LABORATORIUM UKŁADÓW MIKROPROGRAMOWALNYCH

Zespół:

Małgorzata Burczyn

Michał Domagała

Jakub Hałun gr. 44

1. Wprowadzenie

Zrealizowany projekt opisuje układ sterowania pocisku rakietowego (autopilota) typu powietrze-ziemia z zastosowaniem układów serii AM2900 firmy Advanced Micro Devices, a dokładniej sekwensera AM2910 oraz układu AM2903.

2. Wstęp teoretyczny

2.1. System naprowadzania

Wybraliśmy system samonaprowadzania zwany systemem aktywnym. Jest on realizowany za pomocą centymetrowych fal elektromagnetycznych. Na pokładzie rakiety znajduje się nadawczo-odbiorcza stacja radiolokacyjna. Przed wystrzeleniem rakieta jest tak ustawiana na powierzchni, aby stacja ta przechwyciła cel (przed wystrzeleniem). Po wystrzeleniu rakieta sama oświetla promieniami radarowymi cel i odbiera wtórne promieniowanie celu, ustalając w ten sposób kąty odchylenia osi rakiety od linii odbioru sygnału od celu. Kąty te są wykorzystywane w algorytmie samonaprowadzania.

Podstawowe zespoły pocisku rakietowego samonaprowadzającego na cel:

Wyróżniamy:

• głowicę samonaprowadzającą

• autopilot

• układ wykonawczy sterowania rakietą (UW)

Prosta poprowadzona od głowicy samonaprowadzającej do celu nosi nazwę - linii obserwacji celu (LOC).

Zasada działania samonaprowadzania pocisku na cel jest następująca. Głowica przechwytuje i śledzi cel. Wówczas oś koordynatora celu pokrywa się z linią obserwacji celu. Czujniki mierzą kąt między LOC a osią pocisku i podają do autopilota. Autopilot niezależnie, swoimi czujnikami, mierzy kątowe położenie pocisku względem ziemi, a następnie wyznacza sygnały sterujące i podaje je do układu wykonawczego sterowania. Realizowane są zatem dwie pętle sterowania: pętla sterowania I odnosi się do śledzenia celu przez koordynator celu, pętla sterowania II steruje lotem pocisku.

Najważniejszą częścią tego systemu jest głowica samonaprowadzająca. Jej podstawowym elementem jest tzw. koordynator celu. Jego zadaniem jest wyznaczanie bieżącego kąta między osią koordynatora (OK) a linią obserwacji celu (LOC) podczas lotu rakiety oraz automatyczne niwelowanie tego kąta (automatyczne kierowanie osi OK na prostą LOC), czyli śledzenie celu przez koordynator.

2.2. Kinematyka pocisku rakietowego

Po pierwsze należy określić położenie pocisku i celu w ziemskim układzie współrzędnych. Położenia te wyznaczają wektory łączące początek układu współrzędnych z pociskiem R_p oraz celem R_c jak na rysunku:

r =R_C-R_P

C - cel

P - rakieta

Wektor r pokrywa się z linią LOC

X_g,Y_g,Z_g - ukł. współrz. o początku w

miejscu startu rakiety

Następnie określamy położenie pocisku względem celu:

C - środek masy celu

S - środek masy pocisku

V_P - wektor prędkości pocisku

V_C - wektor prędkości celu

Na Rys. 2 wprowadzone są 4 układy współrzędnych:

• układ X,Y,Z - jest to zaczepiony w punkcie startu rakiety układ współrzędnych ziemskich

• układ X'_g,Y'_g,Z'_g - jest to ruchomy układ współrzędnych związany z pociskiem.

Powstał przez translacje uk. współrz. ziemskich, do punktu pokrywającego się ze środkiem masy pocisku.

• układ X''_g,Y''_g,Z''_g - j.w. ale jest to układ związany z celem

• układ współrzędnych celowania - jest to pomocniczy układ współrzędnych, charakterystyczny dla pocisków samonaprowadzanych na cel. Oś SX_C jest skierowana od pocisku (jego środka masy S) do celu. Pozostałe osie są ukierunkowane względem układu SX'_gY'_gZ'_g pod kątami ε i σ. Kąty te nazywamy kątami obserwacji celu i odmierzamy je od układu ziemskiego.

