CC BY
14
УДК 533.666.2
П.И. Иванов, И.С. Купавский
ПРЕДЕЛЬНО УПРОЩЕННЫЙ ФОРМАТ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ ПЛАНИРУЮЩЕЙ ПАРАШЮТНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ДАЛЬНЕМ НАВЕДЕНИИ
Постановка проблемы. Сущность проблемы состоит в необходимости постоянного совершенствования методов экстренной доставки грузов в заранее запланированную точку цели, что связано с важными задачами обеспечения экстренной помощи и спасения людей.
Анализ публикаций по теме исследования. Последние достижения и публикации, в которых начато решение данной проблемы и на которые опираются авторы, представлены в работах [1-3]. Не решенной ранее до конца частью общей проблемы, которой посвящается настоящая работа, являются вопросы оптимального программирования бортовых компьютеров и микроконтроллеров при дальнем наведении.
Цель статьи. Целью настоящей работы является построение и анализ блок-схемы алгоритма для управления системой груз-управляемый планирующий парашют (УППС) на этапе дальнего наведения.
Основная часть.
Полный формат программы наведения на цель должен содержать этапы дальнего, ближнего наведения и собственно этап посадки.
С целью максимально возможного упрощения навигационной программы и состава аппаратуры навигационного комплекса может быть использован предельно упрощенный формат программы управления полетом.
В этом формате достаточно сложный этап ближнего наведения (этап точного прицеливания) может быть исключен, а вместо него включен в программу этап аварийной посадки. В таком случае навигационная программа уже состоит из программы дальнего наведения БК и программы аварийной посадки АУАКРОБ, включающей в себя непосредственно реализацию этапа мягкой посадки.
В случае предельно упрощенного формата, программа дальнего наведения ведет систему в окрестность цели, а по достижении минимальной, предельно допустимой
высоты НПР, программа аварийной посадки перехватывает управление и выполняет мягкую посадку системы строго против ветра в окрестности цели.
Т.е. в случае использования предельно упрощенного формата навигационной программы точного наведения на точку цели не происходит. Зато существенно упрощается состав навигационного комплекса, повышается его надежность и значительно снижается стоимость, что крайне важно в условиях массового десантирования систем.
Программа БК ориентирует и направляет систему груз-парашют в окрестность цели путем периодического опроса датчиков и доворота вектора
горизонтальной составляющей скорости Vг (продольной плоскости системы) на цель.
Ниже приводится описание блок-схемы алгоритма (БСА) программы дальнего наведения, рис.1.
1. Ввод в бортовой компьютер (микропроцессор) данных: х, у, ,Н .
2. Расчет угла /а - отклонения вектора горизонтальной составляющей скорости
системы V г (продольной плоскости системы) от проекции на горизонтальную плоскость линии направления на цель с помощью программы доворота системы на новый курс -ООУ.
3. Проверка условия не превышения угла /а заранее заданного предельно допустимого значения (~10°-15°).
3.1. Если /а <10°-15°, то корректировка курса не выполняется, и система продолжает двигаться в данном направлении в окрестность цели. Это условие не превышения угла /а необходимо для того, чтобы, учитывая существующие погрешности измерений, значительно сократить количество мелких управляющих воздействий и снизить энергопотребление почти непрерывно работающих рулевых механизмов, что позволит иметь на борту менее мощные, а, значит, более легкие
Рис.1. Блок-схема алгоритма предельно упрощенного формата программы БК дальнего наведения системы на цель
3.2. Если fa >10°-15°, то с помощью программы DAL выполняется корректировка курса так, чтобы вектор горизонтальной составляющей скорости системы Vг был сориентирован на цель.
4. Выполняется проверка превышения предельной, минимально допустимой
высоты HПр, при достижении которой управление передается программе аварийной посадки.
4.1. Если для системы, еще не долетевшей до цели, выполнится условие
H < HПР , то управление автоматически будет передано программе аварийной посадки
AVARPOS, которая осуществляет разворот против ветра, выход на глиссаду предпосадочного планирования (ГПП) и полет по глиссаде. По достижении высоты динамического подрыва, по команде ударного датчика-контактора или любого другого сигнализатора высоты, выполняется динамический подрыв, система совершает мягкую посадку. При посадке на сушу производится отделение одного из соединительных звеньев парашютной системы. При посадке на воду должны быть отделены оба соединительных звена.
Существует некоторое контрольное, критическое расстояние до цели, радиус круга RK, после пересечения которого, с большой степенью вероятности (определяемой вероятностью возможного изменения вектора ветра в точке посадки), становится ясным направление захода на посадку и положение точки посадки относительно цели.
Здесь могут быть три основных случая.
1. Система садится с недолетом до цели.
2. Система садится непосредственно в точку цели.
3. Система садится с перелетом точки цели.
При использовании простейшего программного навигационного комплекса, включающего в себя только программу дальнего наведения и аварийной посадки, т.е. при отсутствии навигационной программы ближнего наведения с прицеливанием в точку цели, вероятность второго случая крайне мала. Вероятности реализации первого и третьего случаев примерно равны при большом количестве испытаний. В первом и втором случае оптимальная стратегия, по критерию минимально возможного удаления от цели точки посадки, заключается только в том, чтобы удерживать курс в направлении цели и для обеспечения мягкой посадки вовремя выполнить динамический подрыв стропами управления (СУ). В третьем случае сценариев развития событий может быть несколько.
На практике обычно реализуется два случая, первый или третий.
