CC BY
530
5. Родионов В.И. Гироскопические системы стабилизации и управления. Тула: Изд-во ТулГУ, 2000. 192 с.
6. Фабрикант Е.А., Журавлев Л.Д. Динамика следящего привода гироскопических стабилизаторов. М.: Машиностроение, 1984. 248 с.
V.I. Rodionov, A. A. Zaitsev, Yu.S. Kaplyuzhnikov, S.A. Volkov.
KINEMATICS OF BIAXIAL SYSTEMS STABILIZATION AND GUIDANCE ON A SWINGING BASE
Kinematics of biaxial stabilization and guidance systems with different location of axes gimbal is considered. Formulas for the angular velocity gimbals in hover mode are obtained. Bearing angles of the aiming axis on a swinging base were researched.
Key words: kinematics, stabilization, guidance, bearing angle.
Получено 3.12.12
УДК.531.383
Д.М. Малютин, канд. техн. наук, доц., проф. кафедры «Приборы управления», (4872) 35-19-59, malyutindm@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ), М.Д. Малютина, аспирант, (4872) 35-19-59 дnalyutindm@yandex■ ги (Россия, Тула, ТулГУ)
ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ МИНИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
Приведен обзор и анализ технических характеристик гироскопических систем стабилизации для мини беспилотных летательных аппаратов. Даны рекомендации по построению перспективной гироскопической системы стабилизации.
Ключевые слова: гиростабилизатор, гироскоп, мини беспилотный летательный аппарат
Гироскопические системы стабилизации (ГСС) широко применяются в информационно-измерительных и управляющих системах (ИИиУС) на летательных аппаратах (ЛА). ГСС в режиме гировертикали решают задачу построения местной вертикали на борту ЛА и используются для получения сигналов, пропорциональных угловым отклонениям подвижного объекта по двум осям. Основы построения и теория гировертикалей, как составной части ИИиУС ЛА, приведены в работах [1 - 7].
ГСС используются при решении задач воздушной разведки полезных ископаемых, при наблюдении за состоянием тепловых, газо-
вых и электрических магистральных сетей, исследовании морских течений, поиске рыбных косяков, спасении людей при катастрофах, поисковых и транспортных работах и многих других задач. ГСС применяются также на ЛА для стабилизации и управления положением фотоаппаратов, телевизионных оптических приборов, тепловизоров и других устройств [8 -10 ]. Применение ГСС позволяет сохранить потенциальные способности оптических приборов в области их разрешающей способности в условиях использования на подвижном основании.
На ЛА, решающих боевые задачи, ГСС являются неотъемлемой частью ИИиУС, обеспечивающей визирование цели и наведение на цель управляемого ЛА [11 -14].
Большинство ИИиУС строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, однако обладают значительным энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью.
В настоящее время за рубежом и в нашей стране ведутся работы по разработке беспилотных и мини беспилотных летательных аппаратов (БПЛА и МБПЛА), а также ИИиУС для них [15 -19]. Современные требования, предъявляемые к ГСС оптических приборов МБПЛА, имеют свою специфику и сводятся в основном к сочетанию противоречащих друг другу характеристик: высокого углового разрешения (обеспечиваемого как за счет применения оптических приборов соответствующего класса точности, так и за счет обеспечения высокой точности стабилизации и управления положением этих приборов в пространстве в условиях подвижного основания) и минимальной массы и габаритных размеров прибора. Кроме того, должны быть обеспечены низкое энергопотребление, практически мгновенное время готовности, низкая стоимость, способность выдерживать высокие перегрузки, высокая надежность. Выполнение этих требований представляет собой сложную и актуальную научно-техническую задачу, которая требует своего решения. Развитие микросистемной техники, в частности, появление микромеханических акселерометров (ММА) и гироскопов (ММГ) [20 - 23] позволяют
создавать на их основе системы, обладающие малыми массой и габаритами. Однако в этом случае необходима разработка специальных структурных, аппаратных и программных решений, обеспечивающих надлежащую точность системы.
