Братанов Д.А. Исследование и построение алгоритмов
advertisement
УДК 629.7.054 На правах рукописи Братанов Дмитрий Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАЛОГАБАРИТНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МНОГОКРАТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ 05.11.03 – Приборы навигации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2010 Работа выполнена в Московском университете имени Н.Э. Баумана. государственном техническом Научный руководитель: Окоёмов Барит Николаевич доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Рахтеенко Евгений Романович доктор технических наук, профессор ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина Евстифеев Валентин Васильевич кандидат технических наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана Ведущая организация: ООО «Текнол», г. Москва Защита диссертации состоится «26» января 2011 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.19. Автореферат разослан «____» Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук 2010 г. Бурый Е.В. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Интенсивная разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА) многократного применения является характерной тенденцией развития мирового авиастроения в настоящее время и в ближайшей перспективе. К малогабаритным относят БЛА с взлетной массой m от 7 до 400 кг, способные совершать полеты на высоте H до 4600 м и на расстояния L до 500 км. Преимуществами малогабаритных БЛА являются: высокая мобильность, многофункциональность, относительная дешевизна конструкции и малая уязвимость. При этом к бортовому оборудованию таких БЛА предъявлены жесткие массогабаритные требования. Они обусловливают при проектировании пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) переход от резервирования агрегатов и систем навигации и стабилизации «по подобию» к функциональному резервированию, а также побуждают к синтезу нетрадиционных схем навигации и стабилизации. Важными задачами ПНК современного БЛА являются построение и реализация оптимальных по заданным критериям траекторий полета, а также своевременное и соответствующее внешним факторам автономное изменение этих траекторий на базе минимально сложной информационной системы. Решение таких задач и удовлетворение требований к малогабаритным БЛА должна обеспечить автоматическая пилотажно-навигационная система (АПНС). Построению ПНК и навигационных систем посвящены работы таких ученых, как академик Красовский А.А., академик Поспелов Г.С., д.т.н. Михалев И.А., д.т.н. Романенко Л.Г., д.т.н. Салычев О.С., д.т.н. Харьков В.П., к.т.н. Чикулаев М.С, Holzapfel F., Stevens B., Lewis F. и многих других. В их работах исследованы ПНК, в основном, пилотируемых самолетов или отдельные режимы работы системы управления БЛА. Решение задачи терминальной навигации – обеспечение выхода БЛА в заданную точку пространства в заданный момент времени с заданной скоростью полета – имеет большое значение для организации полетов. Работы в области терминальной навигации, для которой ICAO использует термин «4D навигация», в настоящее время проводят научно-технические центры США, Германии, Франции, Канады, что подчеркивает актуальность задачи. Применительно к малогабаритным БЛА терминальная навигация имеет ряд особенностей, связанных с высокой «чувствительностью» к возмущениям атмосферы и требуемой автономностью функционирования. В диссертации решена задача терминальной навигации на основе синтезированного алгоритма управления (АУ) автомата тяги (АТ) малогабаритного БЛА и идентификации ветровых возмущений. Цель работы и задачи исследований Целью диссертационной работы является синтез структуры и алгоритмов управления АПНС малогабаритного БЛА многократного применения, обеспечивающих реализацию траекторий полета, оптимальных по времени 1 прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, а также повышение живучести. Объектом исследования в диссертации является система «БЛА – АПНС». Предмет исследования – структура и алгоритмы АПНС. Диссертация является развитием принципов построения эффективных систем навигации БЛА; в ней сформулированы и решены следующие задачи: 1. Проведен анализ и выполнено формирование структуры АПНС, построенной на основе агрегатов структурно нерезервированных систем навигации и стабилизации с учетом функционального резервирования на основе автономного, дистанционного и комбинированного принципов навигации. 2. Обеспечена автономная навигация и стабилизация БЛА без использования информации о его угловой ориентации. 