CC BY
251
УДК 680.511.4
В.И. Бабичев, д-р техн. наук, гл. конструктор направления ОАО «КБ Приборостроения» (4872) 353835 [email protected] (Россия, Тула, ОАО «Кб Приборостроения»),
B.С. Фимушкин, к-т техн. наук, нач. отдела №8 ОАО «КБ Приборостроения» (4872) 353835 [email protected] (ОАО Россия, Тула, ОАО «КБ Приборостроения»),
О.В. Горячев, д-р техн. наук, зав. каф. (4872) 353835 sau. ivts@rambler. ru (Россия, Тула, ТулГУ),
C.В. Феофилов, д-р техн. наук (4872) 353835 (Россия, Тула, ТулГУ), А.И. Неклюдов, асп., 8(906)537-00-35, deputat v [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТУРЫ НАВЕДЕНИЯ, ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ В СОСТАВЕ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Рассматривается актуальная задача проектирования систем стабилизации и наведения в составе БЛА при различных внешних возмущениях и входных сигналах. Определяется входной сигнал приводов наведения в режиме поиска цели.
Ключевые слова: беспилотный авиационный комплекс, беспилотный летательный аппарат, наведение, стабилизация, системы координат, дискретизация, кинематическая схема.
Введение. Современные требования к дальности действия комплексов высокоточного оружия предъявляют повышенные требования к средствам разведки и целеуказания, в соответствии с которыми распознавание цели и целеуказание должны осуществляться в глубине войск противника, а традиционные методы целеуказания разведчиками-операторами могут оказаться неприемлемыми в силу высокого риска их уничтожения.
Перспективным направлением решения указанных задач является применение дистанционно пилотируемых летательных аппаратов, так как они обеспечивают разведку целей и их распознавание, выбор приоритетной цели и определение ее координат в большой зоне действия противника как по дальности, так и по фронту без опасности поражения личного состава разведывательных подразделений.
В связи с тем, что при разработке беспилотных летательных аппаратов (БЛА) используется богатый задел, накопленный современной авиационной наукой и техникой, основной упор, сегодня должен быть сделан на разработку моделей и методов проектирования беспилотных комплексов и их эффективного применения для решения многообразных задач.
Основные принципы создания и применения беспилотных авиационных комплексов. Беспилотным авиационным комплексом (БАК) будем называть эргодическую (человеко-машинную) систему, включающую в себя БЛА, технические средства их старта, системы управления, передачи и обработки информации, технического обслуживания и персонал. Вся
эта система во взаимодействии обеспечивает применение и эксплуатацию БАК. Типовой состав БАК приведен на рис. 1.
БЛА, входящие в состав БАК и оснащенные соответствующей целевой нагрузкой, определяют его специализацию. Стартовые и посадочные средства могут включать в свой состав транспортно-заряжающие машины, пусковые установки, а также аппаратуру и оборудование для пред- и послеполетного контроля БЛА и обеспечения их посадки. Эта часть БАК обслуживается техническими расчетами, входящими в состав персонала комплекса.
Рис. 1. Типовой состав БАК
Пункты управления (ПУ) БАК, объединяющие в себе аппаратуру и оборудование для разработки программ полетов БЛА, полетного контроля их технического состояния, радиокомандного управления выполнением полетных заданий, а также для сбора, обработки и передачи бортовой информации, функционируют с помощью расчетов управления БАК, включающих в себя командира расчета и операторов соответствующих специализаций.
Обеспечивающие средства БАК предназначены для подготовки БЛА к полету, обслуживания БЛА после полета, проведения текущих регламентных и ремонтных работ, а также для хранения средств комплекса. Эта группа средств обслуживается персоналом, входящим в состав технических расчетов БАК.
Управление комплексом при решении задач, поставленных вышестоящей организацией, осуществляется персоналом командного состава БАК.
Задачи полезной нагрузки БЛА в составе комплекса ВТО. Далее будем рассматривать применение дистанционно пилотируемых ЛА для задач наведения и целеуказания с последующим поражением объектов при помощи управляемых снарядов. В этом случае целевая нагрузка БЛА
должна обеспечивать решение следующих задач: поиск, обнаружение, распознавание и целеуказание различных наземных (надводных) объектов, контроль земной поверхности. Эти задачи решаются оптико - электронной аппаратурой.
Таким образом, полезная нагрузка БЛА должна иметь телевизионный и тепловизионный оптические каналы, а также лазерный излучатель для подсвета целей.