2.2. Metoda naprowadzania

Wybraną metodą jest tzw. metoda grupy trzeciej. Są to metody najprostsze w realizacji technicznej, ale najmniej dokładne. Stosowane są do ataku celów nieruchomych (np. naziemnych). Układ optyczny i koordynator celu wyznaczają kąt pomiędzy OP a LOC (tzw. kąt namiaru). Oś pocisku kierowana jest na cel czyli

(*) ε = γ + α oraz σ = χ + β

gdzie:

ε , σ - kąty obserwacji celu

α - kąt natarcia

β - kąt znoszenia

Załóżmy na przykład, że cel jest nieruchomy (V_C=0) oraz lot pocisku odbywa się tylko w jednej płaszczyźnie - pionowej (χ , β = 0). Dla takich założeń oraz po uwzględnieniu równości (*), z Rys.2 wynikają następujące związki pomiędzy ruchem pocisku a celem:

3. Układ sterowania

Zadaniem układu sterowania czyli autopilota pocisku będzie korygowanie toru pocisku w taki sposób aby kąt obserwacji celu ε dążył do zera czyli aby linia LOC pokrywała się z linią OP. W naszym układzie sterowania będą realizowane dwie Pętla Sterowania z Rys.1. Pętla Sterowania I odnosi się do śledzenia celu przez koordynator celu. Pętla Sterowania II steruje lotem pocisku.

Schemat połączenia układu sterującego US z pozostałymi elementami pocisku:

Opis poszczególnych urządzeń:

1. Pierwszy czujnik głowicy samonaprowadzania mierzy kąt obserwacji celu ε (kąt w pionie). Gdy kąt jest większy lub równy np. 3° wysyła do układu sterującego impuls.

2. Drugi czujnik mierzy kąt σ (kąt w poziomie) i działa identycznie jak pierwszy.

3. Dalmierz wyznacza odległość pocisku od celu (np. wykorzystując efekt Dopplera).

4. Układ Wykonawczy Sterowania ma za zadanie uruchamianie sterów pocisku. Nadejście impulsu z któregoś z czujników mierzących kąty obserwacji celu do US oznacza, że należy skorygować tor pocisku. Wtedy US wysyła sygnał sterujący do odpowiednich sterów. Jest realizowana Pętla Sterowania II (patrz początek rozdziału).

5. Zapalnik wywołuje eksplozję pocisku. Staje się tak po nadejściu impulsu z US, który to z kolei wysyła taki impuls gdy dane przesłane z Dalmierza czyli odległość od celu będzie dostatecznie mała.

6. Zadaniem Koordynatora Celu jest jego śledzenie. Sprowadza się to do kierowania soczewki Głowicy Samonaprowadzającej na cel. Jest realizowana Pętla Sterowania I.

Opis sygnałów:

A - szyna adresowa 16-bitowa

D - szyna danych 16-bitowa

E - potrzebna korekcja w pionie, nie=0, góra=1, dół=2

T - potrzebna korekcja w poziomie, nie=0, lewo=1, prawo=2

V - osiągnięto minimalną odległość od celu, tak=1, nie=0

4. Algorytm działania

Przyjmujemy warunek, że pocisk namierzył już cel.

Opis zadań (Z) i warunków (X_C) przy liście mikroinstrukcji na następnej stronie.

Lista mikroinstrukcji:

