ROZWIĄZANIA KONSTRUKCJI MECHANICZNEJ ZASTOSOWANEJ W RODZINIE GŁOWIC OPTOELEKTRONICZNYCH WH

Transkrypt

1 Tomasz KONOPACKI Janusz BŁASZCZYK Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 37, s , 2015 r /afit ROZWIĄZANIA KONSTRUKCJI MECHANICZNEJ ZASTOSOWANEJ W RODZINIE GŁOWIC OPTOELEKTRONICZNYCH WH Artykuł przedstawia budowę, opracowanej w ITWL, mechanicznej głowicy optoelektronicznej typu WH, przeznaczonej do bezzałogowych systemów powietrznych. Na tle rozwoju głowicy przedstawiono jej podstawowe wyposażenie, zasadnicze elementy, możliwy sposób montażu i rozwiązanie przeniesienia napędów. Słowa kluczowe: konstrukcja, głowica optoelektroniczna. 1. Wstęp Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych od lat rozwija konstrukcje bezzałogowych statków powietrznych różnej klasy i przeznaczenia, od mikrosamolotów po duże, bezzałogowe cele powietrzne o napędzie odrzutowym. Sam bezzałogowy statek powietrzny (BSP) stanowi jednak zaledwie platformę, której użyteczność zależy od zainstalowanych na niej czujników. Do najważniejszych systemów pokładowych BSP należą czujniki optyczne, instalowane z reguły w ruchomej głowicy o dynamice dostosowanej do charakteru wykonywanych przez BSP zadań. Wielosensorowe głowice obserwacyjne są standardowym wyposażeniem nie tylko BSP, ale również załogowych samolotów i śmigłowców, pojazdów kołowych oraz systemów ochrony sił własnych. Rozpowszechnienie technologii kamer o wysokiej rozdzielczości światła widzialnego i podczerwieni doprowadziło do znacznego spadku cen i zwiększenia dostępności tych urządzeń. Mimo to ceny głowic obserwacyjnych przeznaczonych do instalacji na pokładzie BSP i podobnych systemów wciąż pozostają względnie wysokie. Obecnie na cenę i użyteczność głowic obserwacyjnych mniejszy wpływ mają coraz tańsze i doskonalsze

2 46 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk detektory, a większy rozwiązania mechaniczne, optyka oraz układy sterowania i interfejsy, których parametry mogą utrudniać pełne wykorzystanie możliwości czujników optycznych. Z uwagi na wciąż jeszcze niskie nasycenie wielosensorowymi głowicami optoelektronicznymi w kraju, a zatem na szerokość potencjalnego rynku oraz zaangażowanie Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych w prace nad BSP, w szczególności nad śmigłowcem bezzałogowym ILX-27, zasadne było podjęcie prac nad stworzeniem technologii wielosensorowej głowicy obserwacyjnej. W roku 2013 zespół specjalistów Zakładu Integracji Systemów C4ISR ITWL w ramach pracy statutowej zaprojektował i wykonał model badawczy głowicy optoelektronicznej WH-1, przeznaczonej do współpracy ze śmigłowcem bezzałogowym ILX-27. Model głowicy został zabudowany na pokładzie śmigłowca wystawionego w czasie MSPO 2013 w Kielcach. Śmigłowiec jako całościowy system uzyskał wówczas Wyróżnienie Specjalne Ministra Obrony Narodowej. 2. Architektura systemu Opracowana głowica (rys. 1) jest urządzeniem dwuosiowym i ma możliwość obrotu w dwóch płaszczyznach: odchylenia (horyzontalnej) i pochylenia (wertykalnej). Obrót głowicy w płaszczyźnie odchylenia jest możliwy w zakresie od -135 do +135 w modelu WH-1. Model WH-2, dzięki zastosowaniu złączy obrotowych, charakteryzuje się ciągłym zakresem obrotu w płaszczyźnie odchylenia. W płaszczyźnie pochylenia oba modele mogą poruszać się w zakresie od -90 do +15, co pozwala wykonać większość stawianych przed urządzeniami zadań. W wewnętrznej ramce głowicy umieszczono kamerę światła widzialnego o rozdzielczości pikseli, o polu widzenia od 55,4 do 2,9 w trybie 1080p i od 37,6 do 1,95 w trybie 720p, niechłodzoną kamerę termowizyjną pracującą w paśmie 8 12 µm o rozdzielczości pikseli i obiektywem o polu widzenia 32 stosowanym wymiennie z obiektywem z ciągłym zoomem mm (pole widzenia 62,7 9,1 ). Głowicę wyposażono też w dalmierz laserowy λ=1,55 µm (bezpieczny dla oka) o zasięgu do 4 km. Napęd, zapewniany przez dwa precyzyjne silniki krokowe, przekazywany jest poprzez zębate przekładnie pasowe. Okablowanie głowicy zostało zabezpieczone przed uszkodzeniem wywołanym niekontrolowanym obrotem głowicy przez system wyłączników krańcowych. W celu zwiększenia podatności architektury systemu na modyfikacje zastosowano mikrokontroler ARM sterujący silnikami poprzez dedykowane sterowniki, odbierający sygnały z mikrowyłączników i komunikujący się z dalmierzem lasero-

