WYBRANE ASPEKTY BADAŃ LABORATORYJNYCH OPTOELEKTRONICZNYCH GŁOWIC ŚLEDZĄCO- CELOWNICZYCH

Transkrypt

1 Ppłk dr inż. Wojciech KACZMAREK Dr inż. Jarosław PANASIUK Dr inż. Waldemar ŚMIETAŃSKI Wojskowa Akademia Techniczna Mgr inż. Zbigniew PECZYŃSKI Mgr inż. Łukasz ZBRZEŻNY Bumar Elektronika WYBRANE ASPEKTY BADAŃ LABORATORYJNYCH OPTOELEKTRONICZNYCH GŁOWIC ŚLEDZĄCO- CELOWNICZYCH Streszczenie: W artykule poruszono zagadnienia związane z badaniem głowic optoelektronicznych na etapie testów laboratoryjnych. Zaprezentowano problemy związane z testowaniem programów sterujących, kontrolą poprawności funkcjonowania poszczególnych modułów głowicy oraz głowicy jako całości. SELECTED ASPECTS OF LABORATORY TESTS OF OPTOELECTRONIC HEADS Abstract: In the article the problem of the tests of optoelectronic heads was raised. The authors presented problems which are connected with tests of control programs, the control of functionality particular parts of optoelectronic head and the head as complete system. Słowa kluczowe: demonstrator technologii, głowica optoelektroniczna, badania laboratoryjne Keywords: technology demonstrator, optoelectronic head, laboratory tests 1. WPROWADZENIE Głowice obserwacyjne znajdują dzisiaj szerokie zastosowanie niemal we wszystkich sferach naszego życia. Z jednej strony jest to podyktowane burzliwym rozwojem elementów takich systemów (kamery, napędy, układy sterowania) oraz ich malejącymi cenami, z drugiej wymogami, jakie stawia przed nimi rzeczywistość (wysokie wymagania poszczególnych sfer naszego życia, których tradycyjne metody i urządzenia nie są w stanie spełnić). Szeroko znane są dzisiaj problemy związane z monitoringiem mieszkań, biurowców, osiedli, dzielnic, całych miast itd. Konfiguracja wykorzystywanych obecnie głowic optoelektronicznych (zarówno pod względem sprzętowym, jak i programowym) jest podyktowana głównie ich przeznaczeniem. Ma to swoje uzasadnienie zwłaszcza z uwagi na masę, gabaryty oraz cenę głównych komponentów. Niestety, z uwagi na dostępne technologie wraz z lepszymi parametrami urządzeń rosną: masa, gabaryty oraz ich cena. Stąd na rynku znajdujemy rozwiązania dedykowane poszczególnym (czasami bardzo wąskim) zastosowaniom. Jak łatwo zauważyć, głowice optoelektroniczne do zastosowań militarnych można zaliczyć do urządzeń 273

