CC BY
143
УДК 681.511.4
В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев, М.Ю. Сиротенко, 03 Носко, АХ. Юрченко
ТРТУ, г. Таганрог
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ДИРИЖАБЛЕЙ
В последнее время наблюдается заметный интерес к созданию роботизированных воздухоплавательных комплексов (РВК) на базе дирижаблей [1]. Этот интерес вызван наличием ряда уникальных свойств, присущих дирижаблям и, как следствие, к роботизированным системам на их основе [1]: возможность зависания в воздухе на длительное время без дополнительных энергозатрат; большая потенциальная дальность полета и грузоподъемность; безопасность в случае отказа сис-; .
Все эти свойства делают дирижабли привлекательными для решения гражданских и военных задач, связанных с мониторингом окружающей среды, наблюдением, диагностикой высотных сооружений, патрулированием местности, обеспечением коммуникационных услуг, разведкой, картографированием, радиолокационным наблюдением и др.
Реализация таких систем в классе автономных мобильных роботов, позволяет существенно расширить их функциональные возможности, минимизировав участие человека в процессе управления, сведя его роль к задаче целеуказания. Естественно, такая постановка задачи связана с рядом проблем, обусловленных высокой размерностью и многосвязностью математической модели дирижабля, неста-
, -
стью функционирования в априори неформализованных средах [2, 3].
В данной работе, на основе результатов работ [2, 3, 4, 5, 6, 7], предлагается процедура построения систем управления (СУ) РВК на базе дирижаблей, предполагающих разработку адекватной математической модели, эффективных алгорит-, , -, .
Математическая модель дирижабля. Модель динамик и и кинематики дирижабля рассматриваются в виде системы следующих дифференциальных уравнений [2]:
х = М 1(РМ - ^ - X (1)
3 = ки (2)
Р = Ях, (3)
где х - т-вектор проекций векторов земной и угловой скоростей дирижабля на оси связанной системы координат 0ХУ2, т < 6 ; М(I) - (тхт)-матрица массоинерционных параметров, здесь 1 - вектор нестационарных параметров, элементами которого являются масса дирижабля, моменты инерции, присоединенные массы дирижабля; Ри (х, Р,3,1)- т-вектор управляющих сил и моментов;
^ (х, Р, I) - т-вектор нелинейных элементов динамики; ^ - т-вектор измеряе-
мых и неизмеряемых внешних возмущений, который может быть представлен
в виде = LRTWd + Fv , здесь L(X, I)- (тхЗ)-матрица функциональных коэффициентов, Я - (ЗхЗ)-матрица направляющих косинусов углов между осями связанной и базовой ОьХьУь1ь систем координат, - (3х1)-вектор скорости вет-
ра в базовой системе координат; 8 - п-вектор управляемых координат (масса воздуха в баллонете, углы отклонения аэродинамических рулей, рычагов управления тягой двигателя и т.п.); К- (пхп)-матрица коэффициентов управления; и- п-вектор
управляющих воздействий; Р = (У,0)Г = (Хь,УЬ,2Ь, у,У,у)Т - т- вектор положения и ориентации связанной системы координат относительно базовой; Я(0) - (тхт)-матрица кинематических связей, здесь у, V, у- соответственно уг-, . , , -гать, что т = п .
Модели динамики дирижабля вида (1), (2) и (3) представляют собой многосвязные системы нелинейных дифференциальных уравнений, элементы которых определяются компоновкой и параметрами конкретного дирижабля, а также структурой и характером внешних возмущений. Кроме того, отличительной особенностью дирижабля является нестационарность элементов вектора 1 , зависящих от условий функционирования летательного аппарата и его конструктивных характе-.
жесткими требованиями к качеству функционирования дирижабля. Чтобы наиболее адекватно определить вектор требуется осуществить анализ аэродинамических свойств дирижабля.
Анализ аэродинамических сил и моментов. Средствами пакета численного моделирования и исследования аэродинамических характеристик F1owVision была исследована возможность анализа схем дирижаблей, а также отдельных элементов .
В процессе моделирования были получены графики распределения давлений и скоростей для корпуса с оперением, представленные на рис 1 и графики зависимостей коэффициента лобового сопротивления (рис. 2(а)) и подъемной силы (рис. 2( )) .