3. Обеспечена высокоточная терминальная навигация посредством интеграции сигналов датчиков первичной информации (ДПИ), приемника спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС/GPS и оптической навигационной системы. 4. Повышена живучесть БЛА при отказах элементов АПНС путем автоматической реконфигурации ее структуры на основе результатов контроля функционирования этих элементов. Научная новизна исследований 1. Разработана и исследована структура АПНС для класса малогабаритных БЛА, обеспечивающая реализацию АПНС при минимальных массе и габаритах. 2. Впервые разработаны алгоритмы терминальной навигации для малогабаритного БЛА многократного применения, реализованные в автомате тяги двигателя с винтом фиксированного шага (ВФШ) и дополненные алгоритмами идентификации крупномасштабных ветровых возмущений для обеспечения требуемой точности навигации. 3. Состоятельность разработанной структуры АПНС и алгоритмов ее функционирования подтверждена результатами численного моделирования и выполненных летных испытаний. 4. Разработаны и исследованы алгоритмы навигации и стабилизации БЛА без использования информации о его угловой ориентации, обеспечивающие повышение живучести БЛА. Практическая ценность 1. На базе серийно выпускаемых малогабаритных агрегатов систем навигации и стабилизации создан макет АПНС, в котором реализованы разработанные в диссертации структура и алгоритмы управления. 2. Подтверждена работоспособность специального программного обеспечения, реализующего алгоритм терминальной навигации БЛА на требуемые расстояния с заданной точностью с учетом идентификации крупномасштабных ветровых потоков. 3. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики ВФШ двигателя, 2 обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний с средней относительной погрешностью 10 %. 4. Разработаны АУ автомата стабилизации (АС) угловой скорости рыскания y, которые обеспечивают стабилизацию и навигацию БЛА с использованием сигналов ограниченного числа ДПИ. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний. Достоверность результатов Достоверность результатов основана на корректном применении методов теории автоматического регулирования и на сравнении результатов моделирования работы синтезированных алгоритмов АПНС с экспериментальными данными полетов малогабаритного БЛА. Реализация и внедрение результатов Результаты работы реализованы в оборудовании, установленном на летающей лаборатории малогабаритного БЛА ОАО «МНПК «Авионика»; использованы в учебных курсах кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана, что подтверждено актом о внедрении. Методы исследования Теоретические исследования базируются на использовании современных методов теории оптимального управления, методов решения обратных задач динамики, методов математического моделирования. Публикации Основные результаты работы опубликованы в двух статьях в журнале «Вопросы оборонной техники. Серия 9», входящем в перечень ВАК. Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 7 конференциях, в том числе: на второй Всероссийской научно-технической конференции «Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Современное состояние и перспективы развития» (ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Москва, 2008 г.); в 2008 – 2009 гг. на первой и второй конференциях молодых ученых и специалистов Московского отделения Академии навигации и управления движением (ФГУП «ЦНИИАГ», Москва). Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы из 77 наименований и приложений. Она изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков и 35 таблиц. Научные положения, выносимые на защиту 1. Принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме на основе интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА. 3 2. Алгоритм формирования и реализации пространственно-временной траектории полета для решения задачи терминальной навигации с учетом энергетических возможностей БЛА и внешних атмосферных возмущений. 3. Алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда информационных систем. 4. Алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации их влияния. 5. Алгоритм реконфигурации структуры АПНС для повышения живучести БЛА, основанный на реализации принципа функционального резервирования по результатам контроля функционирования ее элементов. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, направления исследований, показана практическая значимость, приведены обзор литературы по тематике и научные положения, выносимые на защиту. В первой главе проведен анализ малогабаритного БЛА многократного применения как объекта стабилизации и навигации, его задач и режимов эксплуатации. Проанализированы основные направления развития современных пилотажно-навигационных систем для БЛА рассматриваемого класса, систематизированы требования к таким системам. При выборе математической модели (ММ) движения БЛА для синтеза структуры АПНС будем полагать, что конструкция самолета является абсолютно жесткой, полет происходит при углах тангажа не равных 90°, справедлива гипотеза стационарности, массовые и инерционные характеристики объекта на рассматриваемых интервалах времени постоянны. Тогда ММ движения БЛА с использованием общепринятых обозначений имеет вид: I x x ( I y I z ) y z I xy ( y x z ) M х ; I y y ( I z I x ) z x I xy ( x y z ) M y ; I z z ( I x I y )x y I xy (x2 y2 ) M z PyP cos P ; m(Vx yVz zVy ) P cosP X a cos cos Ya sin Zа cos sin G sin ; m(V V V ) P sin X sin cos Y cos Z sin sin G cos cos ; y z x x z P a a m(Vz xVy yVx ) X a sin Z a G cos sin ; x sin ; y cos cos sin ; cos sin cos ; z а (1) xc Vx cos x xg Vy cos y xg Vz cos z xg ; y c Vx cos x yg Vy cos y yg Vz cos z yg ; zc Vx cos x z g Vy cos y z g Vz cos z z g . Для малогабаритных БЛА могут быть реализованы автономный, дистанционный и комбинированный принципы навигации и стабилизации, 4 согласно которым режимы навигации и стабилизации можно разделить по признаку участия оператора удаленного пункта навигации и управления (ПНУ) в процессе полета в соответствии со схемой на рис. 1. Выделены следующие автономные режимы, обеспечивающие автоматические формирование и реализацию сформированной траектории полета: 1. Режим терминальной навигации «4D – Маршрут». 2. Режим навигации «3D – Маршрут». 3. Режим автоматического возврата БЛА в окрестность точки старта «Возврат» (основной, резервный и аварийный). 4. Режим автоматического захода на посадку и посадки. ДИСТАНЦИОННЫЙ ПРИНЦИП НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫЙ ПРИНЦИП НАВИГАЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА Терминальная навигация БЛА 4D-МАРШРУТ (автоматический выход в заданную точку пространства в заданное время с заданной путевой скоростью) Навигация БЛА 3D-МАРШРУТ (автоматический выход в заданную точку пространства) ВОЗВРАТ БЛА (автоматический возврат БЛА в окрестность старта) ВОЗВРАТ БЛА ОСНОВНОЙ (возвращение БЛА с использованием полного вектора состояния) ВОЗВРАТ БЛА РЕЗЕРВНЫЙ (возвращение БЛА с использованием информации ограниченного количества ДПИ) ВОЗВРАТ БЛА АВАРИЙНЫЙ (возвращение БЛА с использованием оптической навигационной системы) КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРИНЦИП НАВИГАЦИИ ДИСТАНЦИОННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА Дистанционная коррекция 4D-Маршрута БЛА КОРРЕКЦИЯ 4D МАРШРУТ (автоматическая отработка обновленного 4D-маршрута по ППМ и ТВП, переданным оператором ПНУ) Дистанционная коррекция 3D-Маршрута БЛА КОРРЕКЦИЯ 3D МАРШРУТ (автоматическая отработка обновленного 3Dмаршрута по ППМ, переданным оператором ПНУ) Командный ВОЗВРАТ БЛА РЕЗЕРВНЫЙ РЕЖИМ (возвращение БЛА по команде оператора ПНУ в окрестность старта) Заход на посадку БЛА КОМАНДНЫЙ ЗАХОД НА ПОСАДКУ БЛА Посадка БЛА ДИСТАНЦИОННЫЕ ФОРМИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА Дистанционная стабилизация БЛА оператором ПНУ (пилотирование БЛА оператором ПНУ) Стабилизация БЛА по параметрам полета ОСНОВНОЙ РЕЖИМ (пилотирование БЛА по полному вектору состояния) Стабилизация БЛА по сигналам ограниченного количества ДПИ РЕЗЕРВНЫЙ РЕЖИМ (пилотирование БЛА по неполному вектору состояния) Визуальная стабилизация БЛА АВАРИЙНЫЙ РЕЖИМ (пилотирование БЛА по визуальному сопровождению) КОМАНДНАЯ ПОСАДКА БЛА Автоматический заход на посадку и посадка БЛА ЗАХОД и ПОСАДКА Рисунок 1. Структура режимов навигации и стабилизации малогабаритного БЛА многократного применения Режим терминальной навигации «4D – Маршрут» является основным режимом БЛА. Он реализует навигацию по промежуточным пунктам маршрута (ППМ) с применением методов обратных задач динамики, имеет общую с режимом навигации «3D – Маршрут» структуру стабилизации уклонения от заданной линии пути (ЗЛП). В отличие от схемы стабилизации воздушной скорости режима «3D – Маршрут» для режима «4D – Маршрут» разработан комплексный алгоритм управления тягой силовой установки, обеспечивающий стабилизацию путевой скорости полета с контролем требуемого времени прибытия (ТВП) в ППМ. Повышению живучести системы «БЛА – АПНС» способствует функционально резервированный режим «Возврат», который имеет трехуровневую структуру независимых подрежимов. В основном режиме «Возврат» АПНС обеспечивает возвращение БЛА в окрестность точки старта