	Mikroinstrukcja	Zadania i warunki
Ai	Z1, A':=Ai+1	Z1: Odczytaj sygnały E, T, V z Głowicy Samonaprowadzania i Dalmierza odpowiednio do komórek pamięci: A, B, C
Ai	if XC1 then A':=Ai+4 else A':=Ai+1	XC1: A=0 - brak korekcji lotu w pionie, else - jest korekcja
Ai	if XC2 then A':=Ai+1 else A':=Ai+2	XC2: A=1 - w górę, else - w dół
Ai	Z3, A':=Ai+2	Z3: ustaw stery w górę; wychyl Koordynator Celu w górę
Ai	Z2, A':=Ai+1	Z2: ustaw stery w dół; wychyl Koordynator Celu w dół
Ai	if XC3 then A':=Ai+4 else A':=Ai+1	XC3: B=0 - brak korekcji lotu w poziomie, else - jest korekcja
Ai	if XC4 then A':=Ai+1 else A':=Ai+2	XC4: B=1 - w lewo, else - w prawo
Ai	Z5, A':=Ai+2	Z5: ustaw stery w lewo; wychyl Koordynator Celu w lewo
Ai	Z4, A':=Ai+1	Z4: ustaw stery w prawo; wychyl Koordynator Celu w prawo
Ai	if XC5 then A':=Ai-9 else A':=Ai+1	XC5: C=0 - nie osiągnięto celu
Ai	Z6, A':=Ai+1	Z6: wyślij sygnał do Zapalnika, wybuch pocisku
Ai	NOP, A':=Ai	???

5. Schemat ideowy Układu Sterującego

S0	S1	S2	S3	XC	a	b	c	d	e	f	g
0	0	0	0	-	0	-	-	-	-	-	1
0	0	0	1	1	1	0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	0	0	-	-	0	0	0	0
0	0	1	0	1	0	-	-	0	0	1	0
0	0	1	0	0	1	1	0	0	0	1	0
0	0	1	1	-	1	1	0	-	-	-	1
0	1	0	0	-	0	-	-	-	-	-	1
0	1	0	1	1	1	0	0	0	1	0	0
0	1	0	1	0	0	-	-	0	1	0	0
0	1	1	0	1	0	-	-	0	1	1	0
0	1	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0
0	1	1	1	-	1	1	0	-	-	-	1
1	0	0	0	-	0	-	-	-	-	-	1
1	0	0	1	1	1	0	1	1	0	0	0
1	0	0	1	0	0	-	-	1	0	0	0
1	0	1	0	-	0	-	-	-	-	-	1
1	0	1	1	-	1	1	1	-	-	-	1

7. Schemat z wykorzystaniem układów AM2910 i AM2903

8. Opis układu

Adresy urządzeń:

0 - stery poziome Układu Wykonawczego Sterowania

1 - stery pionowe Układu Wykonawczego Sterowania

2 - Zapalnik

3 - wychylenie poziome Koordynatora Celu

4 - wychylenie pionowe Koordynatora Celu

5 - czujnik Głowicy Samonaprowadzającej GS (kąt ε)

6 - czujnik Głowicy Samonaprowadzającej GS (kąt σ)

7 - Dalmierz

Adresy zmiennych:

8 - kąt ε

9 - kąt σ

10 - odległość od celu

Rejestr urządzenia (RU)

We
001b	E
010b	T
011b	V
100b	RA
101b	RDI
110b	RDO

gdzie:

- odczyt impulsu z czujnika Głowicy Samonaprowadzającej (ε)

- j.w. (σ)

- odczyt odległości z Dalmierza

- zapis do rejestru adresowego

- zapis do rejestru danych wejściowych

- zapis do rejestru danych wyjściowych

Rejestr adresowy RA, danych wejściowych RDI, danych wyjściowych RDO służą do przechowywania danych na szynach A i D (adresowej i danych) i zapamiętywania ich.

W pamięci ROM układu znajduje się program układu sterującego i mikroprogram sekwencera.

Komunikacja pomiędzy urządzeniami (np. wysyłanie danej z US do urządzenia) przebiega według następującego algorytmu:

1. Wybieramy adres urządzenia (wpis jego kodu do Y)

2. Wystawiamy jego adres na szynę adresową A (RU=100b)

3. Wybieramy określony kod komunikatu (Y=kod_komunikatu)

4. Wysyłamy komunikat czyli wystawiamy go na szynę danych D (RU=110b)

Przykład: Wysłanie sygnałów z US do Koordynatora Celu i Układu Wykonawczego Sterowania (zadanie Z₃)

