CC BY
42Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #12(28), 2017 ЙМЙ 45
А. Л. Колесниченко II Киев-Донецк: издат. объед. 10. 10. ДБН В.2.1-10-2009 Основи та фунда-
«Вища школа», главное изд-во, 1977. - 104 с. менти будиншв i споруд. Ки!в, 2009, - 79 с.
9. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике. - М.: Наука, 1974. - 840с.
к.т.н Г.Д. Pad3ismos (В1Т1) О.Д. Фесенко (В1Т1)
АНАЛ1З СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО УПРАВЛ1ННЯ МАРШРУТОМ ПОЛЬОТОМ БЕЗП1ЛОТНИМ Л1ТАЛЬНИМ АПАРАТОМ
Анотащя. Дана стаття присвячена розгляду сучасних автоматичних систем управлшня безпiлотними л1тальними апаратами (БПЛА). У робот здiйснено аналiз складу та призначення основного обладнання i корисного навантаження БПЛА. Зокрема, звертаеться увага на основнi вимоги, як сьогодш ставляться до САУ БПЛА. Запропоновано автоматичну систему управлiння безпiлотним лггальним апаратом.
Вступ. Розвиток сучасних i перспективних технологш дозволяе сьогоднi безпшотним лтгаль-ним апаратам (БЛА) устшно виконувати функцп, як1 у минулому виконувалися iншими силами та за-собами. Результати аналiзу антитерористично! опе-рацп (АТО) на Сходi Укра!ни показують високу ефективнiсть застосування БЛА при виконанш зав-дань ведення спостереження, розвiдки, цшев-казiвки, РЕБ, коригування вогню. [1].
Безпiлотнi засоби оснащуються ультразвуко-вими сенсорами, радарними датчиками, лазерними локаторами i вщеокамерами. В даний час такi технологи оснащення безпiлотних засобiв поки не широко застосовуються в Укра!ш.
Управлiння польотом БПЛА здшснюеться ди-станцiйно з наземного пункту по радюканалу або з допомогою системи автоматичного управлшня (САУ). При використанш САУ в пам'ять бортово! системи вводиться маршрут польоту, наприклад, у виглядi координат промiжних пунктiв або координат цш. Отже, для роботи в автоматичному режим бортовi обчислювачi повиннi оснащуватися вiдповiдними алгоритмами обробки i аналiзу зобра-жень для виршення завдань стиснення вщеошфор-мацй' i пошуку об'ектiв.
Метою роботи Дослщити систему автоматичного управлшня вертикальною швидшстю безпшотним лiтальним апаратом. Запропонувати ство-рення ново! САУ з використанням методики LSDP.
Анaлiз осташх публiкацiй. Безпшотний лiтальний апарат (БПЛА або БЛА) - у загальному випадку це лтгальний апарат без ек1пажу на борту. Спектр застосування БПЛА досить широкий - авто-матичш л!гаки, вертольоти i дирижаблi здатнi вести еколопчну розввдку, монiторинг стану атмосфери, виконувати вимри температури, iонiзуючого ви-промiнювання, виробляти забори проб грунту з за-ражених територiй i т.д.
Так, в робот Chowdhary G. [2] розглянуто ви-користання адаптивно! нейронно! мереж1 для управлшня польотами iз використанням поточних даних та бази знань. Зокрема, приведет результати моделювання поведiнки системи, яш показують, що запропонований метод довгострокового нав-чання i швидка адаптацiя призводять до бiльш ви-соко! продуктивностi контролера польоту БПЛА. Недолгом тако! системи е необхiднiсть значних
витрат на попередне навчання нейронно! мережу ввдб!р даних для навчання, наявшсть модуля збере-ження даних, який не може бути реал1зований в мало бюджетнш система Система демонструе гарт результати у випадку, коли попередньо були пвдбраш даш для навчання мереж1, проте в умовах значно! невизначеносл система не гарантуе витри-мування параметр1в системи i3 заданою точшстю.