2 spełniających szczególnie wysokie wymagania (m.in.: techniczne, niezawodnościowe, zabezpieczające i klimatyczne). Dlatego też są bardzo dobrym przykładem, aby wskazać problemy pojawiające się podczas ich projektowania, budowy oraz testowania. Szczególne miejsce wśród głowic optoelektronicznych zajmują urządzenia do zastosowań w Przeciwlotniczych Zestawach Artyleryjskich (PZA) i Artyleryjsko-Rakietowych (PZAR), ponieważ wymaga się od nich szczególnie wyśrubowanych parametrów. W szczególności jest to związane m.in.: z koniecznością wykrywania i śledzenia obiektów zarówno w dzień, jak i w nocy, znajdujących się relatywnie blisko na odległości ok. 500 m, jak i bardzo daleko nawet do m. Ponadto śledzone obiekty mogą poruszać się w szerokim zakresie prędkości od obiektów nieruchomych lub poruszających się z niewielkimi prędkościami (np. śmigłowiec) do prędkości nawet 300 m/s (np. samolot myśliwski, pociski rakietowe), wykonując manewry przeciwlotnicze z przyspieszeniem do 8g. 2. DEMONSTRATOR GŁOWICY OPTOELEKTRONICZNEJ DO ZASTOSOWAŃ W PZA MAŁEGO I ŚREDNIEGO ZASIĘGU 2.1. Wybrane problemy konfiguracji głowic optoelektronicznych do zastosowań przeciwlotniczych Wykorzystywane w PZA i PZAR głowice optoelektroniczne muszą zapewniać obserwację i śledzenie obiektów powietrznych w każdych warunkach pogodowych (w dzień i w nocy) oraz pomiary parametrów ruchu celów niezbędne do realizacji procesu celowania. Z uwagi na duże prędkości śledzonych obiektów oraz ograniczony zasięg rażenia środków ogniowych, czas wykonywania zadania bojowego jest bardzo mocno ograniczony. Wymusza to konieczność wczesnego wykrycia celu (na dużych odległościach, aby zapewnić wystarczająco długi czas obserwacji) oraz pełną automatyzację procesu wykonania zadania bojowego. Rozwiązanie tych podstawowych problemów realizowane jest poprzez wyposażenie głowicy m.in. w kamerę dzienną, kamerę IR, system śledzenia, system stabilizacji oraz dalmierz laserowy wykonujący pomiary odległości z dużą częstotliwością (zazwyczaj Hz). Pełne wykorzystanie przedstawionych powyżej głównych komponentów głowicy jest realizowane dzięki elementom sterowania (np. wolant operatora), interfejsom wymiany danych oraz układowi zobrazowania. Niezmiernie ważnym aspektem jest sposób wykorzystania głowicy optoelektronicznej. Konieczne jest więc wzięcie pod uwagę możliwości nosiciela, tak aby nie opracować urządzenia o zbyt dużej masie i/lub gabarytach. Może to spowodować całkowity brak możliwości montażu na nosicielu, powstanie niewyważenia podczas pracy bojowej całego stanowiska obniżenie zdolności bojowej (np. zestawu ogniowego, śmigłowca) lub przysłonięcie ważnych elementów środka bojowego (np. armat, czy wyrzutni rakiet). W przypadku optoelektronicznych głowic śledząco-celowniczych należy zwrócić uwagę na fakt, że w większości rozwiązań składają się one z dodatkowych elementów (np. blok elektroniki, okablowanie), co z reguły zwiększa masę urządzenia, a nie jest wykazywane jako masa samej głowicy. W końcu ważne są również wymagania ekonomiczne, czyli opracowanie produktu, którego cena będzie atrakcyjna dla ewentualnego nabywcy, a tym samym zapewni odpowiedni stosunek efektu do kosztów. 274

3 2.2. Demonstrator optoelektronicznej głowicy śledząco-celowniczej do zastosowań w PZA małego i średniego zasięgu W ramach realizowanych przez konsorcjum (Wojskowa Akademia Techniczna i Bumar Elektronika SA) prac badawczo-rozwojowych opracowano demonstrator technologiczny stabilizowanej optoelektronicznej głowicy śledząco-celowniczej do zastosowań w przeciwlotniczych zestawach artyleryjskich małego i średniego zasięgu. Konsorcjanci po opracowaniu Wstępnych Założeń Taktyczno-Technicznych (WZTT) wpisujących się we Wstępne Założenia Taktyczno-Techniczne na demonstrator technologii zdalnie sterowanego systemu przeciwlotniczego opartego o armatę kal. 35 mm, opracowali dwie koncepcje wykonania demonstratora. Ostatecznie w skład demonstratora (rys. 1) weszły następujące zespoły: zespół głowicy (w składzie m.in.: kamera dzienna, kamera termowizyjna IR, dalmierz laserowy LRF, multiplekser linii komunikacyjnych), zespół napędowy (w składzie m.in.: sterowniki napędów, silniki, żyroskopy, okablowanie), zespół sterowania i kontroli (w składzie m.in.: komputer sterujący, system transmisji danych, interfejs operatora), zespół zasilania (w składzie m.in.: układ rozdziału zasilania, blok akumulatorów z przetwornicą). Rys. 1. Ogólny widok demonstratora głowicy oraz jego głównych elementów 275

