Cистемы управления беспилотными летательными

Работа представляет собой краткий обзор состояния дел в области
разработки систем управления беспилотными летательными аппаратами
вертолетного типа. Изложены базовые принципы построения ситемы
управления на базе поведенческих реакций и архитектуры системы
управления группой летательных аппаратов “Поле датчиков-Суперузел”.
CИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ
ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА
Анисимов А.Л., Астапкович А.М. (ASK Lab , ГУАП, Санкт-Петербург)
Елисеенко А.Г., Суханов И.О. (“НПО Симметрон”, Санкт-Петербург)
Введение
Разработка комплексов разведки и целеуказания на основе беспилотных
летательных аппаратов проводиться в настоящее время фактически всеми
индустриально развитыми странами мира.
В свое время военное ведомство США затратило около 10 млрд.
долларов на развитие данного направления. При выработке концепции
военных применений беспилотных летательных аппаратов были куплены все
коммерчески поставляемые образцы и проведены их испытания c целью
выработки требовний и концепции развития направления дистанционнопилотируемых аппаратов военного применения..Некоторое представление о
выработанной концепции и предъявляемых требованиях к дистанционнопилотируемым аппаратам (ДПЛА) дает таблица В.1. Характеристики ряда
существующих ДПЛА приведены в таблице В.2.
Можно констатировать тот факт, что в настоящее время интенсивно
развивается новая система вооружений, которая в кругах специалистов
получила название разведывательно-ударный комплекса. Современный
разведывательно-ударный комплекс – это система, объединяющая в себя
средства разведки, наведения, управления, средства огневого поражения и
предназначенная для обнаружения и уничтожения наиболее важных
одиночных и групповых подвижных объектов противника в глубине
расположения его войск независимо от метеорологических условий и времени
суток. Место ДПЛА в структуре разведывательно-ударного комплекса
отражает рис.В.1.
C другой стороны аналогичные аппараты начинают применение для
широкого круга гражданских применений. В качестве примера можно
привести беспилотный вертолет CL-227 “Santinel” канадской фирмы
“Canadian Air”,
который явился первым многоцелевым беспилотным
летательным аппаратом вертолетного типа, используемый в гражданском
секторе: контроль и диспетчеризация на дорогах, контроль состояния и
охрана лесов и нерестилищ, ледовая разведка и т.п.
Можно также указать на перспективность применения подобного рода
систем для экологического мониторинга потенциально опасных объектов с
целью предупреждения возможных техногенных катостроф.
Настоящий доклад посвящен обзору базовых тенденций в развитии
систем управления современных дистанционно пилотируемых аппаратов у
уклоном в сторону аппаратов вертолетного типа.
Таблица В.1.
Классификация министерства обороны США беспилотных летательных
аппаратов военного применения
Характеристики
Назначение
Базирование
Радиус
действия
Продолжитель
ность полета
Время
доведения
разведданных
Состав
аппаратуры
Система
управления
Классы беспилотных летательных аппаратов
Малой
Средней
Большой
дальности
дальности
продолжительност
и полета
Видовая
Видовая
Видовая и
Радио и
круглосуточная
круглосуточная
метеорологическ радиотехническая
разведка,
разведка,
ая разведка
разведка,
целеуказание,
целеуказание,
целеуказание,
корректировка
корректировка
ретрансляция
огня, постановка огня, постановка
связи.
активных помех
активных помех,
Метео,
ретрансляция
радиационная,
связи.
химическая и
Метео,
биологическая
радиационная,
разведка
химическая и
биологическая
разведка
Наземное,
Наземное,
Наземное,
Наземное,
морское
морское
морское
морское
До 80 км
До 200 км
До 700 км
Более 300
Ближнего
Действия
1- 6 ч
8-12 ч
До 2 ч
Свыше 24 ч
Менее 1 мин
От 1 мин до 3 ч
Не более 1 мин
Телевизионная ,
тепловизионная
станции,
постановщик
радиоплмех
Телевизионная ,
тепловизионная
станции,
постановщик
радиопомех,
метеоаппаратура
, приборы
радиационного
контроля,
химической и
биологической
разведки
От 1 мин до
нескольких
часов
Телевизионная ,
тепловизионная
станции,
аппаратура
метеоразведки
Дистанционная
радиокомандная
Дистанционная
радиокомандная
Дистанционная
радиокомандная,
автономная
Телевизионная ,
тепловизионная
станции, средства
радиоразведки и
постановщики
радиопомех,
метеоаппаратура,
приборы
радиационного
контроля,
химической и
биологической
разведки
Дистанционная
радиокомандная,
автономная
Наземное
оборудование
Пользователь
Мобильное
(в том числе и
носимое)
Батальон,
бригада
Мобильное
Дивизия, корпус
инерциальная
Мобильное
инерциальная
Мобильное
Управления
тактической
авиацией на ТВД
Управления
вооруженными
силами на ТВД
Таблица В. 2.
Тактико-технические характеристики беспилотных
летательных аппаратов
Масса
( кг )
Нагрузка
(кг)
EX-drown
Pointer
D-340
SKYYEA
IMPACT
MODEL 350
CONDOR
AMBER-4
FENICS
REIVER 200
CL-289
19
3.4
270
310
570
820
3400
900
160
60
220
BREVEL
MIRAGE -26
Аппарат
5
До 0.5
34
100
70
130
680
45-56
15
20
Макс.
Скор.
(Км/ч)
160
70
296
220
220
970
370
320
130
170
750
Потолок
(м)
300
150
7600
6000
5800
13500
20500
12600
*
3000
3000
Длит.