Polecenie	Rozkaz	Zadanie
Z3.0, A':=Ai+2	Y=01b	wybierz stery pionowe UWS
Z3.1, A':=Ai+2	RU=100b	wystaw adres na szynę adresową
Z3.2, A':=Ai+2	Y=1b	kod=1 - wychyl stery w górę
Z3.3, A':=Ai+2	RU=110b	wystawienie na szynę danych
Z3.4, A':=Ai+2	Y=100b	wybierz wychylanie pionowe Koordynatora Celu
Z3.5, A':=Ai+2	RU=100b	wystaw adres na szynę adresową
Z3.6, A':=Ai+2	Y=1b	kod=1 - wychył w górę
Z3.7, A':=Ai+2	RU=110b	wystawienie na szynę danych

Gdy np. chcemy dane z urządzenia zapisać do komórki pamięci:

1. Wybieramy adres urządzenia (wpis jego kodu do Y)

2. Wystawiamy jego adres na szynę adresową A (RU=100b)

3. Wybieramy adres komórki do której chcemy zapisać

4. Zapisujemy dane (M[A]=D)

Przykład: Zapis do komórek pamięci sygnałów z Głowicy Samonaprowadzającej i Dalmierza

(zadanie Z₁)

Polecenie	Rozkaz	Zadanie
Z1.0, A':=Ai+1	Y=101b	wybierz adres czujnika GS (kąt ε)
Z1.1, A':=Ai+1	RU=100b	wystaw adres na szynę adresową
Z1.2, A':=Ai+1	Y=1000b	wystaw adres komórki, która ma być zapisana
Z1.3, A':=Ai+1	M[A]=D	zapis do pamięci
Z1.4, A':=Ai+1	Y=110b	wybierz adres czujnika GS (kąt σ)
Z1.5, A':=Ai+1	RU=100b	wystaw adres na szynę adresową
Z1.6, A':=Ai+1	Y=1001b	wystaw adres komórki, która ma być zapisana
Z1.7, A':=Ai+1	M[A]=D	zapis do pamięci
Z1.8, A':=Ai+1	Y=111b	wybierz adres Dalmierza
Z1.9, A':=Ai+1	RU=100b	wystaw adres na szynę adresową
Z1.10, A':=Ai+1	Y=1010b	wystaw adres komórki, która ma być zapisana
Z1.11, A':=Ai+1	M[A]=D	zapis do pamięci

10

Układ Wykonawczy Sterowania

Auto

Pilot

Stery

Pętla Sterowania II

Głowica Samonaprowadzająca

Pętla Sterowania I

Oś Pocisku OP

Linia Obserwacji Celu LOC

Oś Koordynatora Celu OK

(Giroskopu)

CEL

C

P

R_C

O

R_P

X_g

Y_g

Z_g

r

Y'_g

X'_g

Z'_g

X

Y

Z

Z_C

X_C

Y_C

X''_g

Y''_g

Z''_g

S

C

r

ε

γ

σ

χ

ε+σ

V_C

V_P

Rys. 2

US

Układ Wykonawczy Sterowania

stery poziome

stery pionowe

Czujnik głowicy

samonaprowadzania

kąt ε

Czujnik głowicy

samonaprowadzania

kąt σ

Zapalnik

A

D

Dalmierz

E [0,1,2]

T [0,1,2]

Koordynator Celu

wychyl. pion

wychyl. poziom

Z1

if X_C1

if X_C2

Z2

Z3

Z5

Z4

if X_C4

if X_C3

START

STOP

Z6

if X_C5

TAK

TAK

TAK

TAK

NIE

TAK

NIE

NIE

NIE

NIE

V [0,1]

Licznik

ROM

S | C | Z

+2

-9

+4

b

c

00

01

10

11

a

d e f

X_C1

X_C2

X_C3

X_C4

X_C5

000

001

010

011

X_C

DMI

X_C

S

a

b

c

d

e

f

UO

g

a = 0 inc

a = 1 load

g = 1 hold

g= 0 blok

g

100

Tablica dekodera mikroinstrukcji:

OE Rejestr

Mux warunku

wr RDO

Rejestr Urządzenia

wr RDI

wr RA

Zegar

ROM

I[0-8] B A Cin I Ccen D BA RU Rld C

AM2910 Sekwencer D[0-11]

Rld Cp

CC

Pl Ccen I[0-3] Y[0-11]

Cin 2x AM2903

A

B
N

I[0-8]

Clk

D[0-15] Y[0-15]

E T V

A[0-15]

D[0-15]

NRG

---