Для обеспечения точности наведения и получения четкого изображения прибор наблюдения и целеуказания (ПНЦ) должен располагаться на стабилизированной платформе. Стабилизированная платформа (СП) аппаратуры наблюдения, целеуказания и стабилизации должна решать следующие задачи:
1) стабилизировать оптическую ось прибора наблюдения и целеуказания (ПНЦ) в пространстве в заданном направлении с требуемой точностью в автономном режиме в условиях действия угловых и вибрационных возмущений;
2) наводить оптическую ось ПНЦ на цель по сигналам телевизионного автомата в автоматическом режиме по азимуту и углу места;
3) наводить оптическую ось ПНЦ на цель по сигналам ТВА в полуавтоматическом режиме по командам оператора с машины управления через бортовой приемо-передатчик (БПП).
4) наводить оптическую ось ПНЦ на цель по сигналам ТВА в режиме управления по программе, транслируемой с ПтУ через бортовой приемопередатчик (БПП).
Далее рассмотрим пример применения БЛА с ПНЦ в составе БАК.
Преобразование систем координат. Основной проблемой при моделировании системы наведения и стабилизации в целом является решение задачи, связанной с подвижностью основания. БЛА в своем движении неизбежно совершает различные маневры, кроме того, на него действуют внешние возмущения, например порывы ветра. Это приводит к постоянному изменению углового положения БЛА в пространстве. При этом полезная нагрузка в течение всего времени ее работы должна быть стабилизирована относительно поверхности Земли.
В рамках статьи рассматривается БЛА в трехмерном пространстве, поэтому необходимо определить координаты БЛА, для этого рассмотрим преобразование координат из земной ХУ7 в связанную систему Х2У272 (рис. 2, а). Данные системы координат являются ортогональными, поэтому переход из системы координат А в систему координат В характеризуется ортогональным преобразованием
а(В) = Т (В, Л)а(Л).
Найдем искомую матрицу:
cos 3 cos щ sin 3 - cos 3 sin щ
T(1, g) = - cos y sin 3 cos щ + sin y sin щ cos y cos 3 cos y sin 3 sin щ + sin y cos щ sin y sin 3 cos щ + cos y sin щ - sin y cos 3 - sin щ sin 3 sin y + cos щ cos y Следующая задача связана с тем, что стабилизированная платформа имеет две степени свободы относительно летательного аппарата, определяемые вращением внешней X1Y1Z1 и внутренней X3Y3Z3 рамок (рис. 2, б). Таким образом, необходимо рассмотреть еще две системы координат, связанные соответственно с внешней и внутренней рамками.
а б
Рис. 2. Поворот систем координат: а - преобразование координат из земной в связанную систему, б - система подвеса ПНЦ
Переход от связанной системы координат к системе координат внешней рамки определяется поворотом на угол Р и от внешней рамки к внутренней рамке углом а (рис. 2, б). Матрица перехода имеет вид
' со8(Р)соБ(а) Бт(а) 8т(Р)соБ(а)Л Т (Р, а) = - вт(а)соБ(Р) соБ(а) Бт(Р)вт(а)
, вт(Р) 0 сов(Р) ^
Преобразование угловых скоростей. Одной из особенностей рассматриваемой системы наведения и стабилизации является наличие в контуре управления информации только об изменении угловой скорости внутренней рамки, измеряемой блоком инерциально-чувствительных элементов (БИЧЭ). Для правильного моделирования БИЧЭ необходимо провести преобразование измеренной угловой скорости в системе координат внутренней рамки к системам координат внешней рамки и БЛА, на которых расположены исполнительные двигатели (рис. 2, б). В общем случае такое преобразование угловых скоростей задается кинематическими уравнениями Эйлера, которые приведены ниже.
Тогда матрица уравнений имеет вид
cos 3 cos у sin3 - cos 3 sin у
0(1, g) = - cos/sin3cosy + sin/sin y cos/cos3 cos/sin3siny + sin/cosy
sin/sin3cosy + cos/siny - sin/cos3 - sinysin3sin/ + cosy cos/
Данные уравнения Эйлера устанавливают связь между проекциями вектора угловой скорости тела ю на соответствующие оси, углами Эйлера и их первыми производными по времени.
Возвращаясь к проектируемой системе, следует сказать, что приведенный теоретический результат требует конкретизации, которую рассмотрим далее.
Найдем проекции внутренней угловой скорости в проекциях на собственные оси:
г р0 cos(a)cos(P) (g0 +Р)sin(a) -(r0 + á)sin(P)cos(a)^ r ^ Л
03 =
03 X
03 ,
V®3z y
- р0 Бт(а) соб(Р) (#0 + Р) соБ(а) (г0 + а) Бт(Р) Бт(а) Р0 б1И(Р) 0 (г0 +(()СОБ(Р)
Далее для формирования управляющего сигнала на исполнительные двигатели необходимо выразить относительные угловые скорости а, (3 через измеренные угловые скорости ю3х, щу, :
(х = -ю3х Бт(Р)сов(а) + т3у вт(а)Бт(Р) + соб(Р),
|3 = ю3х Бт(а) + т3у соБ(а).