полета
(ч)
3
1
5
10
12
2.5
60
38.5
6
4
0.5
Крыло/
фюзеляш
(м)
2.5/1.3
2.7/1.2
3.25/3.68
6.0/3.6
8.9/6.75
3.1/4.9
61/20
19/9.5
5.0/4.0
3.6/2.6
1.3/ 5
150
-
250
1500
3.5
150
25
180
1 500
4
3.8/3.6
6.1 (винт)/
2.5 (высота)
1.6(винт)/
1 (высота)
2.8(винт)/
1.6(высота)
Страна
США
США
США
США
США
США
США
США
Англия
Англия
ФРГКанадаФранция
ФРГФранция
Италия
Вертолеты
1060
270
*
4000
2
SPRAIT
40
6
130
1500
2.5
CL-227
190
31
130
3 000
4
DJOMOS
ФРГ
Англия
Канада
.
Подсистема
рараразведки
Навигационная
Система
Самолета
(вертолета )
разведки
Управление
полетом
Каналы
связи
Средства
Воздушной
разведки
Борт БПЛА
Средства
поражения
Управление
Системами
Сбора
разведанных
Командный
пункт
Наземный
пункт
Подсистема управления
оружием
Противник
Поле боя
Рис. В.1 Структура современного разведывательно-ударного комплекса
1. КОМПЛЕКС PIONEER
Рассмотрим более детально РУК морского базирования, опыт опытной
эксплуатации которого имеет ВМС США. При этом будем фокусировать
основное внимание на системе управления этого комплекса.
Разведывательный комплекс морского базирования на основе ДПЛА
Pioneer, был разработанн фирмой AAI ( Балтимор, США). Параметры
используемого ДПЛА приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
.
Характеристики ДПЛА Pioneer
Схема аппарата
двубалочная
Расположение двигателя
толкающий винт
Мощность двигателя
26 л.с.
Размах крыльев/длина фюзеляжа
5.2/ 4.3 м
Максимальная высота полета
4 500 м
Крейсерская скорость
185 км/ч
Максимальная длительность полета
5ч
Взлетная масса
190 кг
Полезная нагрузка
45кг
Корабельный разведывательный комплекс на основе ДПЛА Pioneer
базирующийся на авианосце ‘Айова’ и включает в себя :

5-8 летательных аппаратов Pioneer, оборудованных
аппаратурой выполнения полетного задания;
 систему счисления пути и глобальной спутниковой навигации
 система запуска и возвращения ДПЛА
 корабельную станцию управления GCS-2000
 переносную станцию управления
 систему управления и слежения
Корабельная станция GSC-2000 представляет собой комплекс
командования и управления, связанный с летательным аппаратом основной
линией передачи данных, работающих в диапозоне С (3.9-6.2 ГГц) и
резервной линией УВЧ.
Полетом управляет летчик-командир ДПЛА, а бортовой нагрузкой,
корабельными видеомониторами и потоками видеоинформации управляет
оператор оборудования. Команда корабля при помощи замкнутой системы
управления может вести наблюдение за стрельбой, что обеспечивает точную
корректировку огня корабельной артиллерии.
В зависимости от характера полетного задания PIONEER оснащается
телевизионной камерой MOKED-200 или ИК-систеиой переднего обзора
MOKED-400, которые устанавливаются в стабилизированном карданном
подвесе и могут непрерывно поворачиваться на угол 360 градусов
(горизонтальная плоскость) и +5
/ - 88 градусов по вертикали.
Видеоизображение в реальном масштабе времени и данные целеуказания
могут передаваться на корабельную или дистанционную станции управления
непрерывно или по командам с пульта оператора управления полетом.
Маршрут полета можно программировать непосредственно перед стартом,
перепрограммировать во время полета или управлять аппаратом
дистанционно.
Для ДПЛА морского базирования
чрезвычайно сложную
техническую задачу представляют взлет и посадка аппарата, так как она
должна осуществляться на двужущийся объект.




В состав бортового комплекса управления входят:
cистема управления двигателем вращения несущих винтов, включая
датчик скорости вращения, регулятор подачи топлива, датчик количества
топлива в баке, температура двигателя ;
cистема электропитания, включая электрооборудование двигателя,
стабилизированные источники питания бортовой электронной
аппаратуры, система контроля и обслуживания батарей питания ;
бесплатформенная система навигации на оптоволоконных гироскопах со
спутниковой коррекцией имеющая в своем составе баровысотомер и/или
радиовысотомер;
приемо-передающая связная радиостанция, обеспечивающая управление
БПЛА во всех режимах работы
Корабельная система управления включает в себя:
 пульт управления стартом и полетом БПЛА
 выносной пульт управления для обеспечения режима посадки с
визуальным контролем
 система предстартовой подготовки БПЛА и ввода полетного задания
 антенно-приемопередающий
комплекс
радиолиний
связи
и
сопровождения БПЛА
 штатное место оператора управления полетом
Корабельная система обработки информации
обеспечивает сбор,
обработку, отождествление и отображение информации, поступающей от
радиоэлектроных средств разведки, расположенных на нескольких (до 4
БПЛА) .
В конфигурации наземного базирования
комплекс PIONEER
представляет собой высокомобильную систему, в которой наземная станция
управления смонтирована на перевозимых грузовых платформах.
К настоящему времени опыт использования комплекса насчитывает
тысячи часов налета при выполнении конкретных заданий при наблюдении
за движением нефтеналивных танкеров в районе Персидского залива на
большом удалении от базового корабля. Комплекс использовался при
поддержки испытаний, а также отработке конфигурации РУК в сочетании
крылатой ракеты Tomahawk.
3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ГРУППОЙ
НЕГОМОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
3.1 Описание структуры эксперимента
Комплексы на основе ДПЛА представляют собой многокомпонентную
группу разнородных (негомогенных) объектов со сложным характером
информационного обмена по каналам управления полетом, операторскому
каналу, а также при взаимодействии автономных элементов системы между
собой.