4 Wśród Wstępnych Założeń Taktyczno-Technicznych demonstratora należy wyróżnić: skuteczne wykrycie, śledzenie i celowanie do celów powietrznych poruszających się z prędkościami do 300 m/s, na parametrze od 500 do m, wykonujących manewr przeciwlotniczy z przyspieszeniem do 8g, zakres ruchu w osiach: azymutu 2 x 360, elewacji od 3 do +85, maksymalne prędkości kątowe w osiach azymutu i elewacji nie mniejsze niż 1,5 rad/s, maksymalne przyspieszenia kątowe w osiach azymutu i elewacji nie mniejsze niż 1,5 rad/s 2, ciągły pomiar bieżącej odległości do celu z częstotliwością nie mniejszą niż 10 Hz przez co najmniej 2 minuty. Założeniem konsorcjantów było przeprowadzenie badań laboratoryjnych i poligonowych potwierdzających poprawność funkcjonowania wszystkich podzespołów demonstratora oraz spełnienie przez całe urządzenie wymagań określonych w WZTT. 3. BADANIA LABORATORYJNE DEMONSTRAOTRA TECHNOLIGCZNEGO GŁOWICY OPTOELEKTRONICZNEJ Badania laboratoryjne zajmują szczególne miejsce przy konstruowaniu nowych urządzeń i należą do najdłuższego etapu prac badawczo-rozwojowych. Zaczynają się dość wcześnie, ponieważ w ramach tych badań zespoły badawcze sprawdzają poprawność funkcjonowania poszczególnych elementów oprogramowania, a następnie jeżeli jest to możliwe jego całości. Przy konstruowaniu urządzeń to właśnie podczas tych badań, jeszcze zanim urządzenie zostanie złożone, weryfikowana jest poprawność pracy poszczególnych modułów urządzenia oraz programów sterujących tymi modułami. Badania laboratoryjne cechuje wiele zalet, a co najważniejsze można je zrealizować w miejscu pracy wykonawców. Z punktu widzenia pracodawcy jest to niezmiernie ważne zarówno ze względów ekonomicznych, jak i organizacyjnych. W przypadku konstruowania głowic optoelektronicznych należy zastanowić się nad szczegółowym opracowaniem programu i metodyk badań laboratoryjnych oraz budową stanowisk do badań dynamicznych. Badania te powinny w jak największym stopniu odzwierciedlić warunki rzeczywiste oraz zapewnić przeprowadzenie jak największej liczby sprawdzeń, tak aby w jak największym stopniu przygotować urządzenie do badań końcowych w warunkach rzeczywistych. Podczas tworzenia demonstratora technologicznego optoelektronicznej głowicy śledzącocelowniczej w ramach badań laboratoryjnych przeanalizowano i zoptymalizowano m.in.: poprawność funkcjonowania algorytmów regulacji sterowania napędami, poprawność funkcjonowania algorytmów regulacji sterowania głowicą, proces stabilizacji linii widzenia głowicy i śledzenia celu. Głowica optoelektroniczna sterowana jest prędkościowo w układzie inercyjnym (stabilizacja żyroskopowa prędkości linii widzenia rys. 2) lub w układzie lokalnym (brak stabilizacji prędkości linii widzenia). Stabilizacja linii widzenia głowicy i śledzenia celu (LOS) została zrealizowana na potrzeby sensorów optycznych umieszczonych na głowicy. Jako urządzenia pomiarowe przemieszczeń i prędkości kątowych zastosowano żyroskopy światłowodowe (dwa czujniki, odpowiednio w części obrotowej azymutu i elewacji). 276

