РАЗРАБОТКА ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ РАДАРНОЙ СТАНЦИИ УЗКОГО ДИАПАЗОНА ДЕЙСТВИЯ

DEVELOPMENT OF A SUPPORT-ROTARY DEVICE FOR A SHORT RANGE RADAR STATION

Anton Koshelev

Student of gr. KT-22M of the Institute of Nano- and Microsystems Engineering National Research University "MIET",

Russia, Zelenograd

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается процесс разработки двухосного опорно-поворотного устройства. Данное устройство предназначено для радаров ближнего действия, используемых в системах безопасности. В результате проведенного исследования представлена структура и возможная компоновка опорно-поворотного устройства, которое выполняет все необходимые функции для работоспособности радара.

ABSTRACT

The article discusses the development process of a two-axis rotary support device. This device is intended for short-range radars used in security systems. As a result of conducted research, the structure and possible layout of the support-rotary device are presented, which performs all the necessary functions for the operability of the radar.

Ключевые слова: опорно-поворотное устройство, радар, блок управления, антенна, обработка данных, волоконная оптика.

Keywords: rotary-support device, radar, control unit, antenna, data processing, fiber optics.

Задача, решенная в данной работе – создание двухосного опорно-поворотного устройства (ОПУ), применяемого в работе радарной станции узкого диапазона действия. В современном мире информационных технологий защита информации является одной из ключевых задач в области информационной безопасности. В условиях массового использования компьютерных технологий и сетей, защита информации становится все более актуальной и значимой. Предприятия и организации любого масштаба сталкиваются с риском потери конфиденциальной информации, порчи ее целостности и нарушения доступности к ней [1]. В настоящее время уделяется большое внимание охране собственных территорий и промышленных помещений для предотвращения неправомерных действий и несанкционированного доступа, в том числе и с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Безопасное, на первый взгляд, коммерческое и личное (частное) использование БПЛА может быть сопряжено с многочисленными опасностями в случае их ненадлежащей эксплуатации. Кроме того, БПЛА могут использоваться для нарушения неприкосновенности коммерческой, образовательной, спортивной, развлекательной и государственной жизни [2].

Применение охранных систем обнаружения и видеонаблюдения позволяет решить данную проблему, обеспечивая безопасность предприятия от вторжения посторонних лиц и БПЛА в течение круглых суток с минимальным участием человека. В состав таких охранных систем входят радарные станции, камеры видеонаблюдения, подавители радиочастотных сигналов и, обязательно, опорно-поворотные устройства с системами управления охранными устройствами. В рамках данной задачи описан процесс создания двухосного опорно-поворотного устройства радарной станции с блоком управления, датчиками, модулем обработки данных.

Структурная схема опорно-поворотного устройства, представленная на рисунке 1, условно состоит из двух частей – опорной и поворотной. Опорная структура представляет собой сборное устройство в корпусе, в котором расположены мотор-редуктор с зубчатой передачей, устройство управления двумя мотор-редукторами, модуль обработки данных антенны и датчики давления, влажности и температуры для контроля внутренней среды устройства. В свою очередь структура вращающейся части включает в себя оптоволоконный токосъемник с цифровыми каналами, мотор-редуктор с датчиками холла, который управляется платой в опорной части, и крепление для возможности закрепления антенного модуля. Все устройство питается шкафом управления питания и имеет возможность связи и передачи данных на другие охранные системы и автоматизированное рабочее место (АРМ) сотрудников охраны предприятия.

Рисунок 1. Структурная схема общая

Разработанное опорно-поворотное устройство является комплексным решением, которое управляет механизмом поворота и обрабатывает данные антенного модуля. Согласно техническому заданию, для корректной работы антенны необходимо, чтобы она плавно вращалась непрерывно вокруг своей оси со скоростью 40 градусов в секунду. Для обеспечения заданных параметров вращения используется мотор-редуктор Maxon Motor, который обладает сравнительно высокой надежностью и наличием датчиками Холла для отслеживания скорости вращения электродвигателя. Вращение антенны передаётся через зубчатую передачу, имеющую постоянство передаточного отношения и большую долговечность, а также надежность работы по сравнению с другими передачами. Для корректировки угла наклона антенны так же используется электродвигатель с редуктором.

Для управления мотор-редукторами было принято решение разработать модуль, который имел бы возможность подключения всех необходимых компонентов для реализации схемы. Сам модуль представляет собой печатную плату с навесными компонентами на базе микроконтроллера ATmega328P. Схема управляющего элемента представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема платы управления

Для осуществления управления мотор-редукторами необходимо подать управляющий сигнал и рабочее напряжение. Подача управляющего сигнала проходит от микропроцессора через одноканальные операционные усилители TL081CDT c высокой скоростью нарастания выходного сигнала к драйверам мотор-редукторов DEC Module 50/5 с защитой от короткого замыкания. Такая схема подключения позволяет передавать усиленные сигналы для точного управления мотор-редукторами, что необходимо для качественной работы всего механизма опорно-поворотного устройства. Стоит так же отметить, что для подачи управляющих сигналов стоит использовать определенные каналы микроконтроллера, которые имеют возможность широтно-импульсной модуляции сигнала и использования таймера. Входное питание платы составляет 36 вольт. Именно это напряжение и необходимо для питания мотор-редуктора. Для подачи энергии управляющему микроконтроллеру посредством понижающих преобразователей подводится напряжение 5 вольт. Для защиты всей платы от скачков напряжения предусмотрен предохранитель в виде плавкой вставки. Так же на плате расположены соединители, которые связывают внешнее подключение температурного датчика, датчика давления и влажности. Стоит отметить, что также выведены и несколько свободных выходов, для возможности подключения других дополнительных устройств.

