图像制导导弹操控手柄特性优化设计及验证技术*

赵军民,杨云刚,段辰璐,牛 冰

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)



图像制导导弹操控手柄特性优化设计及验证技术*

赵军民,杨云刚,段辰璐,牛 冰

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

为了有效提高射手操控图像制导导弹稳定跟踪目标的能力,对某型图像制导导弹操控手柄特性进行分析研究,在不改变手柄硬件关系的情况下,对其输入输出特性进行优化设计。通过构建虚拟样机系统,对设计的操控手柄特性进行试验验证,确定了一种相对最优的操控手柄输入输出特性,提高了射手操控导弹的能力及导弹系统的作战效能。

图像制导导弹;手柄;特性

0 引言

图像制导导弹如采用“人在回路”的制导方式,战斗模式从单一的“发射后不管”发展到“发射并全程操控”[1],可以有效解决目标的识别、跟踪及攻击点选择问题,对敌实施精确打击。射手和导弹系统的合理配合是提高导弹系统作战效能的关键因素之一,导弹的操控手柄作为重要的人机结合面,除了反应自身手柄特性外,同时将射手的动态特性引入导弹跟踪制导回路[2-3],其性能对于整个导弹系统至关重要[4]。

1 操控手柄特性分析

在图像制导导弹末制导飞行段,射手根据操控监视器上显示的目标及背景图像,操纵操控手柄使跟踪器的“+”字瞄准目标中心,跟踪器输出的跟踪指令通过数据链上传到弹上,弹上接收后送给导引头跟踪回路控制导引头光轴瞄准目标,导引头产生视线角速度,由弹上计算机按比例导引律形成指令控制导弹飞行,直至命中目标。

射手操控手柄输入输出特性可以根据需求进行定制,不仅研制成本较高,同时不利于后期操控特性的优化设计,一般手柄输入力F与输出电压V固有关系为线性关系V=k×F,k为比例系数,典型操控手柄如图1所示。在导弹系统中,操控采集手柄输出电压,经跟踪器编码对应导引头像素偏差,像素偏差的变化又决定了导引头输出视线角速度。在不改变手柄硬件关系的情况下,对手柄特性进行A/D信号处理,在地面操控或跟踪器上加上优化算法,可以实现

图1 操控手柄图

期望的操控手柄输入输出特性,由于处理后的数字电压信号与导引头像素的对应关系并没改变,只是改变了手柄用力与电压的力敏特性。图2为操控手柄信号传输示意图,虚线框中为原手柄力敏特性,实线框中为优化后的手柄力敏特性。

图2 操控手柄信号传输示意图

2 操控手柄特性优化设计

图像制导导弹系统射手在末制导段通过操控手柄控制导弹飞行时属于误差补偿控制[5],人体用力在一定范围内容易控制,但当用力越大时,手抖动的误差越大,对应的跟踪误差也越大。通过改善操控手柄斜率,达到改善导弹末段射手的操控性能。以下采用三段法、三角函数法、指数法三种数学方法实现操控手柄输入输出斜率的变化,对其进行分析研究,其他数学方法不再赘述。

三段法采用两种固定的斜率,在手柄输入力较小时,输出电压信号斜率为k1,手柄输入力较大时,输出电压信号斜率为k2,输入输出数学关系如式(1)所示,V输入为操控采集手柄电压(输入电压),V输出为改善后的输出电压,V1为斜率变化时对应的输入电压,三段法手柄特性曲线如图3粉色虚线所示。

(1)

三角函数法采用变斜率的方法,实现手柄输入力与输出电压斜率的变化,同时引入手柄力敏特性参数,输入输出数学关系如式(2)所示,F为手柄输入力,Fmax为手柄最大输入力,Vmax为手柄最大输入力对应的电压,k为手柄力敏特性系数,n为手柄灵敏度指数。根据操控手柄固有特性,同时对手柄输入力F做归一化处理见式(3)。将式(2)代入式(3)得到三角函数法优化后手柄特性输入输出数学关系式(4),手柄特性曲线如图3红色点划线所示。

(2)

指数法采用变斜率的方法,实现手柄输入力与输出电压斜率的变化,k1、k2为设计的斜率参数,输入输出数学关系如式(5)所示,三角函数法手柄特性曲线如图3蓝色虚线所示。

(5)

图3 操控手柄特性曲线

3 试验验证

3.1 构建试验系统

在仿真实验室内构建图像制导导弹系统虚拟样机[6-7],该虚拟样机系统由弹道仿真计算机、图像导引头场景虚拟样机、导引头稳定与跟踪系统虚拟样机、战场环境虚拟样机、网络设备、操控装置等几部分组成,虚拟样机系统工作原理如图4所示。在该虚拟样机系统完成目标的跟踪试验,通过分析导弹跟踪指令、脱靶量及导弹落角,验证射手操控手柄特性优化效果,确定操控手柄特性及最优控制参数。