Lewis F. L. [3] представляе р!зш типи систем автоматичного керування i3 використанням адаптивного модуля системи. Анал1з завдань, яш вини-кають !з використанням нейронних регулятор1в ви-магае розв'язання задач шщ!ал!зацп вагових коефщенпв мереж1. Також окреслеш проблеми, яш виникають при навчанш нейронних мереж. Особливютю приведених систем е !х робастшсть, проте, жодна з наведених систем автоматичного управлшня не здатна !з заданою точшстю витри-мувати обраш значення параметр1в за умов неввдо-мих збурень.
Автоматична система управл1ння польотом ви-користовуе прямий адаптивний та динам1чний ш-версшний шдхвд управлшня. Результати льотних випробувань вщзначають потреби в подальших до-сл1дженнях з метою поглиблення розумшня ефек-тивност! та обмежень прямого адаптивного управлшня польотом. Також запропонована пбридна адаптивна архитектура управлшня. Пбридне адап-тивне управлшня поеднуе як прям!, так i непрям! методи адаптивного управлшня для забезпечення б1льш ефективно! стратег!! управлшня. Непряме адаптивне управл!ння вщповвдае за оновлення ди-нам!чного контролера шверси з б!льш точно! мо-дел1, який оц!нюеться за методом найменших квад-рат!в. Будь-як1 залишков! помилки пот!м будуть оброблен! нейронною мережею прямого адаптивного управлшня. Перевагою пбридного методу адаптивного управлшня е можливють оц!нити па-раметри модел1 в режим! "он-лайн" та найкращим чином адаптувати нов! параметри системи до зовн!шн!х збурень. В той же час, задача гарантова-ного витримування заданих параметр!в системи при невщомих збуреннях не розглянута.
Виклад основного матерiалу.
В даний час управлшня БЛА в основному ве-деться оператором за допомогою передач! йому ви-дово! шформацп, прийнято! на борту. Р!шення про
46 Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific JournaI)# 12(28), 2017 ЗИЛ
виявлення шуканого об'екта i наступнi ди приймае оператор. До недолЫв технологи безпосередньо! участi оператора в процеа ДУ БЛА в реальному чаа слiд вiднести: складш умови роботи, що приз-водять до пiдвищення виявлення помилок, прий-няття рiшень про подальшi до; неможливiсть ефек-тивного управлiння бiльше одного БЛА через велик! обсяги циркулюючо! шформацп, зниження продуктивное^ пошуку, виявлення, рiшення поставлено! задачi при оперативнiй змiнi умов спосте-реження, необхiднiсть вщповщно! квалiфiкацi! i до-свщу для оперативного прийняття рiшень [4].
Одним з напрямшв, що дозволяють гстотно шдвищити ефективнiсть вирiшення завдань ро-зввдки, цiлевказiвки, коригування артилерiйського вогню, оцiнки результатiв ударiв е використання системи пiдтримки прийняття рiшень (СППР) при ДУ БЛА на НПУ. В основi функцiонування СППР при ДУ БЛА лежить процедура зютавлення поточного та еталонного зображення з подальшим фор-муванням рекомендацiй оператору з управлшня БЛА з використанням:
- наявно! апрiорноl шформацп про можливi об'екти (явища, процеси) iнтересу, включае тип, к1льк1сть, !х атрибути, взаемне розташування, гео-метричнi i яскравосп характеристики, параметри двовимiрних полiв (наприклад — поля рельефу, оп-тичного контрасту тощо), що дозволяе побудувати и еталонне зображення;
- апостерiорно! шформацп про спостережува-но! в процеа польоту сцени (умови И спостере-ження, характеристики сенсорних датчиков та !х по-милках, тощо), що представляе собою поточне зоб-раження в певному спектральному дiапазонi.