Таким образом, получены все математические зависимости необходимые для формирования схемы моделирования системы стабилизации и наведения в целом.
Моделирование системы стабилизации и наведения в составе БЛА. Для оценки влияния возмущений, вызванных движением летательного аппарата, на точность наведения и стабилизации была разработана схема моделирования системы в целом в среде БтиПпк пакета МаНаЬ. Ее вид представлен на рис. 3.
Данная схема включает два канала наведения - горизонтальный и вертикальный. Каждый канал на схеме включает блоки "КБ-рой", "МРЗи", "РКБШМ", —КЫ", "МеИашка". Блоки —ЯЗ-рогГ, —МРБи" и "РКБШМ" моделируют формирование управляющего напряжения на исполнительные двигатели. Учитывается цифровая реализация системы управления, приводящая к дискретности сигнала по уровню и времени. Блоки —ОКЫ", —УКЫ" отвечают за моделирование двигателей с нагрузкой соответственно по горизонтальному и вертикальному каналам наведения. Блок — МеИашка" моделирует действие внешних возмущающих моментов.
Рассмотрим работу системы в режиме стабилизации при следующих параметрах. Заданные относительные углы а = 450, Р = 300. Постоянные угловые скорости БЛА по рысканью у =0.02 рад/с, по тангажу Ф =0.02
рад/с. Моделирование проводилось при условии дискретизации сигналов БИЧЭ с частотой 250 Гц, задержка выдачи информации БИЧЭ - 2 периода дискретизации. Графики ошибки стабилизации угла а приведены ниже (рис. 4, а).
Из графика видно, что максимальная ошибка слежения по углу а не превышает 4 мрад.
Рассмотрим случай стабилизации относительных углов при воздействии периодической качки носителя с частотой 5 Гц и амплитудой 30 градусов. Моделирование проводилось при частоте дискретизации БИЧЭ -1000 Гц (рис. 4, б).
Эсере12
(ЗгошсИ
теЬашка!
Эсере15
Рис. 3. Схема моделирования
(
в г
Рис. 4. Графики стабилизации: а - ошибка стабилизации по углу а, б - ошибка стабилизации по углу а при воздействии качки, в - ошибка переходного процесса по углу (3 ; г - ошибка переходного процесса по углу а
Таким образом, можно сделать вывод, что воздействие периодической качки несущественно ухудшает точность стабилизации.
Определение входного сигнала приводов наведения в режиме поиска цели. Для успешного поиска цели в заданном квадрате необходимо обеспечить сканирование поверхности с помощью оптических средств, расположенных на БЛА. При этом должна быть просканирована вся заданная площадь без мертвых зон. Данную задачу иллюстрирует рис. 5, а при прямолинейном движении БЛА.
Для представленной выше траектории рассмотрим закон управления углом системы наведения в составе БЛА. Закон управления будет иметь вид синусоидального сигнала
ср(/) = А • ,
где ф(0~ угол отклонения видеокамеры от прямолинейной траектории движения.
Прежде чем рассматривать закон управления обозначим некоторые геометрические параметры слежения (рис. 5, б). Из рис. 5, г видно, что
Ум
У1
Уь
У 2
а
Камера
г
б
в
д
е
Рис. 5. Определение геометрических показателей траектории полета БЛА: а - примерный вид траектории полета БЛА; б, в - амплитуда сигнала; г - параметры видеокамеры: у^у 2 - углы обзора камеры,
I к,М к - параметры длины; д, е - длина зоны видимости видеокамеры
Рассмотрим закон управления.
1. В первую очередь рассмотрим амплитуду сигнала, которая имеет следующий вид:
А = щ(г),
а) в предельном случае, когда отклонение оптической оси камеры совпадает с границей исследуемой области (рис. 5, б), амплитуда сигнала
¥ 1 = аг
Н
V Н У
б) при условии, что край зоны покрытия камеры совпадает с краем исследуемой зоны (рис. 5, в) амплитуда сигнала находится по следующим формулам:
V Н у
¥ 2 = агсгё
с'= с - (А - Р); А = М к ■ 8т(¥ 2 ) ■ (1 + tg(¥ 2 ));
Мк = 2 ■ tg (у м ) ■ Н; Р =
Мк 2
соэ(¥ 2 )
2. Рассмотрим частоту входного сигнала:
1 Т 5 V
со = —; Т = —, следовательно с = —.