■
Рис.1.Распределение давлений и скоростей по поверхности корпуса
(угол атаки 150)
Сравнительный анализ полученных и уже известных результатов для данного типа корпуса подтверждает возможность корректного применения указанного пакета для задач идентификации аэродинамических характеристик геометрических форм дирижаблей с учетов гондол, оперения и т.д. Точность полученных данных напрямую зависит от количества расчетных ячеек, а увеличение их числа ведет к росту времени расчета.
Использование пакета FlowVision позволяет корректно доопределить математическую модель динамики дирижабля без натурного моделирования или продувок в аэродинамических трубах, что значительно ускоряет и удешевляет процесс создания этой модели для дирижаблей различных аэродинамических и кинематиче-.
•50 -40 -30 ■» -Ю 0 10 30 30 40 50ф
Рис.2 (а) График зависимости Рис. 2 (б) График зависимости
коэффициента лобового сопротивления коэффициента подъемной силы от угла от угл а ат аки ат аки
Подходы к планированию движений и синтезу алгоритмов управления.
Специфика использования РВК предполагает решение следующих задач при организации их движения [3]: стабилизация дирижабля в заданной точке пространства , ,
(для кинематических схем с изменяемым вектором тяги); движение вдоль заданных в пространстве базовых координат траекторий с постоянной воздушной скоростью V и заданной ориентацией осей связанной системы координат; перемещение в заданную точку пространства базовых координат вдоль заданной траектории, с заданной ориентацией, без предъявления дополнительных требований к воздушной скорости дирижабля. Алгоритмические решения систем управления РВК, удовлетворяющие поставленным задачам, рассмотрены в работе [3].
В работах [2,3] приводится обоснование необходимости учета многосвязно,
, , -ректность теоретических положений.
Реализация нейросетевого планировщика перемещений. Области применения РВК на базе дирижаблей предполагают их функционирование в неопределенных и нестационарных средах, что выдвигает высокие требования к системе
. -рования дирижабля на основе данных системы технического зрения, необходим интеллектуальная система планирования перемещений.
В работе [7] предложена процедура синтеза нейросетевого планировщика перемещений для решения задачи слежения за визуальным ориентиром, в которой
описывается создание нескольких нейросетевых блоков на основе требований к предварительной обработке информации и к виду траектории движения. Планировщик состоит из нескольких входных сверточных слоев, осуществляющих передискретизацию, сглаживание и оконтуривание входного изображения. После реализации этих этапов происходит обработка полученной информации нейронной сетью, детектирующей наличие искомого объекта. В случае если объект идентифицирован, происходит формирование коэффициентов кубического сплайна, описывающего требуемую траекторию движения дирижабля, которая в дальнейшем
.
Функциональная схема бортовой СУ РВК. Полученные те оретические результаты и подтверждающие их результаты моделирования позволяют предположить структуру функциональной схемы бортовой СУ РВК, представленную на рис.З.
Рис. 3. Функциональная схема бортовой системы управления дирижаблем
БСУ полетом дирижабля можно разделить на несколько функционально различных блоков: бортовая система управления носителем, система управления бортовым оборудованием, исполнительный механизм, встроенные модули бортового оборудования и система электропитания.
Бортовая система управления носителем содержит в себе датчики состояния органов управления, систему навигации ГЛОНАСС/ОР8, инерциально-навигационную систему и спецвычислитель. Датчики состояния органов управления могут представлять собой фотоимпульсные, потенциометрические и другие , -ции органов управления дирижабля. Система спутниковой навигации ГЛОНАСС/ОР8 необходима для получения глобальных координат дирижабля. Инерциально-навигационная система представляет собой набор инерциальных измерительных устройств, таких как гироскопы, акселерометры и др., на основе показаний которых вычисляется изменение ориентации и координат дирижабля.
, , систем, а также в соответствии с текущим заданием, формирует траектории дви-
жения и вычисляет управляющие воздействия в соответствии с синтезированными законами управления. Далее эти воздействия поступают на исполнительный механизм, представляющий собой, в зависимости от исполнения, двигатели винтов, пилонов или аэродинамических рулей.