в соответствии с программой полета при работоспособности БИНС и приемника СНС ГЛОНАСС/GPS. В резервном режиме «Возврат» – при работоспособности ограниченного количества ДПИ АПНС (отказах БИНС и приемника СНС). В 5 аварийном режиме «Возврат» – средствами оптической навигации (корреляционно-экстремальная навигационная система или пирометрическая система). Дистанционные режимы навигации применимы при наличии радиоканала между БЛА и оператором ПНУ или в условиях прямой видимости. Аналогично резервированной структуре режима «Возврат» создана резервированная структура режима дистанционного формирования и реализации траектории полета БЛА. В основном режиме дистанционной навигации осуществляется стабилизация БЛА на основе полного вектора состояния. В резервном режиме – с использованием ограниченного количества ДПИ. Аварийным режимом является визуальное пилотирование БЛА оператором ПНУ. Комбинированные режимы навигации обеспечивают коррекцию полетного задания оператором ПНУ и дальнейшую автономную реализацию траектории. Таким образом, предложена структура режимов навигации АПНС малогабаритного БЛА, обеспечивающая реализацию траекторий полета, оптимальных по времени прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, и повышение живучести БЛА на основе использования функционально-резервированных агрегатов и систем, а также алгоритмов обеспечивающих приемлемое качество стабилизации с использованием ограниченного количества ДПИ. АПНС объединяет систему ДПИ (три акселерометра и три датчика угловой скорости (ДУС), датчики полного pП и статического pСТ воздушного давления, датчики углов атаки и скольжения, трехкомпонентный магнитометр, лазерный высотомер) и вычислитель. Предложен принцип построения АПНС, в соответствии с которым алгоритмическое обеспечение вычислителя АПНС во взаимодействии с оптической навигационной системой, приемником СНС и бортовым оборудованием реализует автономное непрерывное определение параметров ориентации и навигации БЛА, объединяет алгоритмы формирования и реализации сформированной траектории, обеспечивает реконфигурацию системы ДПИ для повышения живучести системы «БЛА – АПНС» в особых ситуациях, обеспечивает множество режимов, в том числе, режим терминальной навигации. Принципиальная схема АПНС представлена на рис. 2. 6 Автоматическая пилотажно-навигационная система Система датчиков Вычислитель автоматической первичной информации пилотажно-навигационной системы Компенсация Инерциальные Коррекция от погрешностей датчики взаимодейстсистемы Датчики системы вующих датчиков воздушных систем первичной сигналов навигации информации Датчики углов атаки и Решение задачи скольжения бесплатформенной инерциальной Магнитометр навигационной системы Лазерный высотомер Решение задач стабилизации Бортовое оборудование БЛА Взаимодействующие системы навигации Приемник спутниковых навигационных систем Бортовая оптическая корреляционноэкстремальная навигационная система Комплекс подготовки полета Аппаратура дистанционной навигации Наземные системы Рисунок 2. Принципиальная схема АПНС малогабаритного БЛА многократного применения Создание системы автоматической стабилизации (САС) и навигации для нового объекта, выполняющего, в том числе, режим терминальной навигации, требует решения следующих задач: получение и исследование аэродинамических характеристик БЛА. получение тяговой характеристики P силовой установки как функции скорости набегающего потока V, частоты вращения вала n и геометрии D винта. Традиционный подход натурных замеров таких характеристик на динамическом стенде в аэродинамической трубе сопряжен с большими финансовыми и временными затратами. В работе для сокращения сроков и стоимости разработок проанализированы и применены современные аналитические методы и средства автоматизированного проектирования: – методом дискретных вихрей проф. Гуляева В.В. (ВВИА им. Н.Е. Жуковского) по вихревой схеме БЛА рассчитаны аэродинамические характеристики планера БЛА на базе модели «Piper J3 Cub»; – тяговая характеристика электрического двигателя Aoxing Brushless Motor с тяговым ВФШ EMP 13"x8" на эксплуатационных скоростях полета получена с помощью программы PropCalc 3.0. Соответствие ММ движения БЛА, полученной аналитическим аэродинамическим расчетом, реальным полетам БЛА было подтверждено результатами проведенных летных испытаний. С этой целью было выполнено: – сравнение «свободного» движения БЛА по координате РЕАЛ, зарегистрированной в полете, с реакцией ММ БЛА по той же координате МОД на зарегистрированные в полете отклонения рулевых поверхностей ; – сравнение движения системы «САС-БЛА», зарегистрированного в полете при стабилизации по координате РЕАЛ на заданном значении ЗАД (HЗАД, 7 ЗАД, VЗАД), с реакцией ММ «САС-БЛА» по той же координате МОД на сформированное заданное значение ЗАД. Критериями соответствия ММ реальному БЛА являются оценки средних относительных погрешностей реальных и модельных данных по n контрольным временным отсчетам: РЕАЛ МОД 1 100%; РЕАЛ n n . i 1 i В табл. 1 и на рис. 3 приведены результаты сравнения переходных процессов ММ БЛА и данных из летных испытаний. Координата Рисунок 3. Сходимость летных испытаний и данных математического моделирования Таблица 1 max , , % % 21,5 11,2 Угол крена 18,6 8,3 Угол тангажа Высота полета H 5,5 3,1 Скорость полета V 13,7 9,6 Курс полета Ψ 4,1 2,0 Средняя относительная погрешность параметров движения в математическом моделировании и в полете находится в пределах 10%, что свидетельствует о соответствии ММ БЛА реальному БЛА в летных испытаниях и, в целом, об эффективности примененных методик. Вторая глава посвящена исследованию и синтезу алгоритмов терминальной навигации «4D – Маршрут», обеспечивающих вывод БЛА из начального состояния с координатами (x0, z0) в заданную точку пространства с координатами (xЦ, zЦ) с заданной путевой скоростью VпЗАД за фиксированное время tЗАД = tк – t0. Траектория полета БЛА в земной нормальной системе координат (СК) может быть априори сформирована как последовательность известных координат ППМ (рис. 4) и представлять собой совокупность кусочно-ломанных прямолинейных траекторий общей длиной LЗАД. Ввиду высокой «чувствительности» малогабаритного БЛА к ветровым возмущениям и из-за требований к автономности его функционирования при терминальной навигации необходимо учитывать влияние крупномасштабных ветровых возмущений с вектором скорости W , т.е. разработать алгоритм бортовой идентификации таких возмущений. К крупномасштабным ветровым возмущениям относят глобальные и струйные течения, в которых среднее значение скорости ветра сохраняется постоянным в пределах десятков километров. Выделены 3 этапа в разработке алгоритмов терминальной навигации. 1. Синтез алгоритма астатического автомата тяги (АТ) для стабилизации заданной скорости полета. 8 2. Синтез алгоритма идентификации крупномасштабных ветровых возмущений на основе комплексной обработки информации бортовых ДПИ. 3. Обеспечение выхода БЛА в заданную точку пространства с заданной путевой скоростью прибытия в заданное время прибытия с учетом энергетических возможностей БЛА и идентифицированных внешних возмущений. Изменение путевой скорости Vп полета системы «БЛА-АТ» определяется системой нелинейных дифференциальных уравнений: 1 1 V 2 Vп (t ) P cx S G sin ; P (t ) K (V , n)n3 АД P , T m 2 (2) где T – постоянная времени, характеризующая динамические свойства силовой установки; n, nЗАД – текущая и заданная частота вращения вала силовой установки; K (V , n) – коэффициент связи n и V с тягой P. Требуется найти управление nЗАД(t), обеспечивающее движение БЛА со скоростью полета VпЗАД(t) при минимизации функционала tк I 1 Vп (t ) VпЗАД (t ) dt 2 (3) 0 при ограничении Vп(t) – VпЗАД(t) = 0. Требования к качеству ППМ1 ППМ N -1 переходных процессов (ПП) АТ при W 1 стабилизации V пЗАД (t ) формируют с N W использованием следующих W ППМ N параметров: T и T – постоянные V n W " Ц" времени ПП по скорости и частоте вращения вала силовой установки ( Tn ≪TV ); V 10 % и n 10 % – Oo Zg максимальные перерегулирования Рисунок 4. Траектория полета БЛА в по скорости полета V и по частоте n земной нормальной СК вращения вала силовой установки. Структура АУ АТ, синтезированного структурно-параметрическим методом концепции обратных задач динамики, представляет собой математическую зависимость, вид которой зависит от описания управляемого процесса. Приведены этапы формирования заданного значения тяги PЗАД и заданной частоты вращения вала nЗАД силовой установки БЛА: PЗАД (t ) 1mV c x Sq G sin ; 0T T (4) nЗАД (t ) 1 0 mV c x Sq 1 0T n(t ), Xg 2 ППМ 2 K (V , n) Vп ; 1 1 / Т V ; 0 1 / Т n . K (V , n) где V VпЗАД На рис. 5 представлены графики ПП системы «БЛА – АТ» по стабилизации скорости полета V = 23 м/с, полученные: (а) моделированием полной нелинейной ММ «БЛА – АПНС»; (б) в результате летных испытаний специального программного обеспечения (СПО), реализующего синтезированный АУ АТ. 9 Рисунок 5а. Графики ПП моделирования системы «БЛА – АТ» Рисунок 5б. Графики ПП системы «БЛА – АТ» в летных испытаниях Приведенные графики ПП демонстрируют устойчивую работу АУ АТ с требуемым качеством стабилизации, как при математическом моделировании, так и в летных испытаниях