Разработкой подобных систем активно занимаются такие фирмы и организации, как «Honeywell», «Space Electronic», «Precision
Navigation Inc.», «SYSTRON DONNER», «Goodrich Corporation» (США), DST CONTROL AB (Швеция), Controp (Израиль), НТЦ «Рисса», ООО «ТеКнол», «Аэрокон», ЗАО «ЭНИКС», корпорация «Иркут», ФГУП ГНПП «Электроприбор», ОАО НПО «СПЛАВ», ОАО КБ Приборостроения, ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева», МГТУ им. Баумана, МАИ, Научно-производственный конструкторский центр «Новик-XXI век» (Россия).
Проведенный анализ публикаций и технических характеристик существующих малоразмерных ГСС для МБПЛА показал [24-35]:
1. ГСС широко применяются как основа ИИиУС на ЛА и МБПЛА для выработки сигналов, пропорциональных угловым отклонениям ЛА в пространстве по углам крена и тангажа и для стабилизации и управления положением в пространстве оптической аппаратуры.
2. Масса целевой нагрузки МБПЛА мала, что накладывает существенные ограничения на массу и габариты ГСС. В связи с этим отечественные и зарубежные производители ведут работы по минимизации массогабаритных характеристик ГСС для МБПЛА. Например, компания "Новик-XXI век" применяет на борту дистанционно пилотируемого ЛА гировертикаль для определения углов крена и тангажа, а вместо управляемого гиростабилизатора (ГС) оптической аппаратуры на борту БПЛА жестко устанавливает кадровые телевизионные или инфракрасные камеры с различными полями зрения и углом наклона к траектории.
3. Существующие малогабаритные гировертикали для выработки информации о параметрах ориентации ЛА строятся на основе принципа силового ГС и не являются вполне совершенными для использования на борту МБПЛА. Эти приборы имеют значительное время готовности (до 3 мин), мощность, габариты и стоимость, необходимость использования источников питания как постоянного, так и переменного тока, а также не приспособлены для управления оптической аппаратурой. В качестве примера могут быть приведены гировертикали МГВ-4В (РФ), VG34-0803 (США). Гировертикаль МГВ-4В (рис.1) имеет массу 2т кг, габаритные размеры 112x140x150мм, погрешность выдерживания вертикали на неподвижном основании не более 18 угл. мин. Стоимость гировертикали VG34-0803 (рис.2) составляет 600 000руб.
Указанные недостатки миниатюрных гировертикалей могут быть устранены при использовании принципа индикаторной стабилизации на ММГ.
Рис.1. Гировертикаль МГВ-4В Рис.2. Гировертикаль VG34-0803
4. В настоящее время компанией DST CONTROL AB (Швеция) созданы ГСС серии «OTUS» для стабилизации и управления оптической аппаратурой. ГСС реализованы по принципу двухосного управляемого индикаторного ГС на высокоточных ММГ (рис.3) и имеют хорошие точностные характеристики.
Рис.3. ГСС «OTUS»
Например, ГСС OTUS-L170 имеет массу 1,7-2,5 кг, точность стабилизации 150 мкрад., диаметр и длину 170 х 243 мм, скорость управления 120 град./с. Однако ГСС «OTUS» чрезвычайно дорогостоящие. Их стоимость составляет 3000000 руб., что ограничивает их широкое применение, так как МБПЛА относятся к объектам повышенной аварийности. ГСС «OTUS» требуют высокого уровня технической поддержки, их закупка сопряжена с получением специального разрешения и ограничивает применение на отечественном рынке. ГСС не приспособлены для получения информации о пространственном положении МБПЛА.
5. Многие разработчики оптической аппаратуры для БПЛА («Goodrich Corporation» (США), компания «Беспилотные системы», ЗАО «ЭНИКС», компания «АЭРОКОН», компания «EYERA» (Россия)) в целях минимизации массогабаритных характеристик и стоимости системы применяют принцип «следящей системы», когда оптическая аппаратура уста-
навливается в двухосный карданов подвес, на каждой из осей которой установлены двигатель и датчик угла, а управление осуществляется по сигналам бескарданной системы ориентации.