Встроенные модули бортового оборудования могут представлять собой приемо-передающую аппаратуру, систему технического зрения на базе телека, , , . Приемо-передающая аппаратура необходима для получения полетных заданий, передачи видео или другой информации в реальном времени, дистанционного управления и других задач, связанных с обменом данными. Система технического зрения на базе телекамер, лазерные сканеры и радиолокационные системы могут использоваться как при решении боевых задач, так и для получения информации о внешней среде в целях обеспечения корректного планирования траекторий. Наличие или отсутствие тех или иных модулей определяется конкрет-, .
Система управления бортовым оборудованием обеспечивает корректное взаимодействие различных блоков и устройств бортовой системы дирижабля. В задачи этого блока входит управление шинами данных, распределение вычисли, ,
.
Система электропитания управляет распределением электрической энергии , .
Аппаратная поддержка СУ. Специфика применения РВК на базе дири-
, -
. -
сорных систем: лазерных сканирующих систем и систем технического зрения на .
В табл. 1 представлены параметры наиболее характерных систем лазерного сканирования. Система LS 880 HE80, производства компании FARO (США), является средством создания высокоточной трехмерной модели окружающего пространства. К ее достоинствам можно отнести высокую точность и скорость сканирования (при соблюдении стационарности), поле зрения по вертикали - 320°. Для ее использования требуется фиксация дирижабля в заданной точке для точ-, -
ве показаний датчиков инерциальной системы. Система LMS-Q160 от компании
RIEGL (США) позиционируется как система сканирования, предназначенная для детектирования препятствий на пути перемещения объекта. Данная система не обладает высокой точностью и разрешением, но ее возможностей достаточно для определения даже таких препятствий, как линии электропередачи. Система LMS-Q560, так же от компании RIEGL, позиционируется как средство построения трехмерных карт поверхности, поэтому имеет большую дальность измере-, . одной плоскости и имеет самые большие, из всех представленных систем, массо-.
1
Системы лазерного сканирования
Наименование Максимальная , Скорость сканирования Интерфейсы Масса, кг
FARO LS SSG HESG 7б.7 12GGGG точек/с Ethernet 14.5
LMS-Q16G 2GG 1GGGG измерений/с Ethernet 4.S
LMS-Q56G 15GG 16G измерений/с Ethernet 2G
Рассмотренные системы лазерного сканирования позволяют создать точные трехмерные модели высотных объектов, обнаружить препятствия и осуществлять
.
Для получения визуальной информации об окружающей среде используются системы технического зрения (СТЗ) на базе телекамер. При выборе телекамеры для СТЗ РВК необходимо принимать во внимание несколько основных факторов: камера должна быть с трансфокатором и иметь не менее чем 10 кратное оптиче-, , -
, .
Номенклатура телекамер различного назначения достаточно широка. В табл. 2 .
Телекамера SK-2172X обладает всеми необходимыми параметрами: 22х-кратное оптическое увеличение; высокая чувствительность, достаточная для съемки днем; стандартный интерфейс последовательной передачи данных RS-485 и возможность ручной регулировки параметров съемки. Телекамера DM-0413,
(23 - ), -
щая реализовать режим ночной съемки, в котором ее чувствительность составляет 0.003 Люкс. Модель JADE SWIR-J 220 S - представляет собой инфракрасную камеру с разрешением 320x256 точек и спектральной чувствительностью от 800 нм до2500 нм. Подключение к ПК осуществляется через USB-интерфейс.
Одними из наиболее важных составляющих автономных РВК на базе дирижаблей являются спутниковая и инерциальная системы навигации. Системы навигации ГЛОНАСС/NAVSTAR позволяют определить текущие координаты дирижабля в глобальной системе координат, но имеют на сегодняшний день ряд существенных недостатков (ненадежность, неполная комплектация спутниками отечественной системы ГЛОНАСС, низкая точность), которые не позволяют использовать их в качестве основных источников информации. Инерциальные системы навигации представляют собой совокупность гироскопов, датчиков скорости и аксе, -жабля. Их совместное использование с системами спутниковой навигации позволит минимизировать погрешности определения координат состояния РВК. Малогабаритная интегрированная навигационная система «Компанав-2» российской компании «Текнол» объединяет в себе целый ряд авиационных приборов и, используя оригинальный алгоритм интегрирования данных GPS с измерениями ,
данных и параметров ориентации, что делает ее привлекательной для использования в РВК на базе дирижаблей.