Ряд новаторских идей был проверен в рамках исследовательского проекта
AVATAR
(Airial Vehicle Autonomous Tracking Reconnaisance). Работа
выполняется университетской группой исследователей во главе с James F.
Montgometry (университет Южной Калифорнии).
Объект исследований представлял собой группу роботов в составе
автономного вертолета (модель вертолета Bergen Industrial RC), 2 –x
наземных мобильных робота (Real World Interface Pioneer robots). Отметим,
что вертолет обладает автономной системой управления, а также может
управляеться оператором полета с помощью высокоуровневых команд.
Наземные роботы автономны.
К настоящему времени продемонстрированы следующие возможности
комплекса истемы AVATAR:
 многоуровневого распределения задач между оператором
полета, роботом-вертолетом и одним наземным мобильным
роботом в группе при решении задачи патрулирования в
предписанной зоне;
 роботизированная
группа
обеспечивает
трансляцию
видеоизображения с места появления тревоги одновременно
обеспечивая патрулирование охраняемой зоны; Охраняемая
зона описывается опорными точками (координатами GPS);
 автоматического перераспределения задач внутри группы
роботов при появлении сигнала тревоги на периметре
охраняемой зоны;
 длительность патрулирования составляет 0.5 часа и
определяется емкостью бака с горючим, а фактически типом
выбранного вертолета.
Cистема управления комплекса AVATAR в его нынешней
конфигурации включает в себя систему управления автономного вертолета,
системы управления автономных мобильных роботов, центральный пульт
управления и пульт оператора. Описание элементов системы приведено в
таблицах 3.1 и 3.2.
В качестве системного программного обеспечения была использована
операционная система реального времени QNX (расширяемая до POSIX).
Низкоуровневое прикладное программное обеспечение было написано на
языке С/C++.
Центральный пульт управления реализован на лап-топ Toshiba Tecta
510CDT ( Pentium 133 Mгц/144 Мбайт RAM/ 4.3 Гбайт HDD ) с
операционной сиcтемой QNX. Компьютер работал в составе беспроводной
2.4 ГГц сети Ethernet. Пользовательский интерфейс работал из-под QNX и
разрабатывался c помощью Phab GUI.
Один из наболее впечатляющих экспериментов, выполненных с
помощью этого комплекса заключался в патрулировании охраняемого
периметра вертолетом AVATAR, в качестве одного из элементов полезной
нагрузки имеющего на своем борту наземны мобильный робот, снабженный
системой командного управления и передачи видеоизображения на пульт
оператора полета.
В соответствии с легендой эксперимента после
обнаружения злоумышленника , последний попытался уйти с поля зрения
видеосистемы комплекса, спрятавшись под автомобиль. Автоматический
вертолет примземлившисьнедалеко от убежища злоумышленника высадил
Таблица 3.1.
Аппаратное обеспечение системы управления автономным
вертолетом AVTAR
Вертолет
Радиоуправляемая модель вертолета с двухметровым винтом.
Обеспечивающим работу с 10 килограммами полезной нагрузки.
Двигатель вертолета двух цилиндровый газовый мощностью 4
л.с. Умеет пять каналов управления : два циклических угла
поворота лопастей, угол поворота хвостового ротора, суммарный
угол поворота главного ротора, газ двигателя
Каналы
Радиоканал системы управления оператором полета на частоте 72
управления
Мгц. Система управления 5 канальная
В режимах
автоматического управления на входы каналов управления
подаются сигналы с бортового компьютера.
Система
Система GPS/INS, обеспечивающая измерение:
ориентации в
Координат вертолета: широту, долготу, высоту;
пространстве
Скоростей и ускорений: горизонтальной и вертикальной;
Углов положения и угловых ускорений.
Система ориентации работающая с 12 спутниками обеспечивает
точность определения координат порядка 20 см.
Бортовой
Построен на базе нескольких стандартных плат PС104 и одной
компьютер
специально разработанной платы в стандарте PC104. Главный
,процессор 486DX4CPU, 133 MГц, 16 Мбайт RAM, 40 Мбайт
электронный диск.
Используется операционная система
реального времени. Платы обеспечивают работу с таймером,
датчиками числа оборотов ротора и сонаром.+
Каналы связи для Специально разработанная плата в стандарте PC104 обеспечивает
системы
переключение с ручного режима управления в автоматическийц
управления
режим и наоборот. 2.4 ГГц беспроводной Ethernet в стандарте
PCMCIA, обеспечивает 2.0 Мбитный коммуникационный канал
для связи вертолета с оператором, центральным пультом
упправления и подвижными роботами.
Полезная
Цветная внизсмотрящая камера и
1.3 Ггц
нагрузка
коммуникационный канал полезной нагрузки
Система
питания
Питание бортовой электроники осуществляется от NiMn и Li-Ion
батарей. Li-Ion 2* 4 Амп.час обеспечивают 50 Вт для системы
питания PC104, вырабатыающей +5 В и 12 В для бортовой
электроники.GPS/INS питается от 3.5 Амп.ч NiMH батарей через
DC/DC конвертор, обеспечивающий 24 В.
Таблица 3.2.
Аппаратное обеспечение мобильных роботов Pioneer
Шасси
Четырехколесное с электрическим приводом. Колеса с каждой
стороны механически связаны, и повороты осуществляются за
счет разных скоростей вращения каждой пары колес.
Управление скоростями вращения колес осуществляется через
Каналы
систему управления.
управления
Имеется компас и гироскоп. Подключается через плату АЦП.
Система
Система спутниковой ориентации NovaTel, подключаемая к
ориентации в
бортовому компьютеру через последовательныц порт.
пространстве
Шесть ультразвуковых датчиков,
под управлением
микропроцессора Motorola 6811.
Используется стандарт PС104. Главный процессор 486DX4
Бортовой
CPU, 133 MГц, 4 Мбайт RAM, 40 Мбайт электронный диск.
