CC BY
266
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 138
УДК 429.735.45.017.2
СИСТЕМА НЕЧЕТКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО
ВЕРТОЛЕТА
В.Ю. БЕРЕЖНОЙ, М.А. ЛЕЛИКОВ, В.А. ПРОЗОРОВ Статья представлена доктором технических наук, профессором Воробьевым В.В.
В работе рассмотрен вопрос возможности применения методов нечеткой логики к синтезу системы автоматического управления беспилотным вертолетом. Приводится пример построения нечеткой системы автоматической посадки на подвижное основание.
В настоящее время посадка большинства беспилотных летательных аппаратов (БЛА) осуществляется с помощью специальных посадочных технических средств (система вертикальных и горизонтальных сетей, бортовая парашютно-амортизационная система, система аэрофинишера) [1]. Применение подобных способов посадки для беспилотного вертолета либо невозможно, либо будет означать грубое приземление и, как следствие, поломку дорогостоящего оборудования. Решение данной задачи в современных вертолетных беспилотных комплексах осуществляется системой автоматического управления (САУ) "посадкой по вертолетному". Применение существующих комплексов ограничивается только выполнением посадки на неподвижные посадочные площадки. Реализация посадки на подвижные платформы, например, палубу корабля, автомобиль и т. д., требует иных подходов при проектировании программно-алгоритмического обеспечения САУ, что обусловлено наличием ряда факторов:
- неизвестность и непредсказуемость изменений рабочей обстановки;
- случайность внешних возмущающих воздействий;
- ограниченная возможность или большие ошибки измерений параметров движения подвижной платформы.
Кроме того, к вышеперечисленным факторам внешней среды добавляются неблагоприятные динамические особенности управления вертолетом (неустойчивость движения, низкие демпфирующие свойства, сильное влияние аэродинамических и кинематических перекрестных связей), а так же наличие специфических режимов полета [2, 3].
Комплексный учет данных факторов предъявляет к САУ ряд требований:
- адаптивность параметрических настроек пилотажного контура;
- компенсация наиболее значимых перекрестных связей;
- комплексирование измерений пилотажно-навигационной системы;
- комплексирование контуров управления.
На сегодняшний день наиболее распространен классический подход к синтезу САУ беспилотным вертолетом, которому присущ ряд существенных недостатков:
- сложность формализованного описания объекта и задач управления с учетом погрешностей необходимых вычислений и измерений;
- нечеткость целей функционирования и задач управления;
- нестационарность параметров объекта и системы управления (СУ);
- наличие случайных воздействий внешней среды;
- сложность сквозного расчета параметров законов управления пилотажного и траектор-ного контуров, а также логики их функционирования классическими методами синтеза.
Анализируя существующие методы синтеза САУ, можно сделать вывод, что основным путем повышения автономности и расширения диапазона тактико-технических и эксплуатационных характеристик БЛА является разработка нового поколения бортовых СУ, обеспечивающих
возможность функционирования в условиях быстротечности изменения воздушной обстановки, при наличии случайных возмущений среды и других факторов неопределенности на основе комплексного использования современных интеллектуальных технологий [4].
Одним из подходов к построению интеллектуальной СУ для беспилотного вертолета является использование теории нечетких множеств, которая как раз позволяет описывать неточные категории, представления и знания, оперировать ими и делать соответствующие заключения и выводы [5].
Для определения возможности применения аппарата нечеткой логики при разработке алгоритмического обеспечения САУ было рассмотрено выполнение автоматической посадки беспилотным вертолетом на подвижное основание. Как и для пилотируемого вертолета, выполнение посадки беспилотным вертолетом можно разделить на три основные этапа:
- выход на посадочную прямую, снижение по наклонной траектории;
- стабилизированное сопровождение, выдерживание;
- снижение и касание.