СПО для АПНС малогабаритного БЛА. ММ траекторного движения БЛА в проекции на оси связанной СК при горизонтальном полете (x = y = z = 0) и ММ крупномасштабных ветровых возмущений Wxg, Wzg для задачи их идентификации в предположении отсутствия вертикальных порывов ветра Wyg представлена следующей системой: Vпx g nx sin ; Vпy g ny cos ; Vпz gnz ; Wxg 0 ; W zg 0 . (5) ММ измерительной системы определена совокупностью уравнений: Vпx Vпx V ; Vпz Vпz V ; V (Vï x Wxg ) 2 (Vï z Wzg )2 V , (6) пx пz где i – ошибки определения соответствующих скоростей. Задача идентификации крупномасштабных ветровых возмущений может быть сформулирована следующим образом: для объекта (5) по измерениям (6) с учетом модели датчиков аэродинамических углов и требуется оценить вектор состояния x Vпx ,Vпy ,Vпz ,Wxg ,Wzg T . Решение данной задачи может быть получено на основе одного из известных методов оценивания, например, фильтра Калмана (ФК). Тогда можно записать уравнение для оценок в непрерывной форме: xˆ (t) K (t)z (t) h(xˆ ) , (7) где K (t ) – матричный коэффициент усиления; z(t ) Vпx ,Vпy ,Vпz ,V , , – вектор измерения (знаком «*» обозначены измеряемые величины); h(xˆ ) – «прогноз» вектора измерений, полученный по известному вектору оценок. Процедура определения компонентов вектора скорости ветра в нормальной СК OXgYgZg состоит из выполнения следующих этапов. 1. Формирование показаний датчиков: Vпxj Vпxj V ; Vпyj Vпyj V ; Vпzj Vпzj V ; T пxj пyj пzj V (Vпxj Wxgj ) (Vпyj Wygj ) (Vпzj Wzgj ) V j ; j 10 2 2 2 Vпyj W yj arсsin j ; 2 2 ( V W ) ( V W ) пxj xj пyj yj Vпzj Wzj j arcsin j ; (Vпxj Wxj ) 2 (Vпyj Wyj ) 2 (Vпzj Wzj ) 2 j где V , V , V , V , , – функциональные ошибки измерения компонент вектора измерения, представляющие собой дискретные случайные процессы. 2. Формирование дисперсионной матрицы погрешностей прогноза: P j V j 1 BQ u B T , где Vj-1 – дисперсионная матрица погрешностей оценивания на (j – 1) шаге; Qu – дисперсионная матрица шума вектора управления. 3. Формирование дисперсионной матрицы погрешностей оценивания. 1 3.1. Вычисление матричного коэффициента усиления K j P j HTj H j P j HTj R , где R – диагональная дисперсионная матрица шумов измерений; H j – матрица наблюдений линеаризованной системы. 3.2. Вычисление дисперсионной матрицы погрешностей оценивания: Vj Pj K j H j Pj . 4. Формирование оценки вектора состояния: xˆ j x j K j z j h j , где x j – прогноз вектора состояния на j–ом шаге, причем: x j xˆ j 1 Г u j . 5. Вычисление модуля вектора скорости ветра W и угла направления W ветра в земной СК: W Wxg2 Wzg2 ; W arctan(Wzg Wxg ). (8) Основные параметры ФК, начальные значения матриц определены на основании теоретических исследований, приведенных в диссертационной работе. На практике представленный алгоритм реализуем, но сопряжен со значительными вычислительными процедурами оценивания. Упрощение алгоритма возможно при допущении, что система «БЛА – АПНС» выполняет полет в режиме «3D – Маршрут» или «4D – Маршрут», т.е. обеспечивается стабилизация ЗЛП, углы крена и тангажа близки к нулю. В табл. 2 приведено сравнение математических ожиданий (МО) направления W и скорости W ветра, полученных метеорологической службы аэродрома и в ходе наземных наблюдений, с результатами работы алгоритма идентификации этих параметров в летных испытаниях. Близость результатов подтвердила эффективность алгоритма. пxj пyj пzj j j j Таблица 2 Параметр W, м/с W Математические ожидания параметров вектора ветра данных метеослужбы наземных наблюдений расчетных значений 2,5 2,7 3,0 330º 320º 307º 11 При заданном времени tЗАД выхода БЛА в заданную конечную точку «Ц» (ППМN) требуемая средняя путевая скорость полета без учета времени разворотов равна: (9) VпТРЕБ (t ) LЗАД t ЗАД . Расчет временных границ прибытия tmin и tmax в заданную точку пространства с заданной скоростью при допущении, что БЛА способен выполнять P равноускоренный разгон и торможение с предельными ускорениями amax и Т amax соответственно, может быть выполнен следующим образом: Р t min LЗАД / Vпmax (Vпmax VпН ) / a max ; (10) Т t max LЗАД / Vпmin (Vпmin VпН ) / a max . Вторые слагаемые в (10) характеризуют время для выхода с начальной скорости VпН либо на максимальную Vпmax, либо на минимальную Vпmin. После идентификации параметров ветра Wi и W и при заданных ППМ известно направление ветра относительно каждого i-го участка пути – угол i i (рис. 4). Воздушная скорость V на каждом участке определятся как: V W Vп , тогда в скалярном виде для требуемых скоростей справедливо: VТРЕБ Wi VпТРЕБ , (11) где Wi W cosi – проекция вектора скорости ветра на ЗЛП i-го