Отличительной особенностью данного опорно-поворотного устройства является наличие встроенного модуля обработки информации с антенного модуля, изображенного на рисунке 3. Одним из основных применений радиолокационных станций является защита промышленных объектов от беспилотных летательных аппаратов и несанкционированного доступа. Модуль обработки данных предназначен для сбора информации с антенны и передачи ее на персональные компьютеры сотрудников службы безопасности или на другое охранное оборудование для обеспечения безопасности. Для соединения модуля обработки данных с антенной используется оптоволоконный кабель, который позволяет передавать сигнал с минимальными потерями и защищает сигнал от электромагнитных помех.

Рисунок 3. Модуль обработки данных «ОКТА»

Одной из основных проблем, решенной в описываемом опорно-поворотном устройстве, передача данных с вращающейся на неподвижную часть. Решением подобной проблемы является интеграция в опорно-поворотное устройство волоконно-оптического токосъёмника. Во вращающейся части находятся два устройства, которые необходимо соединить с платой управления. Для мотор-редуктора необходимо минимум 4 цифровых каналов, а для антенны – один высокоскоростной оптический канал. Для обеспечения всех необходимых связей был подобран комбинированный одноканальный токосъемник Senring FO102. Данное устройство является оптимальным решением по массогабаритным параметрам и функционалу. Оптическая часть токосъемника характеризуется низким уровнем вносимых и обратных потерь (потери на отражение). Электрическая часть токосъемника может быть представлена различными комбинациями сигнальных и силовых контактов. Внешний корпус токосъемника выполнен из сплава алюминия, обеспечивает защиту устройства на уровне IP51. Оптическая часть устройства выполнена из нержавеющей стали с защитой IP68. Рабочая температура токосъемника -30°C до 85°C. Конструкция щеток электрической части токосъемника и бесконтактная конструкция оптического перехода обеспечивают продолжительный срок службы всего устройства (более 20 млн. об.), высокую максимальную скорость вращения для устройств данного класса (250 об./мин.)[2].

Для защиты внутреннего механизма от внешних воздействующих факторов (ВВФ) был разработан корпус, обеспечивающий стабильную работу устройства в температурном диапазоне от -40 до +50 °C и относительной влажности окружающего воздуха до 100 %. Сам корпус состоит из трех частей: основания, крышки и опорной пластины. Основание пластины изготавливается из нержавеющей стали 08Х18Н10 и предназначено для расположения всех компонентов опорно-поворотного устройства. Так же в этой детали, для достижения минимальной массы всего изделия, сделаны отверстия произвольной формы. Крышка и основание изготавливаются из алюминиевого сплава АМг4. Данный сплав имеет высокую антикоррозионную стойкость и устойчивость к механическому воздействию при низком удельном весе [3]. Для обеспечения более низкой массы и стабильной работы в более низких температурных диапазонах детали корпуса могут изготавливаться из пластиков: АБС, полиамид или полипропилен.

Как ранее было сказано, опорно-поворотное устройство состоит из двух частей: опорной и поворотной. На рисунке 4 представлена 3Д модель опорной структуры, где располагаются мотор редуктор с зубчатой передачей, плата управления и плата с датчиками температуры, давления и влажности и модуль обработки данных.

Рисунок 4. Опорная часть опорно-поворотного устройства

На рисунке 5 представлена 3Д модель опорно-поворотного устройства в сборе с антенным модулем. Сама конструкция устройства предусматривает монтаж на различные поверхности, такие как крыши, стены, опоры, столбы. Для этого предназначен специальный кронштейн, который соединяется с корпусом опорно-поворотного устройства болтовым соединением. Сам кронштейн изготавливается из нержавеющей стали 12Х18Н9Т.

Рисунок 5. Опорно-поворотное устройство в сборе с антенным модулем и кронштейном

Таким образом, было разработано двухосное опорно-поворотное устройство для радарной станции узкого диапазона с применением двух моторов редукторов и зубчатой передачи, включающей в себя плату управления, датчики температуры, модуль обработки данных. При совместном использовании ОПУ с антенным модулем, устройство может обеспечивать надежную работу обнажающих систем на любом предприятии.

Список литературы:

1. Пермяков А.В. Разработка методов повышения безопасности локальной вычислительной сети для обеспечения информационной безопасности предприятия // Наука и технологии: сб. ст. III Междунар. науч.-практ. конф. – Петрозаводск, 05 декабря 2023 года.  – Петрозаводск: Международный центр научного партнерства «Новая Наука» (ИП Ивановская И.И.), 2023. – С. 114–118.
2. Технические характеристики комбинированного одноканального оптического ВКУ FO102 // Senring Electronics [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://senring.ru/product/fo102/ (дата обращения: 10.02.2025)
3. Малыгин Ф.К., Стариков Н.Е., Гвоздев А.Е., Золотухин В.И., Сергеев Н.Н., Бреки А.Д. Материаловедение: учеб. для вузов. – Тула: Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, 2015. – 268 с.
4. Патент № 2746102 C1 Российская Федерация, МПК G06T 1/40, G01S 17/06. Система и способ защиты контролируемой зоны от беспилотных транспортных средств: № 2019136189: заявл. 12.11.2019 : опубл. 07.04.2021 / В.Е. Туров, В.Ю. Клешнин, А.О. Дорохов, А.А. Ваньков; заявитель Акционерное общество "Лаборатория Касперского".