Данные системы имеют существенный недостаток. Если в системах стабилизации оптической аппаратуры, построенной по принципу индикаторного ГС, погрешности стабилизации при колебаниях основания с частотами выше частоты среза системы с ростом частоты уменьшаются за счет инерционных свойств подвеса, то в системах стабилизации оптической аппаратуры, построенной по принципу «следящей системы», наоборот, погрешности стабилизации в окрестности и выше частоты среза увеличиваются. Следящая система в силу инерционных свойств подвеса не успевает отрабатывать колебания ЛА с упомянутыми частотами. Так, например, система «TASE 100» производства компании «Goodrich Corporation» (США) (рис.4) по отзывам эксплуатирующих организаций неудовлетворительно функционирует на МБПЛА вертолетной аэродинамической схемы в условиях высокочастотных вибраций основания. Рассмотренные ГСС также не приспособлены для получения информации о пространственном положении МБПЛА.
Рис.4. ГСС «TASE 100»
6. Разработчики систем стабилизации оптической аппаратуры БПЛА применяют различные схемы ориентации осей карданова подвеса системы стабилизации. В первом случае вращение относительно наружной рамы подвеса обеспечивает перемещение оптико-электронной системы в азимутальной плоскости, а вращение относительно внутренней рамы -перемещение оптико-электронной системы в вертикальной плоскости при начальном расположении оптической оси оптико-электронного прибора в горизонтальном положении. Во втором случае вращение относительно наружной рамы подвеса обеспечивает перемещение оптико-электронной системы по углу крена, а вращение относительно внутренней рамы - по
углу тангажа. Применение второй схемы имеет следующие преимущества. Относительное смещение наблюдаемой точки при качке основания минимально при вертикальном расположении оптической оси прибора. В ряде случаев для перекладки оптической оси в пространстве при одинаковой скорости управления во втором случае требуется меньше времени, чем в первом. Применение второй схемы позволяет решить задачу создания ГСС ИИиУС, вырабатывающей информацию о положении ЛА в пространстве по углам крена и тангажа, а также одновременно решающей задачу стабилизации и управления оптической аппаратурой в пространстве.
Следует отметить, что теоретические основы построения и особенности технической реализации миниатюрных ГСС для МБПЛА большинством разработчиков не публикуются и составляют коммерческую тайну.
Заключение
До настоящего времени стабилизация и управление оптической аппаратурой в пространстве осуществляется с помощью ГСС, а выработка параметров ориентации ЛА обеспечивается гировертикалью карданного или бескарданного типа. Актуальным решением является реализация одним прибором функции стабилизации и управления положением оптической аппаратуры и выработки информационных сигналов ориентации ЛА. [36]. Решение двух задач с помощью одного прибора приводит к уменьшению стоимости, массы и габаритов ИИиУС.
Список литературы
1. Ривкин С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании. М.: Главная редакция физико - математической литературы издательства «Наука», 1978. 320с.
2. Пельпор Д.С. Гироскопические системы. Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов: учеб. для вузов по спец. «Гироскоп. приборы и устройства».2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш.шк., 1986. 423с.
3. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: Наука, 1976. 672с.
4. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч.2. Гироскопические стабилизаторы / под. ред. Д.С. Пельпора. М.: Высш. шк., 1977.222с.
5. Малютин Д.М. Комбинированная двухосная гировертикаль /Авиакосмическое приборостроение. Москва. 2005. № 3. С. 6-10.
6. Распопов В.Я., Малютин Д.М., Иванов Ю.В. Гироскопы в системах гироскопической стабилизации // Инженерный журнал «Справочник» с приложением №7 (148). М.: Изд-во «Машиностроение» . 2009. С.52-58.
7. Репников А.В., Сачков Г.П., Черноморский А.П.. Гироскопические системы: учеб. пособие / под ред. А.В. Репникова. М.: Машинострое-
ние, 1983. 319с.
8. Бабаев А.А. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых оптических приборов. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1984.232с.
9. Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н. Есь-ков [и др.]; под общ. ред. Д.Н. Еськова, В.А.Новикова. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988. 240с.
10. Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1975., 192с.
11. Неусыпин А.К. Гироскопические приводы. М.: Машиностроение, 1978.192 с.