участка пути. Для обеспечения выхода БЛА в заданную точку пространства за заданный время tЗАД с заданной скоростью VпЗАД необходимо минимизировать функционал качества I: I = LЗАД – L – VпЗАД(tЗАД – t), (12) где L и t – текущие пройденный путь и продолжительность выполнения режима терминальной навигации. Функционал (12) представляет собой текущую разность требуемого пути и «располагаемого» пути – пути, который БЛА пролетел бы двигаясь со скоростью VпЗАД в течение времени, оставшегося до выхода в заданную точку. При пересчете в приращение частоты вращения вала силовой установки данная разность может быть записана следующим образом: nТН = KТН I. Таким образом, алгоритм терминальной навигации малогабаритного БЛА состоит из следующих операций. 1. Идентификация и коррекция параметров постоянного горизонтального ветра для каждого i-го участка полета в реальном времени: Wi , W i, i . 2. Определение требуемой средней путевой скорости VпТРЕБ по формуле (9). 3. Расчет требуемых воздушных скоростей VТРЕБ i на каждом участке полета по формуле (11). 4. Проверка осуществимости требуемых воздушных скоростей: Vmin VТРЕБ (t ) Vmax , в случае невыполнения – коррекция заданного времени tЗАД и возврат к п.2. 5. Проверка осуществимости заданной воздушной скорости: Vmin VЗАД (t ) Vmax , 12 в случае невыполнения – коррекция VпЗАД и возврат к п.2. 6. Определение заданной частоты вращения по формулам (4) и (12): 0T T * n ЗАД (t ) 1 0 m(VпЗАД Vп ) c x SV 2 1 0T n(t ) K ТН I K (V , n) 2 K (V , n) 7. Ограничение заданной частоты вращения ВФШ силовой установки: nmin nЗАД nmax . Vп 1 s LЗАД tЗАД t VпЗАД K ТН × вых nЗАД nЗАД 1 2T nmax nmin K V , n 45о 2Tcx S 2 K V , n n вх ЗАД 1 1T 1 Ts 1 K (V , n) R Vп 1 ms × cx S 2 × Wi 1 БЛА Рисунок 6. Структурная схема системы «БЛА – АТ» в режиме терминальной навигации Работоспособность синтезированных алгоритмов терминальной навигации подтверждена результатами математического моделирования (рис. 7) и летных испытаний. 13 Рисунок 7. Графики ПП системы «БЛА – АПНС» в режиме терминальной навигации по выходу БЛА к точке с удалением LЗАД = 2000 м за tЗАД = 90 с путевой скоростью прибытия VпЗАД = 20 м/с В третье главе выполнен синтез алгоритмов АПНС для повышения живучести системы «БЛА – АПНС». Разработаны АУ АС с координатой управления угловой скоростью рыскания y, которые обеспечивают стабилизацию и навигацию БЛА с использованием сигналов ограниченного количества ДПИ. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний. Исследованы три метода контроля уЗАД, не допускающего превышения задаваемого максимального значения угла крена ЗАД max : методы на основе упрощенных и полных уравнений бокового движения БЛА и метод, изложенный в Пат. 2042170 РФ. В рассмотренных трех случаях относительные погрешности оценки углов крена при моделировании полной ММ системы «БЛА – АПНС» по выходу на угловую скорость yЗАД = 10°/с не превышают 7 % (соответственно: 7 % , 5 % , 4 % ), что дает основания использовать простейший метод на основе упрощенных уравнений бокового движения БЛА. В работе выполнен учет влияния погрешностей измерений у на точность стабилизации. Проведен синтез и сравнение работы трех различных АУ АС угловой скоростью рыскания y. На рис. 8 приведена структурная схема системы «БЛА – АС угловой скорости рыскания y» с АУ, обеспечивающим наилучшее качество стабилизации: Э K инт (13) ( y yЗАД )dt K ( y yЗАД ) K y ; 1 2 3 Э Э y 14 y Э y δ где: K интω Э y b1T Ж 2ξ Ж 2ξ Ж (b1T Ж 2ξ Ж ) 1 δЭ ; K ωδЭy ; K дω ; TЖ , ξ: Ж – 3 2 y b3b4T Ж b3b4T Ж b3b4T Ж2 желаемые параметры ПП; b1, b3, b4 – коэффициенты линейной ММ БЛА. Э K инт Y s YЗАД YЗАД b3 s b1 K YЭ X Y b 7 s b 4 s K дЭY 1 Рисунок 8. Структурная схема системы «БЛА – АС угловой скорости рыскания y» с АУ (13) Алгоритм выполнения программного разворота без информации об ориентации БЛА по разовой команде (РК) на включение резервного режима «Возврат» состоит из операций: 1. Расчет максимально допустимой угловой скорости рыскания ymax, исходя из ограничения по углу кренаЗАДmax: ymax = – ЗАДmax g/V. 2. Интегрирование показаний ДУС y с целью получения оценочного значения угла азимута: A y dt . 3. Вычисление заданной угловой скорости разворота yЗАД K (ПС A) , где: ПС DIR GPS – курсовой угол на позицию старта; DIR – направление на позицию старта, относительно направления на север; GPS – угол курса. 