Основними вимогами, яш висуваються сьогоднi до САУ БПЛА, е [3, с. 6-11]:
• низька варпсть;
• мiнiатюризацiя (мiнiмiзацiя маси та габа-ритних характеристик);
• зниження енергоспоживання;
• забезпечення автоматизованого виконання польоту БПЛА, стабшзацп кутiв орiентацi! та
слiдування заданш траектори у Bcix режимах управлшня на Bcix етапах польоту, зокрема при злеп, наборi висоти, зниженш та приземленнi;
• забезпечення можливосп операторам ди-cтанцiйно переходити вщ ручного до автоматичного режиму управлшня БПЛА (корисним наванта-женням) та навпаки;
• програма автоматизованого управлiння БПЛА протягом його польоту може змiнюватиcя персоналом наземного пункту управлшня;
• використання недорогих, комерцшно до-ступних теxнiчниx заcобiв та обладнання, а також власного (укра!нського) iнновацiйного програм-ного забезпечення;
• зб№шення обсягу пам'ятi центрально! об-числювально! системи, необxiдного для накопи-чення вимiрювально! iнформацi!;
• варiанти компоновки модулiв корисного навантаження повиннi гарантувати виконання зав-дань за призначенням у складних умовах експлуа-таци, зокрема при рiзкиx змiнаx температурних ре-жимiв; пiдвищення завадоcтiйкоcтi тощо.
В роботi розглядаеться створення САУ з використанням методики LSDP (loop-shaping design procedure): така система мае двi ступеш свободи, що додало можливють вказати динамiчну еталонну модель для формування тимчасового ввдгуку регу-льованих виxодiв. Незважаючи на значний прогрес, досягнутий в системах адаптивного управлшня, юнуюча теxнологiя управлшня польотом не е адекватною для роботи iз значними невизначеностями i невщомими вiдмовами компонентiв i аномалiями.
Розглядаеться структурна схема контролера САУ. Цей контролер е робастним, проте не вико-нуеться задача гарантованого витримування зада-них параметрiв системи при невщомих збуреннях.
В cиcтемi е два контури, яш мають наступну структуру: зовнiшнiй контур K2, призначений для контролю стабшьносп, та внутрiшнiй К1, призначений для вщстеження продуктивноcтi. Продук-тившсть визначаеться формуванням cпецiальниx сингулярних чисел моделi системи G з вагами W1 i W2 (рис. 1).
Рис. 1. Структурна схема САУLSDP
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal) #12(28), 2017 ЙМЙ 47
Доведено, що не юнуе лГвоГ частини площини усунення нульових значень сигналу мiж контролером К i моделлю G.
Це ввдбуваеться через те, що К можна записати у вигляд точного спостерiгача iз зворотшм зв'яз-ком за станом. Мiнiмiзацiя щлъовоГ' функци забез-печуе надшну стiйкiсть, крiм того таке ршення не вимагае iтерацiй [4].
Незважаючи на значний прогрес, досягнутий в системах адаптивного управлшня, iснуюча техно-логiя управлiння польотом не е адекватною для ро-боти iз значними невизначеностями i невiдомими вщмовами компонентiв i аномал1ями.
Проведений аналiз систем управл1ння показав, що дистащшне керування (ДУ) включае гiдностi шших режимiв i полягае в передачi по команднiй радюлши завдань для виконавчих механiзмiв.
Система ДУ ввдповвдае за планування польот-ного завдання, формування команд управлiння для системи автоматичного управлшня при змш маршруту польоту пiлотом-оператором, налаштування параметрiв системи автоматичного управлiння, вiдображення телеметричноГ шформаци, анал1з по-льотних даних, а також управл1ння корисним навантаженням БЛА. З боку пiлота-оператора ДУ зводиться до уточнення програми польоту на марш-руп, видачi разових команд в райош рiшення щльовоГ задачi. Завдання формування команд при ДУ носить лопко-аналггичний характер, вироб-лення единих правил визначення програми, пара-метрiв польоту в умовах невизначеносл е важкою задачею [5, с. 57].
Таким чином, оперативна гнучкють, здатнiсть в режим реального часу передавати шформацш на вище стоячГ рГвш управлшня Г своечасно на будь-якому етапi польоту отримувати необхiднi даш для Г! аиалiзу Г прийняття рiшення, що обумовлюють доцшьнють використання дистанцiйного режиму управл1ння. ДУ оператором БЛА - це складна бага-токритерiальна задача. Суперечливiсть вимог до результату прийнятих рiшень, неоднозначнiсть оцшки ситуаци, помилки у виборГ прюритепв ускладнюють процес прийняття рiшень при управ-лшш, не дозволяють ефективно обробляти шформацш г оперативно аналiзувати ГГ для прийняття обгрунтованих рiшень.