12. Малютин Д.М., Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Оптико-электронные гирокоординаторы цели // Материалы Всероссийской НТК «Исследования, проектирование, испытания и эксплуатация информационно-измерительных устройств военной техники, 6-8 октября 2010г. М.: Изд-во РАРН, 2010. С.115-117.
13. Малютин Д.М., Распопов В.Я., Иванов Ю.В. Однороторный гиро-привод головки самонаведения с системой подслеживания / Мир авиони-ки. Журнал Российского авиаприборостроительного альянса. 2008. №5. С.54 - 59.
14.Родионов В.И. Гироскопические системы стабилизации и управления. Тула: Тул. гос. ун-т, 2000. 192 с.
15.Телухин С.В., Малютин Д.М., Погорелов М.Г. Автопилоты /Инженерный журнал «Справочник» с Приложением №11 // Приложение №11. М.: Изд-во «Машиностроение». 2010. С. 20-24.
16. Салычев О.С. Автопилот БПЛА с инерциальной интегрированной системой - основа безопасной эксплуатации беспилотных комплексов // Материалы второго Московского международного форума и выставки.
17. Основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно - пилотируемые летательные аппараты)/ П.П. Афанасьев [и др.]; под ред. И.С. Горбунова и Ю.И. Янкевича. М.: Изд-во МАИ, 2006. 528с.
18.Ерохин Е Фетудинов Д.. Широкая номенклатура. Обзор российских беспилотников самолетного типа // UAV.RU, Беспилотная авиация. Спец. выпуск.
19.Сурков А.М. Беспилотные летательные аппараты // AeroBusiness.1998.№1. С.35-37.
20. Инерциальные модули на микросистемных датчиках. Разработка и результаты испытаний / В.Г.Пешехонов [и др.] // Материалы XV Международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С.9-15.
21.Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 399 с.
22.Распопов В.Я. Иванов Ю.В., Малютин Д.М. Инерциальные чувствительные элементы. Часть II. Акселерометры (аналитический обзор) / Мир авионики// Журнал Российского авиаприборостроительного альян-са.2008. №3. С.32 - 45.
23.Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В. Микромеханические навигационные приборы : учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2008. 204с.
24. www.zala.aero
25. www.irkut.com
2 6. Малогабаритная гировертикаль МГВ-1С. Техническое описание 6В2.564.003 ТО. Редакция 4-71.
27.Попов В.М. Авиационное приборное оборудование: пособие к лабораторным работам «Исследование характеристик малогабаритной гировертикали МГВ- I / Московский государственный технический университет гражданской авиации. Иркутск, 2007. 44с.
28. http://www.temp-avia.ru/catalog/detail/59/
29. www.aerospace.goodricli.com
30.HTTP://WWW.UAV.RU/ Александр Мачихин. OTUS - Новое поколение компактных многоканальных систем дистанционного наблюдения.
31. www, cloudcaptech. com.
32. http://www.tekno 1.ru/
33. www.systron.com
34. Чистяков H.B. Способ наблюдения объектов с дистанционно пилотируемого летательного аппарата, дистанционно пилотируемый летательный аппарат и обзорно кадровая система дистанционно пилотируемого летательного аппарата. Патент РФ. № 2279999. опубликовано 20.07.2006, бюл. №20.
35. Малютин Д.М., Малютина М.Д., Филин И.В. Индикаторный гиро-стабилизатор на микромеханических гироскопах / Инженерный журнал «Справочник» №1(166) с приложением. М. Изд-во «Машиностроение», 2011. С. 44-53.
36. Малютин Д.М., Малютина М.Д. Индикаторный гиростабилизатор. Положительное решение на выдачу патента РФ на полезную модель по заявке №2012116322 от 23.04.2012
D.M. Malyutin , M.D. Malyutin
GYROSCOPIC SYSTEMS OF STABILIZATION IN INFORMATION - MEASURING AND OPERATING SYSTEMS MINI PILOTLESS FLYING DEVICES. THE STATE-OF-THE-ART REVIEW
The review and the analysis of characteristics of gyroscopic systems of stabilization for mini pilotless flying devices is resulted}. Recommendations on construction of perspective gyroscopic system of stabilization are given.
Key words: gyroscopic systems of stabilization , gyroscope, mini pilotless flying de-
Получено 3.12.12