4. Ограничение ymax в пределах от – ymax до ymax. 5. Отработка yЗАД АС угловой скорости рыскания y с АУ (13). Структурная схема резервного режима «Возврат» представлена на рис.9. Y ЗАД max GPS g 57,3 V ± У ЗАД max РК Возврат ПС DIR Y 1 s Y K YЗАД * YЗАД А Рисунок 9. Структурная схема АУ резервного режима «Возврат» Анализ ПП по моделированию АУ резервного режима «Возврат» формированием и отработкой разворота на угол ПС = 120°, и следование окрестность позиции старта (рис. 10) подтверждает выполнение требований режиму «Возврат» и обеспечение резервного способа стабилизации с в к и 15 навигации, повышающего живучесть системы «БЛА – АПНС». Рисунок 10. Графики ПП системы «БЛА-АПНС» в режиме «Возврат» (разворот на 120° по азимуту с ограничением y, исходя из max = 15°) Кроме этого, преимуществом АС угловой скорости рыскания y является обеспечение меньшей величины бокового уклонения max от ЗЛП при действии бокового ветра (меньше на 50 %, чем в полете с АС крена и на 9 % – с АС курса). Разработанный АУ АС угловой скоростью рыскания y способен обеспечивать самолетовождение БЛА с использованием сигналов ограниченного количества ДПИ. Так, для работоспособности резервного режима «Возврат» и безаварийного самолетовождения БЛА необходимы только семи ДПИ: x, y, z, ay, pСТ, pП, n. Моделирование и летные испытания доказывают, что достаточно использовать сигналы только четырех ДПИ: y, ay, pСТ, pП (при допустимой потере качества стабилизации). В работе приведен анализ контролируемых отказов макета АПНС. С использованием подхода функционального резервирования разработан алгоритм переключения режимов АПНС и реконфигурации системы ДПИ. В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе. В приложениях приведены технические характеристики макета АПНС и БЛА, на которых были исследованы разработанные алгоритмы, методика и результаты аппроксимации тяговой характеристики силовой установки, а также результаты идентификации параметров ветра в летных испытаниях. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Предложен принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме, основанный на интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА. 16 2. Разработаны алгоритмы формирования и реализации пространственновременной траектории полета БЛА для решения задачи терминальной навигации – автоматического выхода в заданное время прибытия и с заданной путевой скоростью прибытия в заданную точку пространства. 3. Синтезированы алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда информационных систем, характеризуемый малыми отклонениями от заданной линии пути при атмосферных возмущениях. 4. Для повышения точности работы автомата тяги и АС угловой скорости рыскания разработаны и испытаны алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации этих возмущений. 5. В целях повышения живучести системы «БЛА – АПНС» при возникновении нештатных ситуаций, связанных с отказом ряда ДПИ, разработан алгоритм реконфигурации системы ДПИ для обеспечения возврата БЛА. 6. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики силовой установки с ВФШ, обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний со средней относительной погрешностью 10 %. 7. Устойчивая работоспособность синтезированных и реализованных в СПО алгоритмов макета АПНС, созданного на базе серийно выпускаемых агрегатов и систем, подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний малогабаритного БЛА в различных метеоусловиях (выполнено 34 полета). ОСНОВНЫЕ ТРУДЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Братанов Д.А. Исследования и испытания алгоритмов автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата // Вопросы оборонной техники. Сер. 9 - специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. 2010. Вып. 3(244) – 4(245). С. 116 – 126. 2. Построение автоматической навигационной системы для малогабаритного беспилотного летательного аппарата / Д.А. Братанов [и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 9 - специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. 2009. Вып. 1(236) – 2(237). С. 10 – 16. 3. Братанов Д.А., Кулабухов В.С. Функции “электронного штурмана” в автоматической навигационной системе БЛА // Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Современное состояние и перспективы развития: Тез. докл. второй ВНТК. Москва, 2009. С. 322. 4. Братанов Д.А., Кулабухов В.С. Алгоритм локально-оптимального прогнозирующего управления в задачах автоматической навигации и ориентации летательных аппаратов // Актуальные проблемы российской космонавтики: Сборник материалов XXXII академических чтений по космонавтике. М., 2008. С. 335-336. 5. Братанов Д.А. Оптимизация управления беспилотного летательного аппарата // Студенческая наука: Сборник тезисов первой московской 17 межвузовской научно-практической конф. Москва, 2006. С. 204-205. 18