Т V 5
Введём параметр п - показатель перекрытия зоны видимости камеры: 5 = п • 5 ь, где 5 ь - проекция Ь к на горизонтальную плоскость под углом а. Откуда п можно выбрать по формуле п = 10^- к , где к - показатель наложения зон видимости камеры по параметру Ь к для исключения слепых зон по краям исследуемой зоны (рис. 5а).
Далее найдём 5 ь в соответствии с рис. 5, д:
5 ь = Ь к • ып(а) • (1 + tg(а));
Ь к = 2 • tg (7 L) • Н,
где Ь к находится из предположения, что камера видеонаблюдения, размещённая на БЛА, смотрит перпендикулярно вниз по рис. 5, е.
Таким образом, получены параметры входного сигнала, обеспечивающего поиск в заданном районе.
Например, при
С=500м, Н=100м, V=359,71 м/с, Lk=352м,
Мк=462 м, у2=120 а=45 п=0,5
В результате подсчетов сигналы по горизонтальному и вертикальному каналам соответственно равны:
(р(г) = 1,37 • Бт( 0,724t); (р'(г) = 0,993 • cos(0,724t),
а = -0,785.
Для иллюстрации результата отработки системой вычисленных входных параметров промоделирована система с найденными параметрами, результаты показаны на рис. 4, в и 4, г. Из графиков видно, что максимальная ошибка слежения по углу а <9•Ю-5 рад, а по углу Р<7•Ю-5 рад, что удовлетворяет требованиям технического задания.
Таким образом, рассмотрены основные задачи, решаемые БАК, определен состав полезной нагрузки БЛА, разработана схема моделирования аппаратуры наблюдения и целеуказания, проведено численное моделирование системы в целом. Полученные результаты моделирования подтверждают теоретические расчёты.
Список литературы
1. Богословский С.В., Дорофеев А.Д. Динамика полёта летательных аппаратов: Учеб. пособие. СПб: СПбГУАП, 2002. 64 с.
2. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1973. 506 с.
3. Гущина Д.С. Беспилотные авиационные комплексы. Ч.1. Структура и организация функционирования // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. №2. С. 3-6.
4. Гущина Д.С. Беспилотные авиационные комплексы.Ч.2 Классификация, основные принципы создания и применения // Изв. вузов. Авиационная техника. 2006. №3. С. 3-5.
V.I. Babichev, V.S. Fimuschkin, O.V. Goraychev, S.V. Feofilov, A.I. Neclyudov
APPLICATION AND DESIGN CONCEPTS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES WITHIN CONTEMPORATY COMPLEX OF HIGH-PRECISION SYSTEMS
This article considers relevant objective of designing of attitude control and guidance systems of unmanned aerial vehicle in condition of different external disturbances and input signals. Also it considers determination of input signal of laying drive in target search mode.
Key words: unmanned aircraft system, unmanned aerial vehicle, guiding, system of reference, discretization, kinematic sequence.
Получено 17.10.12
УДК 681.532.8:621.391
В.Г. Баунин, канд. техн. наук, доц., нач. отдела, (49232) 9-02-14 [email protected] (Россия, Ковров, ОАО «ВНИИ «Сигнал»)
АЛГОРИТМ САМОНАСТРОЙКИ ПРИВОДА НАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ОПОРНО-ПОВОРОТНОГО УСТРОЙСТВА
Рассматривается алгоритм самонастройки коэффициента передачи сигнала скорости изменения заданного угла, реализованный в приводах наведения управляемого опорно-поворотного устройства антенны бортового комплекса спутниковой связи.
Ключевые слова: опорно-поворотное устройство, самонастройка, динамическая точность.
Основными требованиями, предъявляемыми к управляемым опорно-поворотным устройствам (ОПУ) антенн комплексов радиосвязи, устанавливаемых на подвижных объектах (самолетах, кораблях, автомобилях и т.д.), являются требования к количеству осей наведения, диапазону углов наведения, скоростям и ускорениям наведения по каждой оси, динамической точности, стойкости к внешним воздействующим факторам (механической вибрации, повышенной и пониженной температурам окружающей среды, линейным ускорениям и т.д.), а также требования к массогабарит-ным характеристикам, удовлетворяющим требованиям по размещению опорно-поворотного устройства с установленной на нем антенной на объекте под радиопрозрачным обтекателем [1, 2].
ОПУ, предназначенные для наведения и стабилизации направления антенн бортовых комплексов радиосвязи, как правило, реализуются по двух- или трехосной кинематической схеме. Двухосные ОПУ используют-