图4 图像制导导弹系统虚拟样机

3.2 操控手柄特性验证

设置直升飞机在斜距7 km、高度100 m、以30 m/s速度横向运动,通过蒙特卡洛法随机生成50组导弹飞行过程中误差及扰动数据加入弹道仿真计算机。分别采用三段法、三角函数法、指数法对操控手柄特性进行改善,分析射手通过操控手柄控制导弹跟踪直升机的能力,统计结果见表1。图5～图7为各选取的三组俯仰方向视线角速度与跟踪指令对比(偏航方向与俯仰方向相似,文中不在赘述),黑线为跟踪指令,绿线为俯仰视线角速度。

表1 目标命中结果统计

图5 三段法跟踪指令与视线角速度对比

图6 三角函数法跟踪指令与视线角速度对比

图7 指数法跟踪指令与视线角速度对比

结果表明,弹目距离较远时,三种方法优化后的跟踪系统,目标视线角速度变化较小,射手手柄控制力较小,跟踪指令无明显区别;随着弹目距离变小,目标视线角速度变化变大,射手手柄控制力变大,三角函数法比三段法、指数法增加了末段目标跟踪阻尼特性,射手末段跟踪指令更加平稳,导弹姿态稳定。经过统计三角函数法的仿真脱靶量最小,导弹落角最大,操控特性改善效果比三段法、指数法更优。

3.3 手柄特性参数优化

经过虚拟样机系统验证,采用三角函数法优化的操控手柄特性最有利于图像制导导弹射手操控导弹跟踪目标。根据操控手柄固有特性取k≈1,Fmax=10N,Vmax=10V,选择合适的灵敏度指数n,也可以改善手柄的操作特性。表2为三角函数法优化后手柄灵敏度对照表,图8为手柄灵敏度对应的操控手柄特性曲线。射手施力在一定范围(2～6N)容易控制。根据半实物仿真试验结果,稳定跟踪情况下导弹飞行末段跟踪指令在4°/s以内,为改善手柄的操纵性,使人的施力范围覆盖末段跟踪特性,即从4N手柄输入力对应的4°/s跟踪指令,扩展为6N手柄输入力对应的4°/s跟踪指令,通过表2对照分析,对于该图像制导导弹系统选取灵敏度指数n=1.2～1.3时,最有利于射手稳定跟踪目标。

表2 手柄灵敏度对照表

图8 灵敏度对应的操控手柄特性曲线

4 结论

文中通过分析某型图像制导导弹射手操控手柄特性,在不改变手柄硬件关系的情况下,对其输入输出特性进行优化设计,设计了多种手柄特性曲线,通过构建图像制导导弹虚拟样机系统,对设计的操控手柄特性进行试验验证,确定了一种相对最优的手柄输入输出特性,有效的提高了射手操控导弹的能力及导弹系统的作战效能。该方法也可应用在同类导弹操控手柄优化设计过程中。

[1] 何亚娟. 图像制导导弹火控系统设计 [J]. 火力与指挥控制, 2014, 39(9): 160-163.

[2] 赵军民, 胡国怀, 段辰璐, 等. “人在回路”图像制导导弹射手建模技术研究 [J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(4): 74-76.

[3] 刘兴堂, 赵红言, 雷虎民. 飞行员数学模型与新机飞行品质预测 [J]. 飞行力学, 1997, 15(1): 30-36.

[4] 薛瀛, 姚振强, 张冲, 等. 基于人机工效的民机驾驶盘机构设计研究 [J]. 机械科学与技术, 2015, 34(8): 1308-1312.

[5] 万春熙. 反坦克导弹设计原理 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1981: 95-110.

[6] 何亚娟. 人在回路中的末制导系统性能测试与评估 [J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(2): 29-31.

[7] 费锦东, 刘鹏. 凝视红外成像末制导系统应用研究 [J]. 红外与激光工程, 2006, 35(3): 253-257.

Optimization Design and Verification of Characteristic of Image-guided Missile Control Handle

ZHAO Junmin,YANG Yungang,DUAN Chenlu,NIU Bing

(No.203 Research Institute of China Ordanance Industries, Xi’an 710065, China)

In order to improve shooter’s capability of controlling image-guided missile tracking target stably, the characteristic of an image-guided missile control handle was analyzed and researched, the in-out characteristic was optimally designed without changing hardware relationship of the handle. The virtual prototype system was constructed to verify the optimized characteristic of control handle, an optimal in-out characteristic was developed which can improve the shooter’s capability of controlling missile and effectiveness of weapon system.

image-guided missile; handle; characteristic

2015-11-06

赵军民(1980-),男,陕西合阳人,高级工程师,硕士,研究方向:导弹系统总体设计及性能分析。

TJ765.3

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