В процессе выполнения первого этапа беспилотный вертолет осуществляет выход на посадочную прямую с одновременным выполнением снижения и гашения скорости до скорости подвижного основания. Данный этап выполняется маршрутным методом, сущность которого заключается в том, что по известным координатам определяется линия заданного пути (ЛЗП), летательный аппарат (ЛА) переводится на эту линию и продолжает полет по ней. При этом управление осуществляется по одному параметру - боковому отклонению.
Следующий этап - стабилизированное сопровождение центра подвижной площадки.
Заключительный этап - этап снижения и касания. На данном этапе выполняется снижение вертолета над центром посадочной площадки и касание [3].
В качестве примера в статье представлен подход к синтезу алгоритмов нечеткого управления системы автоматической посадки беспилотного вертолета для этапа выхода на посадочную прямую. Определение взаимного положения вертолета и посадочной площадки производится на основе измерений двух спутниковых навигационных приемников, устанавливаемых на борту вертолета и посадочной площадке, методами относительной навигации. Угловое положение посадочной площадки передается по радиолинии в бортовой комплекс управления, который предназначен для обеспечения полета по маршруту, и на навигационную точку с известными координатами, возврата в заданную точку пространства, автоматической посадки, в том числе и на подвижную площадку, стабилизации курса высоты и скорости полета.
В состав бортового комплекса управления входят (рис. 1):
- бортовой вычислитель с нечетким контроллером;
- приемник ОРБ/ГЛОНАСС;
- блок чувствительных элементов;
- магнитометр;
- блок командной радиолинии;
- интерфейсный блок.
Синтез СУ беспилотного вертолета на базе методов нечеткой логики осуществляется выполнением следующих этапов:
- определение целей данной разработки, описание объекта управления, условий функционирования, определение целей и задач управления проектируемой СУ, требований к ее статическим и динамическим характеристикам;
- определение совокупности входных и выходных переменных;
- формирование модели объекта управления в виде логико-лингвистического описания взаимосвязей входных управляющих воздействий и выходных координат состояния;
- оценка работоспособности алгоритмов функционирования системы [4].
ДУАС
магнитмоетр
антенна
GPS/ГЛОНАСС
*„ „ система воздуш- бортовой вычис- блок чувствитель-
интерфеисныи ных сигналов СВС литель комплекса ных элементов
блок
БВК
рулевые машинки
НКСППД
борт.антенны
Рис. 1
Входными переменными нечеткого регулятора при решении выбранной задачи являются: линейное боковое уклонение, значение текущего курса полета. Выходное значение: отклонение тарелки автомата перекоса в поперечном канале. Границы значений входных и выходных переменных получены из условий летно-технических характеристик, а также условий безопасности полета. Для упрощения построения нечеткого регулятора примем постоянную скорость полета беспилотного вертолета 120 км/ч.
Следующий этап - выбор терм-множеств, используемых для описания входных (рис. 2, 3) и выходных параметров синтезируемой системы (рис. 4), а также построение функций принадлежности отдельных термов. На данном этапе необходимо учитывать, что размерность терм-множеств лингвистических переменных, как и форма и относительное размещение соответствующих функций принадлежности вдоль базовых осей оказывают существенное влияние на характер преобразований между входными и выходными параметрами нечеткой модели управления.
-6 -4 -2 0 2 4 6
Рис. 4
При построении функций принадлежности переменных необходимо учитывать присутствие "зон нечувствительности", которые составляют порядка 16,6 % и тем самым ограничивают рабочий интервал изменения выходной переменной (управляющего параметра).
Следующий этап - формирование лингвистической модели управления экспертом-летчиком на основании личного опыта в виде совокупности продукционных правил типа (ЕСЛИ — ТО), которые регламентируют взаимосвязи входных и выходных параметров. Подобная лингвистическая модель может быть представлена, например, следующей схемой: ЕСЛИХ1 есть А11 И... ИХт есть А1т,
ТО У1 есть В11 И... ИУп есть В1п;
ЕСЛИX1 есть Api И... ИXm есть Apm,
ТО Yi есть Bpi И... И Yn есть Bpn.