3 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic wym. Obraz z kamer jest przetwarzany i transmitowany z wykorzystaniem komputera z czterordzeniowym procesorem. Komunikacja z głowicą odbywa się przez łącze Ethernet. Moduł głowicy został zaprojektowany w taki sposób, by mógł stanowić platformę testową dla różnych rozwiązań napędów oraz różnej konfiguracji czujników. Zastosowane w nim ułożyskowanie umożliwia pracę zarówno w pozycji podwieszonej, stosowanej najczęściej w lotnictwie, jak i odwróconej, wykorzystywanej na morzu i lądzie. A moduł głowicy B moduł centralny, 1, 2 silniki, 3 dalmierz laserowy, 4 kamera termowizyjna, 5 kamera światła widzialnego, 6, 7 sterowniki silników, 8 gigaethernet, 9 mikrokontroler ARM, 10 komputer centralny z łączem bezprzewodowym, 11 blok zasilania, 12 komputer przenośny z manipulatorem, aplikacją interfejsu i łączem bezprzewodowym, 13 monitor z łączem bezprzewodowym. Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy modelu badawczego głowicy optoelektronicznej WH-1/WH-2 3. Rozwiązania zastosowane w głowicy WH-1 i WH-2 Głowica WH-1 została wyposażona w: kamerę podczerwieni, kamerę światła widzialnego, dalmierz laserowy. Napęd stanowią dwa identyczne pod względem kinematycznym układy (po jednym na każdą oś). W pierwszej wersji do zapewnienia momentu obrotowego wykorzystano dwa jednakowe, niezależnie pracujące, precyzyjne dwufazowe silniki krokowe (57BYGHM402) prądu stałego. Natomiast w drugiej wersji doce-

4 48 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk lowo planowane jest użycie serwomechanizmów (FHA-8C-100-D200-EM1 - Harmonic Drive) z wbudowaną przekładnią falową o przełożeniu 1:100. Napęd tego typu jest mniejszy od dotychczas używanych, a jednocześnie może przenieść prawie czterokrotnie większy moment obrotowy, zapewnić większą płynność i dokładność pracy. Przeniesienie napędu (rys. 2) odbywa się przez jednostopniową pasową przekładnię zębatą (reduktor i 0,21). Koła zostały wykonane ze stopu aluminium, natomiast pas napędowy z tworzywa sztucznego z rdzeniem (druty stalowe). Regulacja napięcia pasa odbywa się poprzez zmianę odległości osi współpracujących kół, silniki są przesuwane we wspornikach w zakresie 7 mm. Zastosowanie przekładni pasowej ma tę zaletę, że drgania wywołane pracą napędów nie są przenoszone na konstrukcję oraz zapewniona jest cichobieżność przekładni. Ponadto, rozwiązanie takie łagodzi oddziaływanie wsteczne na silnik. Rys. 2. Układ przeniesienia napędu, WH-1 W głowicy można wyróżnić trzy zasadnicze elementy: a) bazę część nieruchomą, o kształcie koła, w której zawieszone są obrotowo widełki. Baza wyposażona jest w uchwyty, poprzez które mocuje się głowicę do nosiciela (pojazdu/masztu), b) widełki wykonują obrót w kierunku wertykalnym oraz umożliwiają obrót horyzontalny gondoli, c) gondolę znajdują się w niej sensory optoelektroniczne, zamontowana jest obrotowo w widełkach. Baza Baza (rys. 3a) jest elementem montowanym na stałe do nosiciela. Na zewnętrznym obwodzie bazy znajdują się cztery łapy, na których spoczywa całkowi-

