǎn)，由于光學鏡組3中的光學鏡片均為球面鏡片，隨著外殼2一起旋轉(zhuǎn)時不影響光學成像。紅外ccd5固定在轉(zhuǎn)臺上部6前端，并且光學鏡組3與紅外ccd5安裝時要保證兩者光學同軸，可以通過調(diào)整光學鏡組3與光學鏡組固定機構4的機械連接位置以及通過調(diào)整紅外ccd5與轉(zhuǎn)臺上部6的機械連接位置來調(diào)整光學鏡組3與紅外ccd5之間的位置關系。軸承12外環(huán)與外殼2內(nèi)壁機械連接，軸承12內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺下部11外壁機械連接。轉(zhuǎn)臺上部6、轉(zhuǎn)臺連接軸7、電機8機械同軸連接，具體的說，轉(zhuǎn)臺上部6后端中心與轉(zhuǎn)臺連接軸7前端部機械同軸相連，轉(zhuǎn)臺連接軸7后端部與電機8的輸出軸機械同軸相連。編碼器19、導電環(huán)15、轉(zhuǎn)臺連接軸7、轉(zhuǎn)臺下部11機械同軸連接，具體的說，編碼器19與轉(zhuǎn)臺連接軸7機械同軸相連，導電環(huán)15與轉(zhuǎn)臺連接軸7機械同軸相連，電機8通過電機固定機構9與轉(zhuǎn)臺下部11機械連接，電機固定機構9固定在轉(zhuǎn)臺下部11內(nèi)壁上，并且編碼器19和導電環(huán)15位于轉(zhuǎn)臺上部6與電機8之間，編碼器19用于測量轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度。速率陀螺10是測速元件，切線安裝，具體的是：速率陀螺10沿著外殼2切線方向與轉(zhuǎn)臺下部11內(nèi)壁機械連接，測到的速度就是外殼2的轉(zhuǎn)速，如果不是切線安裝，測到的速度就不是外殼2的轉(zhuǎn)速，而是存在了三角函數(shù)的關系。圖像處理器16和伺服控制器17均通過電路固定機構18與轉(zhuǎn)臺下部11機械連接，電路固定機構18固定在轉(zhuǎn)臺下部11內(nèi)壁上。轉(zhuǎn)臺前端配重13和轉(zhuǎn)臺后端配重14均與轉(zhuǎn)臺下部11外壁機械連接。

紅外ccd5與圖像處理器16之間通過電纜和導電環(huán)15相連，導電環(huán)15可以避免電纜在旋轉(zhuǎn)過程中造成扭傷。本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置前端的預打擊目標通過光學鏡組3成像于紅外ccd5上，并通過圖像處理器16接收圖像，圖像處理器16與飛行器控制系統(tǒng)通過電纜相連，通過圖像處理器16對圖像進行處理后傳輸給飛行器控制系統(tǒng)，以控制飛行器飛向目標或預定軌道。

速率陀螺10與伺服控制器17通過電纜相連，電機8與伺服控制器17通過電纜相連，編碼器19與伺服控制器17通過電纜相連。通過速率陀螺10測量轉(zhuǎn)臺下部11的旋轉(zhuǎn)偏差輸出給伺服控制器17，通過伺服控制器17控制電機8旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動轉(zhuǎn)臺上部6轉(zhuǎn)動，以消除旋轉(zhuǎn)偏差。

為了抵消飛行器的高速旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明的全自動高精度光學制導裝置采用三級消旋措施：