5 Uklad stabilizujacy elewacji sygnal predkosci zadanej w elewcji sterowanie elewacja Elewacja Gyro ele Track Uklad wyznaczajacy sterowanie dla poszczegolnych osi sygnal predkosci zadanej w azymucie Uklad stabilizujacy azymutu sterowanie azymut Aymut Glowica sledzaca Gyro azm sygnal uchybu sledzenia w obu osiach Rys. 2. Konfiguracja układu śledzenia i stabilizacji LOS głowicy śledzącej Nadrzędnym zadaniem stawianym stabilizacji linii celowania głowicy śledzącej jest w omawianym przypadku płynne podążanie (z wymaganą dokładnością) za obserwowanym obiektem w obliczu narażeń (zakłóceń) zewnętrznych działających na głowicę. Stabilizowanie położenia kątowego linii celowania w układzie globalnym jest możliwe bez użycia żyroskopu położeniowego za sprawą układu wideotrakera zwracającego informację o położeniu śledzonego obiektu we własnym polu widzenia. Przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych testy potwierdziły poprawność funkcjonowania tego typu stabilizacji. Stanowisko do badań dynamicznych głowicy oraz wyniki wybranych badań Jak wcześniej wspomniano, przeprowadzenie badań wybranych parametrów głowicy możliwe było dzięki opracowanym metodykom badań oraz wykonanym stanowiskom badawczym. W ramach realizacji projektu wykonano, różniące się udźwigiem oraz sposobem sterowania, dwa bliźniacze stanowiska do badań dynamicznych (na rys. 3 i rys. 4). Głównym zadaniem stanowisk było generowanie wymuszeń/zakłóceń podczas badania głowicy. Opracowane panele sterowania (rys. 5) pozwoliły na programowe sterowanie platformą (nosicielem). Do głównych sprawdzeń zrealizowanych w ramach badań laboratoryjnych należy zaliczyć: sprawdzenie parametrów układu napędowego, sprawdzenie poprawności przekazywanych danych o położeniu, sprawdzenie prędkości maksymalnych napędów, sprawdzenie przyspieszeń maksymalnych, sprawdzenie poprawności funkcjonowania kanału komunikacyjnego głowicy z systemem nadrzędnym, sprawdzenie zaimplementowanych wymagań niezawodnościowych. 277

6 Rys. 3. Zdjęcia platformy pięcioosiowej, a) platforma, b) silnik asynchroniczny klatkowy, c) enkoder inkrementalny, d) przegub wahliwy Rys. 4. Układ sterujący platformą pięcioosiową 278

7 Rys. 5. Wybrane pulpity sterowania: prędkością i kątami 4. BADANIA LABORATORYJNE UKŁADU NAPĘDOWEGO Demonstrator technologii został wyposażony w nowo opracowane (specjalnie na potrzeby projektu) w Bumar Elektronika SA silniki momentowe. W ramach badań laboratoryjnych zweryfikowano poprawność funkcjonowania układu napędowego oraz zgodność jego parametrów na zapisy w WZTT. Większość badań została zrealizowana w oparciu o aplikację testującą (rys. 6) umożliwiającą generowanie wymuszeń oraz rejestrującą odpowiedzi głowicy. Rys. 6. Ogólny widok jednego z okien do testowania układu napędowego 279

8 Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przykładowe wyniki testów (pomiar prędkości maksymalnej w azymucie i elewacji). Zgodnie z założeniem prędkości maksymalne w osiach azymutu i elewacji nie powinny być mniejsze niż 1,5 rad/s V_azymut[mrad/s] V_zadana V_GOS t[ms] Rys. 7. Wykres prędkości zadanej i odpracowanej przez GOS w azymucie 2500 V_elewacja[mrad/s] V_Zadana V_GOS t[ms] Rys. 8. Wykres prędkości zadanej i odpracowanej przez GOS w elewacji 280

9 5. SPRAWDZENIE KANAŁU KOMUNIKACYJNEGO DO SYSTEMU NADRZĘDNEGO Badanie wykonano na stanowisku do badań dynamicznych bez narażeń, w pełnym ukompletowaniu demonstratora technologii, z komputerem sterującym głowicy i stanowiskiem operatora. Dodatkowo, do przeprowadzenia badania wykorzystano komputer testowy (rys. 9) z zaimplementowanym oprogramowaniem do obsługi głowicy przez kanał komunikacji (ethernet). Sprawdzono kanał komunikacyjny, którym transmitowane są dane o położeniu głowicy w azymucie i elewacji, tryb pracy wideotrakera, uchyb wideotrakera, aktualny kąt kamery i odległość do celu. Na komputerze testowym zarejestrowano dane przesyłane przez komputer głowicy. Rejestrując dane przekazywane do komputera testowego, sprawdzono ważność przesyłanych danych, zmieniając położenie głowicy w azymucie i elewacji. Rys. 9. Ogólny widok pulpitu komputera systemu nadrzędnego podłączonego do komputera sterowania głowicą kanałem komunikacyjnym (ethernet) Sprawdzenie wymagań niezawodnościowych Podczas eksploatacji urządzeń użytkownik powinien mieć możliwość sprawdzenia poprawności funkcjonowania jego głównych elementów. Dlatego demonstrator został wyposażony w systemy automatycznej lokalizacji uszkodzeń (ALU rys. 10) i automatycznej kontroli funkcjonalności (AKF rys. 11). Systemy te umożliwiają ciągłe przekazywanie informacji o sprawności technicznej urządzeń wchodzących w skład demonstratora głowicy, a w szczególności: 281

