Моделирование малого беспилотного летательного аппарата самолетного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 004.942

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

САМОЛЕТНОГО ТИПА

MODELLING OF THE SMALL UNMANNED AERIAL VEHICLE OF PLANE TYPE

©Жернаков С. В.

д-р техн. наук

Уфимский государственный авиационный технический университет

г. Уфа, Россия zhsviit@mail.ru ©Zhernakov S.

Dr. habil.

Ufa State Aviation Technical University

Ufa, Russia zhsviit@mail. ru ©Ожегов А. А.

Уфимский государственный авиационный технический университет

г. Уфа

ozhegov. aa@yandex. ru ©Ozhegov A.

Ufa State Aviation Technical University

Ufa, Russia ozhegov.aa@yandex.ru

Аннотация. В статье приведен обзор системы моделирования полета "JSBsim" применительно к моделированию беспилотного летательного аппарата самолетного типа массой до 5 кг.

Abstract: this article presents an overview of the flight dynamics model JSBsim with respect to the modeling of small fixed-wing UAV weighing up to 5 kg.

Ключевые слова: БПЛА, аэродинамика, Flightgear, JSBSim.

Keywords: UAV, aerodynamics, Flightgear, JSBSim.

Интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) связан с относительной дешевизной их применения по сравнению с пилотируемыми средствами. Часто беспилотные летательные аппараты применяются для наблюдения с воздуха за наземными объектами, для этого на борту располагается целевое оборудование — фото-видеоаппаратура с массой порядка 100 г — 1 кг. Рассмотрим беспилотный летательный аппарат, подобный по массогабаритным параметрам радиоуправляемой авиамодели класса F5 FAI [1]. Основные характеристики авиамоделей этого класса:

- тип электродвигателя — электрический;

- наибольшая площадь крыла: 150 дм2;

- наибольшая масса: 5 кг;

- нагрузка на крыло от 12 до 75 г/дм2.

Для моделирования движения летательного аппарата используются имитаторы полета, наиболее развитым из которых является Flightgear. В данном имитаторе наиболее удобна

для применения динамика полета JSBSim. Основы динамики JSBSim описаны в [1], полный перечень параметров в [2].

Динамика JSBSim включает в себя разные физические модели летательного аппарата, которые рассчитываются одновременно и влияют друг на друга. Все силы и моменты считаются приложенными к одной точке — аэродинамическому центру аппарата. Для моделирования движения трехмерной модели в JSBSim существуют две системы координат: Structural Frame и Body Frame (Рисунок 1).

Рисунок 5. Системы координат в динамике JSBSim.

Body Frame — это система координат, движущаяся совместно с моделью. Нуль системы координат находится в центре тяжести (Centre of gravity), ось U смотрит вперед, V — вправо, W — вниз. В этой системе координат моделируются скорости и ускорения. Если повернуть Body Frame вокруг оси V на 180 мы получим систему координат Structural Frame, нуль которой называется datum. Эта система координат используется для отображения видимой трехмерной модели. Все координаты в файле динамики отсчитываются именно от начальной точки (datum) Structural Frame.

Все модели динамики полета описываются в файле на языке XML. Перечислим основные разделы файла динамики полета.

Раздел геометрических параметров (metrics) описывает основные геометрические параметры планера. <metrics>

<wingarea unit="M2"> 0.15 </wingarea> <wingspan unit="M"> 1.2 </wingspan> <chord unit="M"> 0.12 </chord> <wing_incidence unit="DEG"> 3 </wing_incidence> <htailarea unit="M2"> 0.024 </htailarea> <htailarm unit="M"> 0.561 </htailarm> <vtailarea unit="M2"> 0.00446 </vtailarea> <vtailarm unit="M"> 0.5 </vtailarm> <location name="AERORP" unit="M"> <x> 0.198 </x> <y> 0 </y> <z> 0.025 </z>

</location>

<location name="EYEPOINT" unit="M"> <x> 0.198 </x> <y> 0 </y> <z> 0 </z> </location>

<location name="VRP" unit="M">

<x> 0 </x> <y> 0 </y> <z> 0 </z> </location> </metrics>

Рассмотрим первую строку внутри раздела. Здесь описывается площадь крыла (wingarea), которая измеряется в квадратных метрах (M2) и имеет значение 0,15. В следующих строках заданы значения размаха крыла (wingspan), хорды профиля (chord), угла поперечного V крыла (wing_incidence) и т. д. Внутри раздела имеются три подраздела, описывающие положение аэродинамического центра (AERORP — reference point), точки отсчета действующей на летчика перегрузки (EYEPOINT) для моделей пилотируемых аппаратов и точки datum системы координат Structural Frame (VRP — visual reference point).

Раздел суммы масс (Mass Balance) описывает моменты инерции, массу аппарата, положение центра тяжести. <mass_balance>

<ixx unit="KG*M2">1.356</ixx> <iyy unit="KG*M2">1.356</iyy> <izz unit="KG*M2">2.712</izz> <ixz unit="KG*M2">0</ixz> <iyz unit="KG*M2">0</iyz> <ixy unit="KG*M2">0</ixy> <emptywt unit="KG">0.4</emptywt> <location name="CG" unit="M"> <x>0.2</x> <y>0</y> <z>0.02</z> </location> </mass_balance>

Здесь заданы шесть моментов инерции: три осевых (ixx, iyy, izz) и три центробежных (ixz, iyz, ixy); масса пустого самолета и положение центра тяжести.