Основш завдання, як1 вирГшуються оператором при ДУ, носять лопко-аналггачний характер, вимагають обгрунтованих оперативних ршень на основГ одержуваноГ фото Г вщеошформаци та скла-даються з:
- вироблення ршення на виконання дш по по-шуку об'екттв на шдставГ результата аналГзу подш Г рГвня наявних можливостей БЛА;
- виявлення, розгазнавання Г визначення координат вибраного об'екта;
- використання принципу вибору об'екта за ступенем його важливосп Г прюритетностц
- прийому, переробки Г анал1зу достовГрносп одержуваноГ шформаци по радюканалу;
- забезпечення сталого управлшня рухом БЛА за маршрутом, на якому очГкуеться присутнють ва-кансш оператора об'екпв;
- використання техшчних можливостей борто-вих пристроГв Г систем БЛА;
- управлшня корисним навантаженням: управлшня л1шею видимосп камери; напрямами та контролю нахилу камери по осях; захоплення моментального зшмка, запам'ятовування Г створення мгтки на тлГ карти; змша масштабу; змша фокусу-вання [6].
Оператор БЛА в сучасних умовах ведення бой-ових дш виконуе навпацшш, ашл1тичш функци, здшснюе процеси розшифровки фото Г вщеошфор-маци та безпосередньо е особою, що приймае ршення.
Необхвдш злагоджеш Г продумаш ди оператора, здшснення яких можна пльки завдяки до-свщу, знанням з управлшня БЛА Г дешифрування фото Г вщео шформаци. Основш функци спрямо-ваш на забезпечення виконання типових операцш оператором, а ршення лопко-аналггачних задач, пов'язаних з вибором об'екта за ступенем ГГ важли-восп, переробкою одержуваноГ по радюканалу ш-формаци, виробленням ршення на виконання дш по пошуку об'екпв з урахуванням рГвня наявних можливостей БЛА в умовах оперативного змши умов спостереження не виршеш Г вимагають ввд оператора високоГ квалГфшаци Г штуГци, оператив-носп прийняття ршень з управлшня БЛА.
Таким чином, юнуе протирГччя мгж необ-хвдшстю своечасного вироблення достатньо обгрунтованих рекомендацш щодо управлшня БЛА в умовах невизначеносп, Г обмеженими можливо-стями за юнуючих наземних ПУ.
Отже необхщно розглянути юнуючи САУ по-льоту БПЛА
На даний час юнують наступш САУ польоту БПЛА;
- Система автоматичного управлшня вертикальною швидшстю (САУ ВШ)
- Система автоматичного управлшня висотою польоту (САУ ВП)
Так як система автоматичного управлшня висотою польоту (САУ ВП) формуеться на основГ системи автоматичного управлшня вертикальною швидкютю (САУ ВШ) тому розглянемо (САУ ВШ)
САУ ВШ необхвдна для забезпечення заданоГ вертикальноГ швидкосп при наборГ висоти польоту. Вона може бути сформована на основГ астатичнш САУ для нормального перевантаження та шформаци про вертикальну швидшсть. При цьому задане значення нормального перевантаження можна фор-мувати у вигляд1
де Нз - задане значення вертикальноГ швид-косп,
Кн - коефщент шдсилення рГзниш заданого значення вертикальноГ швидкосп Г вимряноГ.
Значення вертикальноГ швидкосп Н можна от-римати з допомогою варюметра, шершальноГ
48
Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe (East European Scientific Journal)#12(28), 2017
наюгащйно1 системи (1НС), супутникових систем Схема моделювання системи автоматичного
(GPS, Глонасс). керування вертикальною швидшстю наведена на
рис.1
Рис. 1. Схема моделювання САУВШ[7]
Таким чином, сформована САУ ВШ забезпе-чить вщсутшсть статичних помилок при постшних керуючих i збурюючих впливах, мае задане зна-чення перерегулювання 5 % та забезпечуе мiнiмальний час перехщного процесу, рiвний 15 с.