10 wykonywanie diagnostyki złączeniowej, wykonywanie bieżącej kontroli poprawności działania podstawowych systemów, informowanie operatora o wykrytych niesprawnościach. Poprawność funkcjonowania systemów sprawdzono poprzez wytworzenie sytuacji awaryjnych polegających m.in. na braku komunikacji z urządzeniem, zdejmując odpowiednie złącze linii kablowej. Efektem takiego działania była zmiana koloru kontrolki danego urządzenia z koloru zielonego na kolor czerwony (rys. 11). Rys. 10. Ogólny widok pulpitu z linijką informacji ALU (wszystkie zespoły sprawne). Od lewej: LRF dalmierz laserowy, CM3 moduł optoelektroniki, CAM kamery, KDR koder, WOL wolant, AZM napęd azymutu, ELE napęd elewacji, AVT wideotraker Rys. 11. Informacja o błędzie po lewej (ALU) napęd azymutu (sygnalizator zmienił kolor z zielonego na czerwony), po prawej (AKF) informacje szczegółowe dla napędu azymutu 282

11 6. WNIOSKI Badania laboratoryjne są nieodzownym etapem realizacji prac naukowo-badawczych oraz badawczo-rozwojowych. Podczas ich realizacji, angażując znacznie mniejsze siły i środki (w porównaniu do badań w warunkach rzeczywistych), można sprawdzić założone koncepcje. Niestety bardzo często badania te wymuszają opracowanie szeregu emulatorów (programów umożliwiających przeprowadzenie weryfikacji tworzonego oprogramowania lub uruchamianych elementów składowych). Niewątpliwie wielką zaletą jest tutaj możliwość przetestowania systemu lub urządzenia już na etapie jego tworzenia np. kiedy urządzenie nie zostało wyposażone we wszystkie komponenty. Często nieodzowne staje się również zbudowanie fizycznych stanowisk laboratoryjnych, jednak ostatecznie podejście takie może przynieść wielkie korzyści. Z jednej strony pozwoli na rozszerzenie liczby możliwych do przeprowadzenia testów, z drugiej umożliwi przeprowadzenie sprawdzeń końcowych urządzenia jeśli metodyki testów będą jasno odnosiły się do zapisów w WZTT. Wykonawcy realizowanego w ramach konsorcjum projektu badawczo-rozwojowego, którego wybrane sprawdzenia zostały przedstawione w niniejszym artykule założyli, że opracowane emulatory oraz stanowiska badawcze zostaną wykorzystane również do przeprowadzenia badań końcowych. Dlatego przygotowane zostały metodyki badań laboratoryjnych na zgodność zapisów wynikających ze Wstępnych Założeń Taktyczno-Technicznych. W efekcie badania przeprowadzone w warunkach rzeczywistych z uwzględnieniem rzeczywistych celów zostały ograniczone do minimum. LITERATURA [1] Praca zbiorowa pod kierunkiem Wojciecha Kaczmarka: Raport końcowy projektu badawczo-rozwojowego nt. Opracowanie demonstratora technologicznego, stabilizowanej optoelektronicznej głowicy śledząco-celowniczej do zastosowań w przeciwlotniczych zestawach artyleryjskich małego i średniego zasięgu, Warszawa, [2] Praca zbiorowa pod kierunkiem Wojciecha Kaczmarka: Sprawozdanie merytoryczne projektu badawczo-rozwojowego nt. Opracowanie demonstratora technologicznego, stabilizowanej optoelektronicznej głowicy śledząco-celowniczej do zastosowań w przeciwlotniczych zestawach artyleryjskich małego i średniego zasięgu, Warszawa, [3] Praca zbiorowa pod kierunkiem Wojciecha Kaczmarka: Program i metodyki badań laboratoryjnych demonstratora technologii głowicy optoelektronicznej z uwzględnieniem WZTT, Warszawa, [4] Praca zbiorowa pod kierunkiem Wojciecha Kaczmarka: Sprawozdanie z badań laboratoryjnych demonstratora technologii głowicy optoelektronicznej na zgodność z WZTT, Warszawa,

12 284