Раздел реакций земли (ground_reactions) описывает координаты и свойства точек модели, которые могут взаимодействовать с земной поверхностью. <ground_reactions>

<contact type="BOGEY" name="NOSE"> <location unit="M"> <x> 0 </x> <y> 0 </y> <z> 0 </z> </location>

<static_friction> 0.8 </static_friction> <dynamic_friction> 0.5 </dynamic_friction> <rolling_friction> 0.5 </rolling_friction> <spring_coeff unit="LBS/FT"> 24 </spring_coeff> <damping_coeff unit="LBS/FT/SEC">1.001</damping_coeff>

<max_steer unit="DEG"> 0 </max_steer> <brake_group> NONE </brake_group> <retractable> 0 </retractable> </contact> </ground_reactions>

В этом примере указана только одна точка, в которой носовое колесо (NOSE) стойки шасси (BOGEY) касается земли. Заданы коэффициенты трения, коэффициент упругости (spring_coeff), коэффициент демпфирования (damping_coeff), угол поворота колеса (max_steer) и пр.

Раздел каналов управления также описывается на языке XML, но его удобнее показать в виде структурной схемы (Рисунок 2), нарисованной программой JSBsimComander.

Рисунок 6. Схема каналов управления.

Каждый канал имеет входные и выходные переменные, которые можно связать с пультом управления оператора или системой управления из сторонней программы, например, Матлаба.

Рассмотрим канал управления рулем высоты, верхний на Рисунке 2. Входные переменные: вертикальное положение ручки управления (fcs/elevator-cmd-norm) и положение ручки триммера руля высоты (fcs/pitch-trim-cmd-norm). Переменные подключены к сумматору, вывод которого соединен с рулевой машинкой (Elevator Control). Рулевая машинка преобразует входной диапазон (-1; 1) в угол отклонения руля высоты, например, (-0,2 рад; 0,3 рад). Значение отклонения руля высоты отправляется в выходную переменную.

В следующем разделе описываются параметры для расчета аэродинамических сил и моментов. Раздел aerodynamics состоит из шести подразделов, три раздела отвечают за силы:

LIFT, DRAG, SIDE; остальные три — за моменты: PITCH, ROLL, YAW. Динамика суммирует все силы и моменты по соответствующим осям. Рассмотрим подраздел подъемной силы (LIFT). <aerodynamics> <axis name-'LIFT" unit-'LBS">

<functi on name-'aero/coeffitient/CLalpha ">

<description>Lift_due_to_alpha</description> <product>

<property>aero/qbar-psf</property>

<property>metrics/Sw-sqft</property>

<table>

<independentVar>aero/alpha-rad</independentVar> <tableData> -0.2 -0.85 0 0.25

0.21 1.4 0.6 0.71 </tableData> </table> </product> </function>

</axis> </aerodynamics>

Altfcuda I ft) 12.1 12.0 11.5 11.0 10.5

U Body 200 150 100 50

Alpha '.degj

-2.0 -Э.0

-5.0

-e.o

nli.e.2u_N2ll]

75 is

25 50 71 10Ü 125 150 173 200 225 25Ö Time

Рисунок 3. Графическое представление параметров полета.

Вычисляется значение аэродинамического коэффициента Су (aero/coefficient/CLalpha), в зависимости от угла атаки (aero/alpha-rad), заданного таблицей, скоростного напора (aero/qbar-psf) и площади крыла (metrics/Sw-sqft). В результате мы получаем значение подъемной силы в фунтах (unit="LBS"), и динамика учитывает эту величину для соответствующей оси.

Для записи параметров полета используется раздел вывода в текстовый файл. Можно вывести любые переменные модели с заданной частотой, например, 100 Гц.

На Рисунке 3 показаны графики, построенные на основе четырех переменных.

Для наглядного моделирования полета создается графическая модель, которая представлена в отдельном файле формата AC3D (Рисунок 4). Проектирование можно вести в любом редакторе трехмерных моделей с последующим экспортом в указанный формат.

Для правильного отображения необходимо совместить точку начала координат трехмерной модели с нулем системы координат Structural Frame.

Рисунок 4. Графическая модель.

Данная статья дает представление о моделировании беспилотного летательного аппарата самолетного типа массой до 5 кг через описание основных разделов файла динамики полета «JSBsim».

Список литературы:

1. Никифоров Ю. Основы аэродинамики JSBSim для авиасимулятора FlightGear. Режим доступа:

http://www.avsim.su/wiki/Основы_аэродинамики_JSBSim_для_авиасимулятора_FlightGear (дата обращения 15.03.2016 г).

2. The JSBSim v2.0 configuration file format. Режим доступа: http://jsbsim.sourceforge.net/JSBSim.xsd. (дата обращения 15.03.2016 г).

3. JSBSim Aerodynamics. Режим доступа: http://wiki.flightgear.org/JSBSim_Aerodynamics (дата обращения 15.03.2016 г).

References:

1. Nikiforov Yu. Osnovy aerodinamiki JSBSim dlya aviasimulyatora FlightGear. Available at: http://www.avsim.su/wiki/Osnovy_aerodinamiki_JSBSim_dlya_aviasimulyatora_FlightGear (data obrashcheniya 15.03.2016 g).

2. The JSBSim v2.0 configuration file format. Available at: http://jsbsim.sourceforge.net/JSBSim.xsd. (data obrashcheniya 15.03.2016 g).

3. JSBSim Aerodynamics. Available at: http://wiki.flightgear.org/JSBSim_Aerodynamics (data obrashcheniya 15.03.2016 g).

Работа поступила в редакцию Принята к публикации

20.04.2016 г. 22.04.2016 г.