Висновки. Розробка пiдxоду щодо фор-мування рекомендацiй для своечасного прийняття обгрунтованих рiшень оператором при ди-cтанцiйному управлiннi БЛА е актуальною задачею.
Одним з напрямшв, що дозволяють ютотно шдвищить ефектившсть вирiшення завдань ро-зввдки, цшевказання, коригування артилерiйcького вогню, оцiнки результата ударiв е використання штелектуально! СППР при ДУ БЛА на НПУ, що пе-редбачае виршення приватних завдань.
Використання штелектуально! СППР при управлшш БЛА на НПУ дозволяе своечасно прий-мати обгрунтованi ршення оператором в умовах невизначеноcтi, суперечливосп вхвдно! iнформацi! про об'екти, обмежеш можливоcтi БЛА, cкладнiй завадовiй ситуацп, маневрено!, вогнево!, шфор-мацiйно! протидп з сторони наземно! цiлi, значно! кiлькоcтi параметрiв, значення багатьох з яких явно невизначеш. Знання експерпв дозволять сфор-мувати единi правила по управлшню БЛА при виршенш рiзниx цiльовиx завдань в умовах не-визначеноcтi.
Лiтература:
1. Eyes of the Army. The Army Roadmap for UAS 2010- 2035. 140 p. http://www-rucker.army.mil/usaace/uas.
2. Girish C. Adaptive Neural Network Flight Control Using both Current and Recorded Data [Electronic resource]/ C. Girish // Available at: https://smartech. gatech. edu/bitstream/han-dle/1853/35867/chowdhary_gnc_2007_51.pdf?se-quence=
3. Lewis F. L. Neural Networks in Feedback Control Systems [Electronic resource]/ F. L. Lewis // Available at: http://www.pdx.edu/
sites/www.pdx.edu.sysc/files/SySc576_Frank-LewisNNsControl.pdf.
4. HaiYang Chao, YongCan Cao, and YangQuan Chen. Autopilots for Small Unmanned Aerial Vehicles: A Survey. [Електронний ресурс] Режим доступу: http://mechatronics.- ece.usu.edu/yqchen/.
5. Salah I. AlSwailem. Application of Robust Control in Unmanned Vehicle Flight Control System Design [Electronic resource]/ I. AlSwailem Salah // Available at: https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/bit-stream/1826/136/2/ThesisMasterV2. pdf.
6. David H. Shim, H. Jin Kim, and Shankar Sastry. A Flight Control System for Aerial Robots: algorithms and experiments. [Електронний ресурс] Режим доступу: http://robotics.eecs.berkeley.edu/.
7. Артюшин Л.М., Мосов С.П. Застосування сил i заcобiв повiтряноi розвiдки наземного противника у сучасних операциях i военних конфлiктаx // ТА. - 2000. - № 24. - С. 76-80.
8. Мосов С.П. Беспилотная разведывательная авиация стран мира: история создания, опыт боевого применения, современное состояние, перспективы развития: Монография. - К.: Изд. дом. "Румб", 2008. - 160 с.
9. Управление и наведение беспилотных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под редакцией М.Н. Кра-сильщикова и Г.Г. Серебрякова. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 280 с.
10. Харченко О.В., Кулешин В.В., Коцуренко Ю.В. Класифшащя та тенденци створення без-пшотних лггальних апарапв вiйcькового призна-чення // Наука i оборона, 2005. - №1. - С. 57-60.
11. U.S. Army Field Manual Interim (FMI) 304.155- Department of the Army. - Washington, DC, April, 183 p. https://www.fas.org/irp/doddir/army/fmi3-04-155.pdf.
12. M.L. Cummings,1 S. Bruni, S. Mercier, and P.J. Mitchell. Automation Architecture for Single Operator, Multiple UAV Command and Control [Електронний ресурс] Режим доступу: http ://www. dodccrp.org/files/.