Случай 1. Система, по каким-либо причинам (сильный встречный ветер, ошибка в определении точки сбрасывания) не долетает до цели и по достижении минимальной, предельно допустимой высоты управление автоматически передается программе аварийной посадки, которая осуществляет разворот против ветра и выполняет вынужденную мягкую посадку с недолетом до цели.
Случай 2. На определенном, критическом расстоянии RK от цели становится ясно, что над целью система окажется с избытком высоты. В этом случае, затягивая обе СУ, система переводится на расчетную ГПП, с которой уже управление передается программе аварийной посадки. Осуществляется разворот против ветра и, находясь в зоне вертикального угла посадки, выход на глиссаду предпосадочного планирования, а затем выполняется мягкая посадка в окрестности цели.
4.2. Проверяется условие входа в зону заранее выбранного контрольного расстояния от цели: RK .
4.2.1. Если расстояние до цели больше ЯК, то с некоторой задержкой по времени выполняется переход к началу программы и сбор новых параметров от датчиков с целью дальнейшей возможной корректировки курса.
V - Ж
4.2.2. Если система с относительным качеством К = —- (определяемым
^у
углом планирования системы с учетом встречного ветра) вошла в зону круга радиуса ЯК на высоте Няк, то выполняется следующее.
А). Рассчитывается Н 0 - высота линии ГПП под точкой нахождения системы
н о=н т, + ^
и проверяется условие по превышению высоты Няк > Но. Здесь А - расстояние от цели, на котором вступает в работу программа аварийной посадки АУАКРОБ.
Б). Рассчитывается расстояние от цели х^, на котором следует отпускать обе СУ для перехода на ГПП:
А^ ЯК
I ш
1ЯК
Н„г-\н п± -Р = Ы, где х1 = с лЛ
--
т1П К) к
2
1 _ 1
^ К2- К
В). Рассчитывается высота Н1, на которой следует отпускать обе СУ для перехода на ГПП:
Н, - ЯК + НЯК, или Н, =-| + \ Н т,, .
V, - ж
Здесь: К 2 = —--относительное качество системы при полностью затянутых
Vy 2
(на предельно допустимую величину) стропах управления; К - относительное качество системы при отпущенных стропах управления.
В ряде случаев в первом приближении можно принять А « Н. Г). Рассчитывается время tэ удержания обеих строп управления, которое соответствует пути, пройденному в режиме экстренного снижения, деленному на скорость экстренного снижения:
ь =
(ЯК - Х1)2 + (Няк - Н)2
V22x+^2у
Очевидно, что имеет смысл переходить с большей высоты Няк на ГПП только в том случае, если время экстренного снижения tэ не менее, чем удвоенное время переходного процесса на втягивание и отпускание СУ на предельно допустимую величину: tэ > 2tп .
Это условие будет определять нижнюю границу высоты, с которой имеет смысл выполнять экстренное снижение для перехода на ГПП.
Д). Проверяются два условия Няк > Но и tэ > 2tп .
Если оба условия выполняются, то производится затягивание обеих СУ на предельно допустимую величину и выполняется экстренное снижение для перехода на
линию ГПП, т.е. до момента, пока первым не выполнится одно из условий р = Щ, либо H = Hx.
Если хотя бы одно из условий tэ > 2tп или Hrk > H0 не выполняется, то полет
продолжается до достижения высоты H, где производится передача управления программе AVARPOS, после чего выполняется мягкая посадка.
Возвращаясь к блок-схеме алгоритма, представленной на рис.1, в заключение нужно отметить, что она может быть эффективно использована для статистического моделирования (статистических испытаний) процесса наведения системы груз -УППС с целью выявления возможных специфических особенностей процесса управления. Выводы и перспективы дальнейших исследований.
1. Разработана блок-схема алгоритма для предельно упрощенного формата программы управления полетом планирующей парашютной системы при дальнем наведении. Разработана программа на языке Pascal управления полетом планирующей парашютной системы при дальнем наведении.
2. В настоящее время проводятся статистические испытания модели процесса дальнего наведения системы груз-УППС с целью оценки и выявления различных специфических особенностей процесса управления.
3. Предельно упрощенный формат программы управления полетом УППС может быть эффективно использован для программирования недорогих микроконтроллеров, например, типа MSP-430, что существенно удешевляет стоимость навигационного комплекса системы одноразового применения в целом.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Иванов П.И. Две стратегии дальнего наведения УППС на цель./ П.И. Иванов // Сб. Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: ХАИ, 2005.-№3(19). - С. 53-59.
2. Airdrop Enhanced Logistics Visibility Information System (AELVIS). Project Proposal. Institute For Information Technology, US Air Force Academy, February 2010.
3. Иванов П.И. Выбор концепции и состава аппаратуры для навигационного комплекса автоматического наведения системы груз-управляемый планирующий парашют на цель. / П.И. Иванов // Материалы XIII международной научной конференции МЗММ-2005.- Севастополь: Сев. НТУ, 2005.- С. 88-92.
ИВАНОВ Петр Иванович - д.т.н., профессор, ведущий специалист по летным испытаниям парашютных и парапланерных систем, НИИ аэроупругих систем. Научные интересы:
- проектирование и испытания систем спасения и посадки летательных и космических аппаратов.
КУПАВСКИЙ Илья Сергеевич - инженер-конструктор, НИИ аэроупругих систем.
Научные интересы:
- проектирование и испытание бортовых систем навигации.
