CC BY
18
area of a 3D laser sensor, color video camera and thermal imager. The recognition algorithms of the pick-up location in the video data on-Board complex system of technical vision with the use of geometric criteria and the reference permeability is proposed.
Key words: unmanned helicopter, automatic landing, technical vision system, geometric and reference cross-country capability.
Kim Nikolay Vladimirovich, candidate of technical sciences, professor, Nkim2011 @list.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute,
Noskov Vladimir Petrovich, candidate of technical sciences, docent, nos-kov_mstu@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Rubtsov Ivan Vasilievich, candidate of technical sciences, docent, head of department, rubtsov@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
УДК 628.7.05
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ НАВИГАЦИОННОГО БЛОКА
В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, И. Л. Ажгиревич, Д.Н. Кузнецов
Рассматриваются вопросы проведения полунатурного моделирования функционирования системы автоматизированной посадки на базе радиотехнической системы локальной навигации в лабораторных условиях. Для этого предлагается создание комплекса имитационного моделирования с целью упрощения разработки и отладки алгоритмического обеспечения, контроля отработки нештатных ситуаций и оценки точностных параметров навигационного решения. Сформулирована задача создания комплекса имитационного моделирования работы навигационного блока и предложены сценарии проведения экспериментов.
Ключевые слова: радиотехническая система локальной навигации, имитационное моделирование, полунатурное моделирование.
Традиционно посадка признаётся одним наиболее сложных и опасных этапов полёта. Установлено [1], что большинство авиационных происшествий случаются по причине действия человеческого фактора ввиду высокой психофизиологической нагрузки на экипаж. Для автоматизации посадки и повышения её безопасности традиционно используются радиотехнические курсоглиссадные системы типа ILS. Такие системы предполагают размещение на аэродроме габаритных антенных систем, а на борту — дорогостоящего оборудования, что экономически нецелесообразно при низкой интенсивности полётов, а, значит, недоступно для эксплуатации на малонагруженных и удаленных аэродромах. С целью удешевления и упрощения оборудования разработаны системы посадки на основе
55
глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС в режиме дифференциальной коррекции), однако им свойственны недостатки, связанные со сложностью обеспечения надёжности и целостности.
В АО «ЦНИИАГ» разработана система автоматизированной посадки (САП) летательных аппаратов, лишенная указанных недостатков за счёт использования сигналов радиотехнической системы локальной навигации (РТСЛН). Детально эти системы рассмотрены в [2], а применение системы для автоматической посадки беспилотного летательного аппарата рассмотрено в [3].
В рамках настоящей статьи предлагается структура программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования бортового навигационного блока указанной САП. Структуру указанного комплекса невозможно синтезировать без учета структуры и принципа действия непосредственно САП, которые приведены ниже.
В состав САП входят наземный и бортовой сегменты. Наземный сегмент представлен определенным количеством навигационных радиомаяков, заблаговременно размещенных в окрестности посадочной площадки или взлетно-посадочной полосы. Бортовой сегмент состоит из бортового навигационного блока и антенно-фидерного устройства.
Бортовой навигационный блок САП предназначен для расчета пространственных координат и углов ориентации воздушного судна. В его основе — интегрированная радиоинерциальная навигационная система, обеспечивающая комплексную обработку информации, поступающей от бортового радиомодуля РТСЛН, бесплатформенной инерциальной системы (БИНС), а также системы воздушных сигналов (СВС) и радиовысотомера. Структурная схема блока показана на рис. 1.
Отметим, что для решения задач ориентации и навигации достаточно комплексирования РТСЛН и БИНС [4], а состав прочих датчиков может меняться в зависимости от возможностей интеграции САП с системами отдельно взятого потребителя. Последнее особенно актуально при эксплуатации на беспилотных аппаратах различных типов ввиду многообразия их оснащения.
Итоговая точность выработки значений координат и углов ориентации определяется не только точностью обрабатываемых измерений, но и свойствами алгоритмов обработки. С учетом вариативности типов летательных аппаратов и набора доступных измерений, а также условий эксплуатации САП задача настройки и контроля точностных характеристик алгоритмов приобретает выраженную актуальность.