компьютер
Платы расширения обеспечивают работу с
гироскопом и
сонарной системой.
Каналы
связи 2.4 ГГц беспроводной Ethernet в стандарте PCMCIA,
для
системы обеспечиваtn 2.0 Мбитный коммуникационный канал для связи с
другими членами группы роботов.
управления
Полезная
нагрузка
Система
питания
Цветная внизсмотрящая камера и
2.3 ГГц
коммуникационный канал полезной нагрузки для
передчи изображения на центральный пульт
управления.
Питание бортовой электроники осуществляется от Li-Ion батарей.
(2 аккумулятора
10.8В* 4 амп.ч. ). Питание двигателей
осуществляется от свинцовых аккумуляторов.
“десант ” в виде автономного робота, который, перемещаясь по земле,
подобрался на расстояние вытянутой руку к злоумышленнику, обе6спечивая
передачу цветного видеоизображения на пульт управления.оператора. После
того как злоумышленник покинул свое убежише автономный наземный
робот вновь
погрузился на вертолет и комплекс получил возможность
дальнейшего отслеживания перемещений злоумышленника
3.2 Система управления автономным вертолетом
на основе поведенческих реакций
Трудности, с котрыми сталкиваются разработчики систем управления
применительно к дистанционно-пилотируемым аппаратам вертолетного типа
общеизвестны [ 1],[2].
Бурный прогресс в области микропроцессорной
техники последнего десятилетия открыл реальные возможности для примения
систем поколения нового поколения, накопленных в рамках развития методов
искусственного интеллекта.
Наиболее впечатляющих результатов в этом направлении добилась
группа исследователей из Южно-Калифорнийского университета. В силу
этого представляется небезинтересным проследить путь, пройденный этой
группой.
Работа по созданию вертолета автомата были начаты
Montgomery в 1992 с создаания вертолета-робота AFV (Autonomous Flying
Vehicle), предназначенного для участия в открытом первенстве США по
автономным вертолетам. Через два года, в 1994 году накопленный опыт был
воплощен в следующем роботе AVATAR-1 (Autonomous Vehicle Aeral
Tracking And Retrieval), который в свою очередь в 1997 г передал эстафету
следующему вертолету-роботу AVATAR-2 (Autonomous Vehicle Aeral
Tracking And Reconnaissance).
Последний проект финансировался министерством обороны, что
существенно
увеличило
финансовые
возможности
этой
группы
исследователей. Однако, почти наверняка, это приведет к тому, что вновь
получаемые результаты будут закрыты от открытого рапространения.
Сравнительные характеристики вертолетов-роботов, разработанных и
ислледованных этой группой приведены в таблице 3.3, а их внешний вид
приведен на рис. 3.1.
Для преодоления
трудностей, связанных при применении
классической теории управления группой Montgomery была использована
система управления на основе поведенческих реакций с использованием
нейронных сетей.
Идея использования многоуровневой системы управления, которая и
получила в дальнейшем название системы управления на основе
поведенческих реакций, принадлежит Бруксу. Основопологающая работа
для этого направления была опубликована еще в 1986 году [3]. Далее эти идеи
были развитв в работе [4], а также в кандидатской диссертации Montgomery,
до недавнего времени доступной в Internet.
Архитектура системы управления на основе поведенчеких реакций
(Behavior-Based Architecture) подразумевает представление структуры
управляющего алгоритма многоканальной системы управления в виде
совокупности относительно простых и по возможности минимально
связанных друг с другом вычислительных модулей, которые назаваются
поведенческими реакциями (behavior). Каждая поведенческая реакция
ответственна за решение конкретной управленческой задачи. В соответствии
с рускоязычной теринологией наиболее близкий перевод для понятия
поведенческая реакция представляет понятие “контур управления”.
Архитектура
системы
управления
AVATAR
с
использованием
поведенческих реакций приведен на рис.3.2.
Архитектура системы управления такого рода
фактически
представляет собой описание структуры информационных связей между
разными контурами управления, определяется на этапе проектирования и
является жестко фиксированной. При таком подходе, общая задача
управления разбивается на ряд модулей (поведенческих реакций). Каждая
реакция отвечает
за
конкретную
задачу управления. Эти эадачи
выполняются параллельно и имеют своей целью обеспечение выполнение
задачи,
поставленной
перед
роботом. Поведенческие реакции
структурируются
введением
многоуровневой
системы.
Уровни
классифицируются скоростями выполнения поведенческих реакций.
В соответствии с таким построением системы разные поведенческие
реакции могут использовать показания с одних и тех же датчиков и,
соответственно, возмущения, которые представляют собой разницу между
поставленной для поведенческой реакции целью и реальным состоянием
объекта управления, отрабатываются параллельно по каждому из каналов.
Текущее состояние объекта управления оценивается по показаниям датчиков,
которые могут использоваться поведенческими реакциями разных уровней.
Цели для поведенческих реакций представляют способы описания требуемых
траекторий системы в пространствет состояний.
На высшем уровне решаются долгосрочные задачи, стоящие перед
роботом: cледование заданной траектории, обеспечение требуемой
ориентации в прстанстве при следовании по заданной траектории и т.п. Эти
задачи формулируются на основе команд, поступающих с центрального
пункта управления или оператора полета, а также на основе показаний
датчиков (текущее состояние вертолета).
Средний уровень системы управления обеспечивает необходимые
“модули” для выполнения высокоуровневых команд, которые представляют
собой выполнение ряда “элементарных” маневров, выпоняемых вертолетом:
переход на новую требуемую высоту, обеспечение
требуемой
пространственной ориентации вертолета и т.п.