5 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic ty jej ciężar (bez komputera), ważne jest zachowanie sztywności konstrukcji przy jednoczesnej minimalizacji wpływu drgań (np. od pracy silnika nosiciela). W tym celu zastosowano podatne elementy metalowo-gumowe amortyzatory typu LORD, po jednym na każdą łapę (rys. 4). WH-1 Rys. 3. Głowica zasadnicze elementy WH-2 Korpusy bazy obu głowic wykonane zostały metodą obróbki skrawaniem z jednolitego pręta Ø300, ze stopu aluminium PA6. Wewnątrz znajdują się cztery żebra łączące obręcz z koncentrycznie wykonanym gniazdem w nim na parze łożysk stożkowych FAG XA (w układzie O) zamocowane są widełki. Łożyska stożkowe pozwalają na równoczesne obciążanie siłą osiową i promieniową. pierścień uszczelniający WH-1 WH-2 Rys. 4. Baza, widoczne: korpus bazy, łapy i amortyzatory, pierścień uszczelniający (WH-2) Zastosowanie pary łożysk stożkowych ustawionych przeciwnie gwarantuje dokładne prowadzenie osiowe, dodatkowo układ O zapewnia skierowanie na

6 50 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk zewnątrz wierzchołków S stożków utworzonych przez linie działania nacisków. Długość podparcia H jest w tym wypadku dłuższa niż w układzie X (wierzchołki skierowane do wewnątrz) i tym samym uzyskany jest mniejszy luz przy przechyle (rys. 5). Rys. 5. Sposób ułożyskowania wałka widełek w bazie (WH-2) Nośność i trwałość dobranych łożysk stożkowych znacznie przekraczają wymogi konstrukcyjne. Jednak ich wielkość była z góry narzucona średnicą wałka widełek, przez który miały być przepuszczone przewody. Mimo to, zgodnie z zaleceniami producenta, łożyska zostały sprawdzone obliczeniowo. W żebrach wykonane zostały otwory montażowe, dzięki którym możliwe było umieszczenie układu przeniesienia napędu (kierunek horyzontalny) w wewnętrznej przestrzeni bazy. Jest to również miejsce montażu wyłączników krańcowych, zabezpieczających przed przekroczeniem dozwolonego kąta obrotu (WH-1). Masa głowicy WH-2 w porównaniu do WH-1 została zmniejszona o ok. 27%. W modelu tym dodany został kołnierz, w którym osadzony jest pierścień uszczelniający. Od góry bazę przykrywa kołpak chroniący wnętrze przed zanieczyszczeniami. Zrezygnowano z wyłączników krańcowych, zapewniając możliwość pełnego obrotu z wykorzystaniem złączy obrotowych, a wszystkie połączenia mechaniczne zostały uszczelnione.