При работе в технологическом режиме навигационный блок САП может выполнять трассировку всех входных данных, поступающих от измерительных устройств, в виде, допускающем их камеральную обработку в ходе постэкспериментального анализа результатов. В ходе многолетней отработки САП накоплен существенный объем таких трасс, отражающих
условия эксплуатации на различных летательных аппаратах (как самолетного, так и вертолетного типов) в различных погодных и климатических условиях, а также при комплексировании со вспомогательными системами различных классов точности (ключевыми среди них являются барометрический, радиотехнический или лазерных высотомер и датчик воздушной скорости).
Рис. 1. Упрощенная блок-схема бортового навигационного блока (пунктиром показаны неотъемлемые части блока)
Воспроизведение полевого эксперимента в лабораторных условиях может выполняться на различном уровне интеграции с компонентами САП.
Так, возможно проведение имитационного моделирования функционирования отдельно взятых навигационных алгоритмов. Такой эксперимент является типовым при контроле целевых качеств алгоритмов в ходе разработки программно-алгоритмического обеспечения навигационного блока.
Не меньший интерес представляет проведение полунатурного эксперимента непосредственно с бортовым навигационным блоком без вмешательства в его компоновку и программное обеспечение. Такой эксперимент невозможен без вспомогательного устройства-имитатора, требования к которому изложены ниже.
Имитатор должен быть самостоятельным отдельным устройством, обеспечивающим выдачу сигналов, которые соответствуют по электрическим и временным характеристикам сигналам реальных измерительных
устройств. Такой имитатор позволит обеспечить поддержку тестирования целевого устройства, а не модели целевого устройства, замещая собой внешние по отношению к нему системы. На рис. 2 представлена схема замещения внешних устройств.
Схемы проведения экспериментов. Рассматриваемый имитатор позволит реализовать несколько постановок полунатурного эксперимента, конкретный выбор которых определяется целями моделирования.
Например, для контроля и отработки информационного обмена между внешними устройствами (измерительными датчиками, бортовыми информационными системами, внешним хранилищем данных) и вычислительным устройством навигационного блока выполняется электрическое подключение имитатора, аналогичное подключению замещаемой им системы. В этом случае имитатор воспроизводит сигналы на входах навигационного блока в том же порядке и такими же задержками, которые были зафиксированы при натурном эксперименте. На ранних этапах разработки программного обеспечения навигационного блока такой эксперимент позволит системным программистам отработать взаимодействие с внешними системами без необходимости прямой работы с ними. При работе навигационного блока в технологическом режиме возможно сравнить воспроизведённую имитатором информацию с вновь записанной трассой с целью контроля приема данных.
Рис. 2. Общая схема замещения внешних устройств
58
В другой постановке эксперимент с имитатором позволяет провести оценку точностных характеристик определяемого навигационного решения. Имитатор при этом также воспроизводит сигналы внешних систем, записанные при натурном эксперименте. При этом навигационный блок штатно выполняет определение координат и углов ориентации и поддерживает выдачу информации по внешнему интерфейсу. Эта информация затем накапливается и анализируется. В такой постановке эксперимент направлен на упрощение разработки и отладки непосредственно навигационного программно-алгоритмического обеспечения, например, при его адаптации к условиям целевого носителя. Работа по данному сценарию возможна только в случае наличия информации об эталонных параметрах движения, подлежащих оцениванию, в записи трассы. В противном случае может быть полезно создание имитационных трасс на основе математических моделей движения объекта. Такие модели должны быть предварительно загружены в устройство имитатора и запущены непосредственно при тестировании. При данном сценарии появляется возможность создания обратной связи управления между бортовым навигационным блоком и органами управления объекта, которые должны быть учтены в математической модели.
Отметим, что во всех рассмотренных постановках имитатор воспроизводит захваченные входные данные без искажений. В зависимости от целей моделирования указанные данные могут быть модифицированы как по структуре (временным характеристикам), так и по содержанию. Такие модификации могут быть направлены на отработку как нештатных ситуаций: нарушение частоты информационного обмена, выдача некорректных данных, отказ внешней системы, так и для исследования отработки навигационным алгоритмом особых ситуаций, воспроизведение которых в натурном эксперименте необоснованно. Это позволяет увеличить число рассматриваемых сценариев работы и упростить отработку алгоритмов работы.