Таблица 3.3
Характеристики автономных вертолетов на разных этапах
проекта AVATAR
Этап

Модель


Топливо
Полезная
Нагрузка
Архитектура



Частота
Арифметика
ОСРВ
Высоты
Направления
Положения
Скорости
Двигателя
Видеообраз
AFV
Kyosho
Concept 60
метанол
5 кг
AVATAR-1
Вертолет
AVATAR-2
TSK
Blackstar
метанол
Bergen
Twin
бензин
7.5 кг
10 кг
Бортовой компьютер
Моторолла
Моторолла
68332
68332
16 Mгц
16 Mгц
фикс. точ.
фикс. точ.
BURTE
BURTE
Датчики
ультразвуультразвуковой
ковой
компас
компас
число обор. число обор.
ч.-б. камера ч-б камера
PC/104
133 Мгц
плав. точкой
QNX
ультразвуковой
и GPS/INS
GPS/INS
GPS/INS
GPS/INS
число обор.
цв.камера
Системы связи
Командная
Телеметрия
Видеоканал
радио, анал. радио, анал.
радио ethernet
радио, анал. радио, анал.
радио ethernet
аналлоговый
Бортовая система питания
Аккумуляторное
60 Вт NiMH 60 Вт NiMH
125 Вт NiMN
Качественные оценки системы авторами проекта
Автономность


от оператора
от внешней
сист. управл.
Живучесть
Способности
к обучению
Высокая
Высокая
Высокая
Низкая
Низкая
Нет
Низкая
Низкая
Нет
Высокая
Низкая
Низкая
ЦЕЛЬ
Высокоуровневое
реакции
Поведенческая
реакция
Поведенческая
реакция
ЦЕЛЬ
Среднеуровневая
реакции
ЦЕЛЬ
Поведенческая
реакция
ЦЕЛЬ
Низкокоуровневое
реакции
Поведенческая
реакция
Датчики
Исполнительные
механизмы
S1
A1
Поведенческая
реакция
S2
Поведенческая
реакция
S3
A2
A3
A4
Рис. 3.2
Пример архитектуры системы
управления на основе поведенческих реакций
На нижнем уровне управления
главным приоритетом является
обеспечение выживания робота. На этом уровне обеспечивается выполнение
очень быстрых реакций на внешние воздействия для удержания вертолета в
режиме зависания. В режиме зависания система управления обеспечивает
наличие постоянного направления и положения над землей.
За выдачу команд исполнительным механизмам системы управления
ответственны низкоуровневые поведенческие реакции. Низкоуровневые
поведенческие реакции ответственны за контуры управления, требующие
“быстрых” реакций, которые и назваются уровнем рефлексов , так как этот
контур управления отвечает за стабилизацю вертолета в физическом
пространстве, и от скорости реакций на возникающие внешние возмущения
действительно зависит судьба вертолета. После ряда экспериментов этот
уровень поведенческих реакций был реализован на основе сложной
гибридной структуры: контроллера с нечеткой логикой в сочетании с
нейронной сетью, как это показано на рис. 3.3.
Данные с
датчиков
Контроллер на основе
нечеткой логики
Контроллер на основе
нейронной сети с
обученияем на основе
общей регрессионной
модели
Сигнал
управления
Рис. 3.3
Структура поведенческой реакции нижнего уровня
Применение контроллера с нечеткой логикой было обусловлено
рядом причин. Главные из них обусловлены тем, что применение описания с
использованием эксперной системы с нечеткими переменными обеспечивает
целый ряд преимуществ по сравнению с методами использующими
классические модели теории управлений. Отработка принципов построения
системы управления с использованием классических принципов велась на
двух предшественниках робота AVATAR, на которых уровень рефлексов
реализовывался на простых PD регуляторах (измерение –отработка
ошибки). Система оказалась недостаточно надежной.
Немаловажным обстоятельством явился и тот факт, что описание
модели управления с использованием лингвистических переменных
оказывается для пилота–эксперта прозрачным с точки зрения полноты
описаний и корректности использованных численных значений, получаемых
в результате обучения системы.
Для выбора численных параметров описания нечетких переменных в
процессе обучения системы был использован аппарат нейронных сетей и
технология “обучение через показ ”, предложенная Монтгомери [4].
К
настоящему времени
продемонстрирована
возможность
полностью автономного полета вертолета на протяжении 5-10 минут, во
время которых робот обеспечивал движение по заданной траектории полета
(высота, положениена плоскости и ориентация). Для отработки систему
управления широко использовались изначально заложенные в систему
управления
возможности
переключения
режимов
работы
(ручной/автоматический), а также возможности разделения задач между
операторам и роботом.
Например, робот управляет поворотом
в
пространстве, а оператор контролирует оставшиеся параметры.
Фактически, полученные группой Montgomery результаты позволяют
утверждать, что в принципе задача создания системы управления
автономным вертолетом с использованием систем управления на основе
нечеткой логики к настоящему времени успешно решена.
4. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА ТОПОЛОГИИ СИСТЕМЫ
РАДИОКОМАНДНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Любая практически значимая система на основе
ДПЛА
представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из
разнородных объектов работоспособность которой невозможна без
организации устойчивого информационного обмена с использованием
радиоканала.
Фактически, речь должна идти об использовании многоканальных
цифровых радиомодемах, обеспечивающих дистанционное управление
4-8 подвижными объектами в реальном масштабе времени Характерные
времена доставки сообщений оцениваются на уровне 0.1 - 1 сек в
условиях сильно зашумленных каналов передачи, что характерно для
промышленных и военных применений.
Приведенные выше данные позволяют провести концептуальную
оценку архитектуры системы радиокомандного управления для
выработки требования к протоколам обмена. Наиболее близкая
архитектура, позволяющая обеспечить предъявляемые требования к сети,
архитектура SFSN “Поле датчиков - Суперузел” [5], которая была
расширена до уровня, получившего название SFSN-2 [6].