7 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic Widełki Widełki obu głowic (rys. 3b; rys. 6) wykonują obrót w kierunku horyzontalnym. Na centralnie umieszczonym wałku osadzone jest zębate koło pasowe i komplet dwóch łożysk stożkowych, zabezpieczonych nakrętką łożyskową. W górnej części przestrzeni wewnętrznej umiejscowiony jest silnik napędu gondoli oraz wyłączniki krańcowe zabezpieczające przed wykonaniem nadmiarowego obrotu (WH-1). Widełki zostały wykonane ze stopu aluminium PA6 i składają się z czterech zasadniczych części: korpusu widełek, dwóch uch zakrytych dwiema osłonami bocznymi i łączących je (w celu zwiększenia sztywności) zastrzałów. Rys. 6. Widełki, WH-1 W uchach znajdują się gniazda, w których osadzone są łożyska kulkowe zwykłe FAG ZR, po jednym na każdą stronę w nich obracają się wałki, na których wisi gondola. W lewym uchu znajduje się układ przeniesienia napędu obrotu wertykalnego, w prawym poprowadzone zostały przewody. Jednymi z najbardziej obciążonych elementów konstrukcji są wały, poniżej (rys. 7) przedstawiona jest analiza wytrzymałościowa (naprężenia zredukowane wg hipotezy Hubera-Misesa) wałka widełek, z znaczonymi miejscami występowania maksymalnych naprężeń. Jest ono wielokrotnie mniejsze od dopuszczalnego

8 52 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk wynikającego z właściwości zastosowanego materiału. Analogiczna analiza wytrzymałościowa została przeprowadzona dla wałków gondoli (rys. 9 i 10). Rys. 7. Naprężenia zredukowane (wg Hubera-Misesa) dla wałka obrotu w kierunku horyzontalnym (na przykładzie WH-2) W głowicy WH-2 ciężar widełek w porównaniu do WH-1 zmalał o ok. 16%, dodany został kołnierz, który współpracuje z pierścieniem uszczelniającym bazy. Korpus widełek został podwyższony, głębsza przestrzeń umożliwiła taką zabudowę napędów, która pozwala na pełny, bezkolizyjny obrót widełek wokół własnej osi. Wykonano drążony wał, umożliwiający w jego wnętrzu montaż złącza obrotowego. Podobnie jak w bazie, wszystkie połączenia mechaniczne zostały uszczelnione. Gondola Gondola (rys. 3c; rys. 8) to element, w którym znajdują się wszystkie zastosowane w głowicy sensory. W przypadku WH-1 mamy konstrukcję ramową. Wewnątrz stelaża przymocowane na sztywno są wszystkie sensory, a do jego zewnętrznych boków przykręcone zostały wałki, na których obrotowo zawieszona jest gondola na łożyskach FAG ZR osadzonych w uchach widełek. W przeciwieństwie do łożysk zastosowanych w widełkach, tutaj głównym obcią-

9 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic żeniem łożysk są siły promieniowe, z możliwością krótkotrwałego obciążenia osiowego (łożyska kulkowe są w stanie przenosić niewielkie siły osiowe). Podstawowym kryterium doboru ww. łożysk była średnica ich osadzenia na pierwszym wałku, zależna od średnicy wykonanego w nim otworu przelotowego dla przewodów. Takie podejście spowodowało dobór łożysk, których parametry znacznie przekraczają wymagania pod względem nośności i trwałości. Drugi wałek jest przystosowany do osadzenia na nim odbiorczego koła pasowego. Stelaż całkowicie wykonano z blachy PA4, osłony zewnętrzne wykonano metodą obróbki skrawaniem z POM C uzyskano w ten sposób funkcję ochronną i estetyczną. W części frontalnej wykonano trzy otwory (po jednym na każdy sensor), w dwóch okrągłych osadzone zostały okna ze szkła BK7 (kamera światła widzialnego) i germanu (kamera termowizyjna), trzeci (prostokątny) zaprojektowano w taki sposób, aby po montażu osłon, do jego krawędzi szczelnie przyległ front dalmierza. Rys. 8. Gondola, WH-1