Далее необходимо определить методы нечетких вычислений. Поскольку во всех правилах в качестве логической связки применяется только нечеткая конъюнкция (операция "И"), то в качестве метода агрегирования используется операция min-конъюнкции. В качестве схемы нечеткого вывода применяется алгоритм Мамдани с методом активации MIN. Для аккумуляции заключений правил используем метод m ax - дизъюнкции, который также применяется в случае схемы нечеткого вывода Мамдани, в качестве метода дефаззификации - метод центра тяжести.
В работе для решения задачи синтеза законов управления на основе теории нечетких регуляторов используется программная система MATLAB, в составе которой имеется пакет программ по fuzzy (нечеткой) логике. Fuzzy Logic Toolbox позволяет создавать и редактировать fuzzy-СУ с нечеткой логикой, называемые в терминах программной системы MATLAB
- Fuzzy Inference System или FIS. Эти системы можно создавать, используя как графические инструменты, так и команды рабочего окна MATLAB. Спроектированная с помощью данной программной среды система нечеткого управления была использована при моделировании посадки беспилотным вертолетом. Моделирование проводилось при разных значениях y, X, Z. Результаты моделирования, представленные на рис. 5 - 8, соответствуют следующим начальным условиям: X = -1000 м, Z = -500 м, у = 90°. На рис. 8 представлены результаты моделирования выхода беспилотного вертолета на посадочную прямую с различными начальными значениями курса полета \)/ = 90°, \)/ = 45°, \)/ = 0°.
Рис. 7 Рис. 8
Таким образом, полученные результаты моделирования позволяют сделать вывод о возможности применения предложенного подхода, основанного на аппарате нечеткой логики, к синтезу бортовой системы автоматической посадки беспилотного вертолета. Полученная СУ обеспечивает функционирование беспилотного вертолета на этапе посадки при различных начальных положениях относительно посадочной площадки.
Представленные алгоритмы управления реализуются в бортовом комплексе управления беспилотным летательным аппаратом "БКУ-КУРС", разработанном в НТЦ "КУРС" г. Москва.
ЛИТЕРАТУРА
1. Петросян Э. А. Аэродинамика соосного вертолета. - М.: Полигон - Пресс, 2004.
2. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.В., Романов М.П. Искусственный интеллект и интеллектуальные системы управления. - М.: Наука, 2006.
3. Есаулов С.Ю., Бахов О.П., Дмитриев И.С. Вертолет как объект управления. - М.: Машиностроение, 1977.
4. Дьяконов О.Ф. Бортовые комплексы управления беспилотных летательных аппаратов. - М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1996.
5. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский Л. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006.
FUZZY LOGIC SYSTEM CONTROL PILOT LESS HELICOPTER
Berejnoy V.Yu., Lelikov M.A., Prozorov V.A.
In this paper considers the ability of using methods fuzzy logic in synthesis automatic control systems pilot less helicopter. Also in this paper had presented an example of construction fuzzy logic landing automatic system on movable landing ground.
Сведения об авторах
Бережной Вадим Юрьевич, 1972 г.р., окончил ВВИА им. Н.Е. Жуковского (1997), кандидат технических наук, начальник отделения - старший научный сотрудник ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 18 научных работ, область научных интересов - динамика и управление ЛА, полунатурное моделирование.
Леликов Максим Алексеевич, 1976 г.р., окончил Ставропольское ВАИУ (1999), кандидат технических наук, доцент, начальник отделения - старший научный сотрудник ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 26 научных работ, область научных интересов - динамика и управление ЛА, полунатурное моделирование.
Прозоров Владимир Александрович, 1980 г.р., окончил Сызранское ВВАУЛ (2002), адъюнкт кафедры безопасности полетов и моделирования авиационных комплексов ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 2 научных работ, область научных интересов - динамика и управление ЛА, полунатурное моделирование.