Архитетура системы показана на рис. 4.1. В соответствии с
концепцией “Поле датчиков -Суперузел” ("Sensor Field-SuperNode") в
каждый конкретный момент времени сеть представляет собой
совокупность переменного числа фрагментов, связанных между собой
информационными каналами Фрагмент сети будем в дальнейшем
называть суперузлом. Фрагмент состоит из автономных "датчиков" и
"контроллеров". Каждый из датчиков может передавать информацию
на любой из контроллеров фрагмента. Датчики, входящие в фрагмент,
образуют таким образом "поле датчиков" и фактичеcки каждый из них
является принадлежностью всех контроллеров фрагмента, которые в
этом случае выступают как некое многокомпонентное устройство,
получившее название "cуперузел".
Такого рода архитектура в свое время [5] была предложена для
обеспечения повышенной надежности и в силу множественности связей
типа "датчик-контроллер" подразумевает использование беспроводных
каналов связи. В свое время для отработки структуры протоколов
информационного обмена был разработан и испытан фроагиент такого
рода сети с использованием инфокрасного канала управления.
Взяв за основу реально действующий комплекс PIONEER в
суперузел представляется целесообразным ввести в фрагмент еще один
объект, который отождествляется с пультом ручного управления
оператора полета, что и приводит к концепции архитектуры SFSN-2 .
Применительно к задаче управления автоматическими вертолетами
предлагаемая выше классификация объектов имеет следующее
конкретное наполнение. Суперузел, представляет собой множество
подвижных объектов, состоящее из трех подмножеств :
OPERATOR(оператор)
(количество элементов от 0 до – 8 ) ;
MASTER (пункт управления) (количество элементов от 0 до – 32 ) ;
FLIGHT (борт)
( количество элементов от 0 до – 32 ) ;
Подмножество FLIGHT для каждого суперузла формируется из
автоматических
вертолетов,
управляемых корабельными пунктами
управления. В идеале хотелеось бы иметь возможность
дублирования
корабельных пунктов управления с возможностью передачи управления
конкретным вертолетом с одного корабельного пункта на другой.
Корабельные пункты управления образуют подмножество MASTER.
При этом имеется ввиду, что на одном корабле могут быть несколько
устройств, входящих в подмножество MASTER, с целью обеспечения
возможности дублирования. Кроме этого несколько относительно недалеко
расположенных кораблей могут конфликтовать из-за доступа к одному и тому
же каналу и в силу этого конфигурация суперузла будет более сложной: в нее
будут входить дублированные узлы управления нескольких кораблей, с
которых одновременно пилотируются по несколько вертолетов.
В реальной практике может возникнуть необходимость вмешательства
оператора полета в случае аварийных ситуаций либо с корабельными
пунктами управления, либо с каким-либо автоматическим вертолетом. Кроме
этого, проведение операций технической подготовки вертолетов также
подразумевает использование автономных пультов Оператор полета должен
пользоваться носимым пультом управления, сигналы управления с которого в
случае отработки экстремальных ситуаций
должны иметь наивысший
приоритет. Это подмножество имеет групповое название OPERATOR.
СУ ПЕРУЗЕЛ
СУ ПЕРУЗЕЛ
FLIGHT
MASTER
MASTER
FLIGHT
MASTER
MASTER
СУ ПЕРУЗЕЛ
СУ ПЕРУЗЕЛ
FLIGHT
FLIGHT
OPERATOR
OPERATOR
MASTER
MASTER
Рис. 4.1
СТРУКТУРА В ЕРХНЕГO УРОВ НЯ S FSN-2
При разработке протоколов обмена прменительно к дпла вертолетного типа
следует принимать во внимание следующие обстоятельства.
Первоначальные требования к структуре информационного обмена отражены
в таблице 4.1.
Система
изначально
ориентирована
на
управление
статически
неустойчивыми объектами с характерными временами развития нестабильности
порядка долей секунды и требует уделить особое внимание обеспечения
надежности соединения как в нормальных условиях эксплуатации, так и при
режимах с нарушением нормальных условий. При этом следует учитывать
возможность появления причин как естественного характера (отказы элементов,
атмосферные помехи и т.п), так и искусственного характера ( работа связных
радиостанций, хулиганство в эфире, противодействие злоумышденников и т.п.).
В связи со сложной структурой сети и решаемых ее задач становится
нетривиальным выбор структуры физического уровня, если оперировать в
терминах классической 7-уровневой модели взаимосвязи открытых систем
OSI. В целом, приходиться констатировать тот факт, что для такого рода
систем требуется приступить к разработке более сложных моделей
взаимодействия
открытых
систем,
существенно
использующих
множественность каналов доставки сообщенний между абонентами сети.
Таблица 4.1.
Структура информационного обмена SFSN-2
OPERATOR
Opeator – Master
(OM) обмен
Разделение канала
управления между
несколькими
операторами полета
Передача
управления
конкретного борта
OPERATOR
с МASTERа на пульт
управления и
наоборот
Master –Operetor
(MO) обмен
Master – Master
(MM) обмен
В сочетании с режимом
обеспечивает
передачу
управления
конкретного борта под
управление оператора.
При
переключении
управления
на
OPERATOR
передача
информации о текущем
состоянии борта.
Передача информации о
общей
конфигурации
суперузлов.
Прописка в суперузле
Инициализации
системы управления
при изменении ее
конфигурации в
нормальных или
аварийных условиях
эксплуатации.
MASTER
OM
FLIGHT
MASTER
Оperator-Оperator
(OO) обмен
Flight- Operator
(FO) обмен
Режимы технического
обслуживания. При
наличии переносных
пультов нового
поколения в этом
режиме возможна
передача
телеметрической
информации с борта.
Поддержание
безконфликтности
обмена в канале
Прописка в суперузле
новых MASTERов.
Flight – Master
(FM) обмен
Основной режим работы.