一級消旋：軸承12外環(huán)與外殼2內(nèi)壁機械連接，軸承12內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)臺下部11外壁機械連接，外殼2與飛行器外殼一體化加工或者外殼2與飛行器外殼機械連接。當外殼2隨著飛行器高速旋轉(zhuǎn)時，軸承12外環(huán)也隨著外殼2一起高速旋轉(zhuǎn)，與軸承12內(nèi)環(huán)機械連接的轉(zhuǎn)臺下部11不會隨著外殼2高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臺前端配重13和轉(zhuǎn)臺后端配重14均與轉(zhuǎn)臺下部11外壁機械連接，轉(zhuǎn)臺前端配重13和轉(zhuǎn)臺后端配重14使整個轉(zhuǎn)臺前后配重一致，進而減小軸承12外環(huán)與內(nèi)環(huán)之間的摩擦力。通過上述結(jié)構的設計，可以抵消高速旋轉(zhuǎn)的外殼2帶來的大部分旋轉(zhuǎn)。并且，軸承12采用陶瓷軸承，無需使用潤滑油。

二級消旋：速率陀螺10、轉(zhuǎn)臺下部11、伺服控制器17、電機8、轉(zhuǎn)臺上部6、編碼器19組成自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度伺服控制。采用速率陀螺10測量轉(zhuǎn)臺下部11經(jīng)一級消旋余下的旋轉(zhuǎn)偏差，然后將其輸出到伺服控制器17中，通過伺服控制器17控制電機8旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動轉(zhuǎn)臺上部6轉(zhuǎn)動，進一步消除余下旋轉(zhuǎn)偏差。編碼器19作為自動控制閉環(huán)系統(tǒng)的反饋測量元件，通過編碼器19測量轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角輸出給伺服控制器17，伺服控制器17根據(jù)編碼器19測量的旋轉(zhuǎn)角和速率陀螺10測量的旋轉(zhuǎn)偏差控制電機8旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動轉(zhuǎn)臺上部6轉(zhuǎn)動，進一步消除余下旋轉(zhuǎn)偏差。

一般高速旋轉(zhuǎn)飛行器的轉(zhuǎn)速是每秒6～12轉(zhuǎn)，也就是2160～4320°/s。普通速率陀螺10的最大測速范圍是1200°/s，無法直接測量高速旋轉(zhuǎn)飛行器的轉(zhuǎn)速，從而無法實現(xiàn)消旋，本發(fā)明通過一級消旋后轉(zhuǎn)臺下部11的轉(zhuǎn)速大幅度下降，可以滿足普通速率陀螺10的測量范圍，而且可以實現(xiàn)速率陀螺10的小型化。

三級消旋：紅外ccd5和圖像處理器16組成圖像處理系統(tǒng)，通過圖像處理算法消除以上兩級消旋殘余的微小旋轉(zhuǎn)偏差。

本實施方式中，整流罩1采用k9光學玻璃材料制成。

本實施方式中，光學鏡組3采用現(xiàn)有設計或者根據(jù)實際需求設計即可，只要實現(xiàn)成像功能。具體的說：光學鏡組3中的所有光學鏡片均采用光學鍍膜處理，具有增透作用，并且所有的光學鏡片均采用球面鏡片。

本實施方式中，外殼2采用不銹鋼噴漆，光學鏡組固定機構4采用不銹鋼噴漆，轉(zhuǎn)臺上部6采用不銹鋼噴漆，轉(zhuǎn)臺連接軸7采用不銹鋼噴漆，電機固定機構9采用不銹鋼噴漆，轉(zhuǎn)臺下部11采用不銹鋼噴漆，電路固定機構18采用不銹鋼噴漆。

本實施方式中，紅外ccd5采用紅外波段ccd。

本實施方式中，電機8采用直流力矩電機。

本實施方式中，速率陀螺10采用高精度小型化速率陀螺。

本實施方式中，軸承12采用陶瓷軸承。

本實施方式中，轉(zhuǎn)臺前端配重13采用鉛塊配重，轉(zhuǎn)臺后端配重14采用鉛塊配重。

本實施方式中，導電環(huán)15采用小型化導電環(huán)。

本實施方式中，圖像處理器16采用dsp圖像處理電路。

本實施方式中，伺服控制器17采用dsp數(shù)字控制電路。