1б5
Рис. 4. Автономный мобильный робот «Стерх» на базе мини-дирижабля
2
Телекамеры для СТЗ РВК
Наименование Разрешающая способность , люкс Оптическое увеличение - ние, В
SK-2172X 470 линий 0.1 22X 12
DM-0413 480 линий 0.003 23Х 12
JADE SWIR-J 220 S 320x256 точек - 1Х 80-240 переменного тока
Описанные выше подсистемы требуют обработки их выходных данных на , -сональный компьютер Biscuit PC PCM-9370 от компании Advantech с ЦП Transmeta Crusoe 500 МГ ц и 64 Мб оперативной памяти, расширяемой до 256 Мб за счет установки дополнительных модулей.
Результаты проведенных исследований реализованы в действующем прототипе автономного мобильного робота «Стерх» на базе дирижабля, представленного . 4, .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пшихопое В.Х. Дирижабли: перспективы использования в робототехнике./^., «Меха-тропика, автоматизация, управление». 2004. №5. С. 15-20.
2. Пших опое В.Х., Медеедее ММ. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов
// ., - -
темы. 2006. №1. С.103-109.
3. . . -
// .
4. Патент 2185279 (РФ). Устройство позиционно-траекторного управления мобильным роботом / Пшихопов В.Х. Опубл. в Б.П., 2002, №20.
5. . . -
// . - . . «Экс^емальная робототехника». Под научной ред. проф. Е.И. Юревича. СПб. 2001. С.59-68.
6. . ., . ., . . -ляторов для позиционно-траекторных систем управления адаптивными мобильными роботами на базе дирижаблей// Сб. трудов 12-й научно-техн. конф. «Экстремальная робототехника». Под научной ред. проф. Е.И. Юревича. СПб. 2002. C.45-54.
7. Pshikhopov V.Kh., Sirotenko M.J. Autonomous mobile robot control systems with neural network motion planners design // Proc. of the VIII Int. Conf. on Systems, Automatic Control and Measurements. Belgrad. Serbia and Montenegro. 2004. P.238-241.
УДК 629.7:004.8:007.5
..
Научно-производственное объединение «Мобильные Информационные Системы»
О ПРИМЕНЕНИИ МЕТОДОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ПЛАНИРОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ ПОЛЕТНЫХ ДАННЫХ
Современное интеллектуальное оружие - это управляемые на траектории ракеты, бомбы, торпеды и др., единым процессом функционально объединенные с системами информационного обеспечения, управления и связи, способные избирательно и эффективно при первом пуске с вероятностью близкой к единице поражать цели во всем диапазоне условий боевого применения.
В целях эффективного решения задач, преодоления противодействия противника такое оружие оснащается комплексными системами навигации и наведения, обнаружения радиолокационного облучения и преодоления ПВО. Для выбора оптимальных вариантов полета и целераспределения бортовые системы управления (БСУ) нового оружия и автоматизированные системы (АС) планирования его применения строятся на основе интеллектуальных методов обработки информации и .
Описывая полет ракет с подобными средствами, необходимо выделять харак-, , -полнения маневра выхода на линию пути, перестроений, группового полета, кор, -невра против обнаружения РЛС, целераспределения и наведения ПВО, а также выбора наиболее важных объектов для поражения.
Возможные параметры для всех ситуаций полета (координаты местонахождения, Т, 1- ^ Н, d Н, V, d V, а°, у°, курс, углы разворота, курсовые углы на РЛС, частоты, режимы работы, дистанции, интервалы, важность целей, приоритеты поражения и ограничения на управление и полет, данные по обстановке и т.д.) не могут быть удовлетворительно определены или описаны математически, ввиду чрезвычайной сложности их прогнозирования. Совместная работа элементов всей системы возможна при условии, что ИО, формирование заданий и последующее управление после пуска будут осуществляться с помощью интеллектуальных мето.
быть учтены современные тенденции в проектировании сложных программно-