Используется в
сочетании с FM
обменом. Передача
телеметрической
Информации с борта
Вертолета на
командный (ые)
пункты.Прописка в
суперузле.
FLIGHT
Оperator – Flight
(OF) обмен
Режим автономного
управления,
Режимы
технического
обслуживания.
Master - Flight
(MF)обмен
Базовый режим
работы.
Используется в
сочетании с FM
обменом.для
передачи команд
управления с
командного пункта
на борт и обратно.
Прописка в суперузле
Flight - Flight
(FF) обмен
С ложный режим
использования при
групповых автономных
полетах и организации
составных каналов
передачи информации
для увеличения
дальности передачи
информации
5. КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОДАННЫХ
Сами по себе автономные вертолеты имеют смысл при условии,
что обеспечивают получение необходимой
информации на пульт
оператора полета. Отметим, что как следует из таблицы В.1 видовая
разведка входит в набор необходимых функций ДПЛА всех типов и
представляет собой наиболее ценную информацию. В силу этого от
параметров реализации канала передачи данных во многом зависят
перспективы конкретных вариантов использования ДПЛА для решения
тех или иных практических задач.
С дрцгой стороны можно констатировать, что в настоящее время
бурными темпами идет переход к технологии цифрового телевещания, а
также к широкому использованию видеоинформации для самых
+разнообразных приложений. В принципе, при достаточной скорости
обмена представляется возможным передача многих данных в канале
радиоуправления, хотя по целому ряду причин это не является
желательным. Данный раздел посвящен современным технологиям,
пригодным для использования при разработке каналов передачи
видеоданных.
Некоторое
представление
о
характерных
параметрах
информационных потоков дает таблица 5.1.
Способ представления видеоданных PAL, также входящий в
стандарт CCIR 601, использует передачу 25 кадров в секунду с 576
горизонтальными линиями. Каждая горизонтальная линия представляется
720 пикселами (Y), плюс 360 пикселов( R-Y), плюс 360 пикселов (B-Y) ,
что дает 1440 байт на линию.
Для этого способа представления видеоинформации приведем
некоторые данные, получаемые способом аналогичным приведенному в
таблице 5.1. Для представления одного «экрана» требуется 1.186 Мбайт,
что с учетом 25 кадров в секунду требует обеспечивать информационный
трафик 29.663 Мбайта/сек.
Приведенные выше оценки характеризуют собой требования,
предъявляемые к каналам связи, используемым для цифрового
видеовещания, скоростям внутренних шин компьютера и ряду других
системных параметров, зависящих от областей конкретного применения.
Если обсуждать перспективы создания цифровых систем хранения
видеоданных, то из этих данных следует, что емкость дискового
пространства в 1ГБайт
обеспечивает хранение 34.521 секунды
полноформатного цветного изображения. Из этого в свою очередь
следует, что современный 37 Гбайтный дисковод вмещает около 21
минуты вещания в этом стандарте.
Сколь–нибудь серьезная система, претендующая на практическую
ценность должна обеспечивать непрерывную запись хотя бы в течение 24
часов, что приводит к необходимости обеспечить коэффициент сжатия
информации не менее 40. Понятно, что чем больше этот коэффициент,
тем лучше, однако, цифру 100-200 будем принимать как нижнюю границу
для практически важных применений. Эта оценка получаются из
необходимости обеспечить хранение данных с нескольких бортовых
камер на протяжении в течение нескольких часов.
Таблица 5.1
Стандарт CCIR 601 (NTSC , несжатые видеоданные)
Разрешение
720*486*29.97 FPS (кадров в секунду)
Представление
8 бит на элемент представляемых данных
данных
Представление
4:2:2 (на каждые два горизонтально расположенные
пиксела
пиксела 2 Y : 1 Cr : 1 Cb)
Количество
29.97
кадров в секунду
Оценка информационных потоков
Яркость (Y)
Цветность R
(Cr)
Цветность B
(Cb)
Сумма
Трафик
CCIR601 (NTSC)
720*486*29.97 FPS = 10 486 102.4 байт в секунду
360*486*29.97 FPS = 5 243 551.2 байт в секунду
* 8 бит на байт = 41 948 409. 6 бит в секунду
360*486*29.97 FPS = 5 243 551.2 байт в секунду
* 8 бит на байт = 41 948 409. 6 бит в секунду
20 974 204.8 байт в секунду = 167 793 638.4 бит в секунду
Приблизительно 20 Мбайт/сек или 160.02 Мбит/сек.
Наиболее перспективным методом сжатия видеоинформации на сегодня
является техника основаная на вейвлет преобразованиях, которая бурно входить
в реальную практику в связи с широким использованием современных Web
камер для разнообразных Internet базированных применений.
Более детальную информацию о затронутых математических аспектах и
конкретных деталях используемых алгоритмов заинтересованный читатель
найдет в [7], [8], [9], [10] и цитированной там литературе.
Получение практически значимых коэффициентов сжатия требует
достаточно больших вычислительных затрат. Так как борьба идет за возможность
работы с видеосигналом в реальном масштабе времени, то, в конечном счете, все
упирается в целый ряд системных ограничений, связанных с ограниченной
пропускной способностью каналов передачи информации, скоростью шины
компьютера, быстродействием процессора и т.п. Для того чтобы получить
представление о возможных потребляемых ресурсах укажем, что выполнение
вейвлет-преобразования
изображения
512*512
с
использованием
биортогональных 9/7 фильтров на компьютере P-166 занимает примерно 0.4
секунды. Несмотря на все возрастающую мощь современных персональных
компьютеров обработка 25-30 кадров цветного видеоизображения в секунду в
настоящее время чисто «софтовым» способом является трудно реализуемой
задачей, особенно если учесть необходимость обработки информации с
нескольких видеокамер. При этом следует обратить внимание, что применительно
к широкому кругу применений, речь идет о мобильных пультах оператора и
пилота.