10 54 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk Rys. 9. Naprężenia zredukowane (wg Hubera-Misesa) dla wałka koła pasowego obrotu w kierunku wertykalnym (na przykładzie WH-2) maksymalne naprężenia Rys. 10. Naprężenia zredukowane (wg Hubera-Misesa) dla przelotowego wałka obrotu w kierunku wertykalnym (na przykładzie WH-2) maksymalne naprężenia

11 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic Najważniejsze różnice konstrukcyjne między głowicami WH-1 i WH-2 W gondoli WH-2 konstrukcja ramowa ewoluowała do modułowej konstrukcji skorupowej (rys. 11), poskutkowało to spadkiem masy gondoli w porównaniu do WH-1 o ok. 27%. Wszystkie części wykonane zostały metodą obróbki skrawaniem ze stopu aluminium PA6 i PA4. Modułowość pozwala na szybki częściowy demontaż osłon, niezależnie od siebie (przód i tył) i łatwy dostęp do sensorów. Poszczególne części połączone są śrubami, a krawędzie ich styku uszczelnione. Rys. 11. Skorupowa budowa gondoli, WH-2 (nie zostały pokazane normalia) W trakcie testów głowicy WH-1 okazało się, że rozgrzewanie się kamery termowizyjnej podczas pracy wpływa negatywnie na obraz. W celu rozwiązania problemu w tylnej części gondoli WH-2 umieszczony został radiator. Rozważa się również możliwość umieszczenia wewnątrz wentylatora, aby wymusić obieg powietrza. Początkowo głowica WH-2 została wyposażona w nowy dalmierz o lepszych parametrach, pozostałe sensory pozostawiono (rys. 12). Jednak w trakcie testów zdecydowano się na wymianę również kamery termowizyjnej (rys. 13). Nowa

12 56 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk kamera wraz z obiektywem jest znacznie większa od poprzedniej, co wymusiło rekonfigurację rozmieszczenia sensorów wewnątrz gondoli oraz wykonanie nowego frontu i okien (dla dalmierza i kamery dziennej ze szkła BK7, dla kamery podczerwieni z germanu). Rys. 12. Gondola, WH-2: a) gondola, b) gondola bez osłony frontowej, c) radiator gondoli Montaż sensorów odbywa się za pomocą wsporników przykręcanych do ścianek. Dzięki takiemu rozwiązaniu zwiększa się użytkowa przestrzeń wewnątrz gondoli. Rys. 13. Gondola, WH-2, po wymianie kamery termowizyjnej i z nowym frontem

13 Rozwiązania konstrukcji mechanicznej zastosowanej w rodzinie głowic Podsumowanie Rozwiązanie układu mechanicznego głowicy optoelektronicznej wpływa decydująco na jej parametry użytkowe. Zostały spełnione założenia przyjęte w procesie konstrukcyjnym, uwzględniające sztywność konstrukcji, podatność głowicy na modyfikacje, dobre własności związane z odprowadzaniem ciepła, przy ograniczeniu masy konstrukcji. W rozwiązaniach seryjnych możliwe będzie zastąpienie kosztownej metody wykonania skorupy aluminiowej obróbką skrawaniem, przez odlew lub skorupę kompozytową, a przez to dalsze zmniejszenie masy systemu. Literatura 1. FAG. Łożyska toczne. Katalog WL41 520/2 PLA, marzec Laserowe i optoelektroniczne systemy wykrywania, rozpoznania zagrożeń i przeciwdziałania zagrożeniom dla siły żywej i sprzętu wojskowego na polu walki. Sprawozdanie ITWL, nr , niepublikowane. 3. Mały poradnik mechanika, tom II Podstawy konstrukcji maszyn i maszynoznawstwo. Red. Barbara Reymer, Warszawa Technologia stabilizacji śledzenia i integracji głowicy optoelektronicznej do małych załogowych i bezzałogowych statków powietrznych. Sprawozdanie ITWL, nr , niepublikowane.

14 58 Tomasz Konopacki, Janusz Błaszczyk