В [4] было показано, что итоговая точность работы алгоритма ком-плексирования навигационного решения в навигационном блоке может быть существенно повышена настройкой параметров, используемых при оценивании ошибок БИНС и РТСЛН. Имитатор может быть также использован для определения оптимальных значений этих параметров путем проведения имитационного моделирования.
Заключение. Создание комплекса имитационного моделирования работы навигационного блока позволяет проводить полунатурные испытания системы автоматизированной посадки на базе РТСЛН. Разнообразие описанных в работе схем проведения эксперимента при помощи имитатора делает возможным осуществить проверку и отладку как аппаратных средств навигационного блока, так и программно-алгоритмического обеспечения вычислительного устройства.
Список литературы
1. Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Ажгиревич И.Л. Исследование точностных характеристик системы ближней радионавигации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 67 - 74.
2. Automated landing system for general aviation vessels / I.L. Azhgirevich, P.D. Zynovyev, A.V. Izmaylov-Perkin, G.A. Kvetkin, A.V. Sviyazov, V.V. Sherbinin // International Workshop Navigation and Motion Control 2017. Proceedings 2017. C. 26 - 31.
3. Иновационная система автоматизированной / автоматической посадки летательных аппаратов на базе технологии высокоточных радионавигационных полей для освоения Арктики и континентального шельфа 2017 г / В.В. Щербинин [и др.]. М.: Министерство энергетики Российской Федерации, ООО «Технология развития», 2017. 247 с.
4. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Разработка алгоритма ком-плексирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы и автономной системы ближней радионавигации // Навигация и управление движением: материалы XVIII Конференции молодых ученых с международным участием 2016. С. 80 - 87.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, ст. научный сотрудник, начальник научно-технического отделения, cniiag@,cniiag.ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, начальник лаборатории, [email protected], Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Ажгиревич Игорь Леонидович, инженер-конструктор 1-й кат., [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Кузнецов Дмитрий Николаевич, инженер, cniiag@,cniiag.ru, Россия, Москва, АО « Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
DESIGN OF THE SIMULA TIONMODELING FRAMEWORK FOR AIRBORNE NA VIGA TION UNIT
V. V. Sherbinin, G.A. Kvetkin, I.L. Azhgirevich, D.N. Kuznetsov
In the article it is proposed to create the simulation modeling framework for airborne navigation unit to simplify the development and debugging of algorithmic support, physical control of working and the accuracy of output navigation solution.
Key words: radio-technical local navigation system, simulation modeling, semi-natural modeling.
Sherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, professor, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Kvetkin Georgiy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hy-draulics»,
Azhgirevich Igor Leonidovich, engineer, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
Kuznetsov Dmitry Nikolaevich, design engineer 1st category, cniiag@cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
УДК 629.7.054.07
ОПЫТ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ САМОПРИЦЕЛИВАЮЩЕЙСЯ БИНС ВЫСОКОМАНЕВРЕННОГО
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
А.А. Медельцев, Д.О. Савватеев, Е.И. Титков, П.А. Шаповалов, П.Н. Сигалева, А.В. Фролов, С.В. Смирнов
Предложен численный подход к оптимизации конструкции самоприцеливающейся БИНС на начальном этапе разработки. Подход основан на использовании метода конечных элементов в трёхмерном рассмотрении и решении на основе этого метода задач динамики в стационарной постановке с определением углов отклонения измерительных осей чувствительных элементов. С помощью полученных результатов численного моделирования оценены принятые технические решения, а также сформулированы новые требования к проектированию несущей системы БИНС.
Ключевые слова: БИНС, численный анализ, оптимизация конструкции, метод конечных элементов.
Введение. Бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС) находят всё более широкое применение в качестве основы бортового навигационного комплекса систем управления высокоманевренных летательных аппаратов (ВЛА). Отсутствие карданова подвеса и ги-роплатформы положительно сказывается на технологичности, серийно-пригодности конструкции и надежности прибора, также позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики бортового навигационного комплекса в целом. Однако данный аспект приводит к необходимости функционирования чувствительных элементов БИНС (гироскопов и акселерометров) в условиях существенно более высоких уровней механических
61