В силу этого развитие этого направления пошло по пути разработки
специализированных микросхем, реализующих соответствующие алгоритмы
сжатия аппаратно. Представление о доступной элементной базе, реализующей
компрессию информации посредством вейвлет-преобразования, приведены в
таблице 5.2. Все микросхемы являются однокристальными и относительно
дешевыми устройствами, обеспечивающими коэффициент сжатия от 4 (идеальное
восстановление) до нескольких тысяч. Для примера укажем, что коэффициент
сжатия 350 обеспечивает приемлемое качество восстановления изображения.
Особенности алгоритмов сжатия, реализованных в этих микросхемах,
подробнее рассмотрим на примере чипа ADV601.
Алгоритм сжатия ADV601 использует представление видеоданных в виде
цветного видеосигнала (Y, Ca, Cb). Все компоненты цветного видеосигнала
независимо друг от друга подвергаются двумерной фильтрации и децимации в
два раза на каждом шаге разложения (всего получается 42 новых изображения –
по 14 для каждой компоненты). Эти составляющие изображения передаются в
режиме без потерь при использовании энтропийных кодеров длин серий или
Хаффмана, которые обеспечивают коэффициенты сжатия 2-5.
В режиме с потерями изображение предварительно обрабатывается с
использованием модели зрения человека и с учетом доступной скорости
передачи данных по используемым в конкретном приложении каналам передачи
данных. В этом случае схема ADV601 обеспечивает коэффициенты сжатия до
350.
Микросхемы ADV611-ADV612 обеспечивает возможность сжатия
информации в несколько тысяч раз за счет использования более сложных
алгоритмов, обеспечивающих детальную передачу лишь части кадра с
возможностью управления
размерами этой зоны. При этом качество
передаваемой видеоинформации для невыделенного фрагмента кадра остается
достаточным для решения задач распознавания образов. В силу лвумерности
изоборажения имеет квадратичный характер зависимости объемов передаваемой
информации от линейного размера выделенной области качественного
изображения. Некторое представление о качестве видеоинформации переданной
с использованием вейвлет технологий сжатия дает рисунок 5.1 . Этот снимок
получен с помощью Internet камеры, входящей в платформу
Vtrix
(Tekseed,США), которая разработана в кооперации с инженерами ASK Lab
(ГУАП,Санкт-Петербург) в 2000 г. Кроме камеры этого в платфому входит
сетевой телевизор с “хардверным ” разжатием. Опытные образцы вейвлет
камеры и телевизора были реализованы на микросхемах ADV611.
Таким образом, из вышесказанного следует, что в настоящее время
имеется перспективная элементная база для реализации бортовых систем
видеонаблюдения, обеспечивающая широкие возможности по оптимизации
использования выделенного диапозона частот. Однако, такая
оптимизация
подразумевает наличие канала управления полезной нагрузкой, который на
данном уровне развития систем управления ДПЛА представляется
целесообразным совместить с радиоканалом командного управления. Такой
подход позволяет уяснить структуру перейти кадров информационного обмена
для ряда типов информациолнных обменов таблицы 4.2.
В целом же этот вопрос требует отдельного и детального обсуждения.
Таблица 5. 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИДЕОКОДЕКОВ ADV6XX (Analog Devices)
Микросхема
ADV601 ADV601L ADV611
ADV612
C
Разряднось
Работа через
RS порт
Количество
ножек
Темпратурный
Диапазон
Регулирование
частоты
кадров
Режим стопкадра
Возможность
выделения
Части кадра
Области
применения
Оценочная
Плата
10 (бит)
Есть
8 (бит)
Нет
8 (бит)
Нет
8 (бит)
Нет
160
120
120
120
0-+70 С
0-+70 С
0-+70 С
-25-+85 С
Програм.
Аппарат.
Аппарат.
Аппарат.
Нет
Нет
Есть
Есть
Нет
Нет
Есть
Есть
Проф.
аппаратура
Video Lab
Бытовая
nехника
Video Pipe
Кабельное
телевидение
CCTVPIPE
Кабельное
Телевидение
CCTVPIPE
Заключение
Разработка современных разведывательных комплексов на основе ДПЛА
вертолетного служит генератором ряда прикладных задач, решение которых
зачастую носит прорывный характер.
Из-за понятных ограничений по объему работы был затронут лишь ряд
ключевых моментов важных для выбора направлений развития систем
управления ДПЛА.
В целом работа ориентирована на молодых ученых и инженеров с целью
их привлечения к этой крайне актуальному и бурно развивающемуся
направлению авиционной науки и техники.
Литература
1.У.Джонсон Теория вертолета т.1.2, М.Мир, 1983, с 1021
2.М.А.Тищенко,А.В.Некрасов,А.С.Радин Вертолеты,Машиностроение,
1976,с.366
3. Brooks R.A. (1986) “A robust layered control system for amobile robot” IEEE Journal
Robotics and Automation 2(1), 14-23 .
4. Montgomery J.F.,Bekey G.A. Learning helicopter control through “teaching by
showing”. IEEE Conference on decision and Control, 1998
5. А.М. Astapkovitch, S.A. Krutikov
"Sensor field-Supernode " Arhitecture for personal area networks (PAN)
Proceedings of ICS-NET 97, Moscow-St-Petersburg 1997
6. Анисимов А.Л., Астапкович А.М., Елисеенко А.Г., Суханов И.О.
Системы управления ДПЛА. Четвертая сесия аспирантов и студентов ГУАП
7. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования.
И-во Военного Университета Связи, Санкт-Петербург, 1999 г., с.208
8. И. Дебоши ( под редакцией Петухова). Десять лекций по вейвлетам, МоскваИжевск,2001б с.404.
9. Cтатья BYTE
10. Cтатья Антона и Юры в аспирантской сессии.