CC BY
32
3. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический аппарат / пер. с нем. М.: Радио и связь, 1988.
4. Новосельцев В.И. Теоретические основы системного анализа. М.: Майор, 2006.
Кобякин Михаил Владимирович, начальник управления по перспективным разработкам, koh yakin'a, vnii signal. ru, Россия, Ковров, АО «Всероссийский научно-исследовательский институт «Сигнал»
DESIGNING AND USING ARTILLERY'S FIRING CONTROL' AUTOMATION DEVICES
UNDER THE MODERN CONDITIONS
M.V. Kohyakin
Reasons of artillery's firing control's automation devices' redundant design are considered. Directions of their design, based on embodiment features and unified approach to hardware and software of firing automated controlling complexes command vehicles (FACC), are determined. The methodology of providing FACC command vehicles' systems' parameters' stability during operation based on information support method, including "a priori" knowledge about systems' technical parameters' values' state with determination of FACC future maintenance time, is proposed.
Key words: automation devices, complex technical system, parameters' stability, information support.
Kobyakin Michail Vladimirovich, head of advanced development department, kobyakinavniisignal. ru, Russia, Kovrov, JSC All-Russian Scientific Research Institute "Signal"
УДК 629.7.05
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
С.В. Смирнов, Г.А. Кветкин, И.Л. Ажгиревич, П.Д. Зиновьев, А.В. Измайлов-Перкин, Л.И. Куликов
Рассматривается программно-аппаратный комплекс имитационного моделирования, задействованный в разработке и отладке алгоритмов управления беспилотным летательным аппаратом в системе автоматической посадки, основанной на радиотехнической системе локальной навигации.
Ключевые слова: система автоматической посадки, радиотехническая система локальной навигации, имитатор измерений, симуляция полёта БПЛА.
Введение. В АО «ЦНИИАГ» создан экспериментальный образец системы автоматизированной посадки (САП) летательных аппаратов (самолетов, вертолетов) на основе радиотехнической системы локальной навигации (РТСЛН) [1 - 5].
Проведенная летная отработка на легкомоторном самолете и ряде вертолетов подтвердила высокие точностные и эксплуатационные характеристики данной системы [6 - 9]. В процессе функционирования системы автоматизированной посадки пилоту воздушного судна на специальный дисплей - многофункциональный индикатор (МФИ) - выдается информация об отклонениях ЛА от требуемой траектории (рис.1), которую он парирует с помощью органов управления. В результате при сведении отклонений ЛА от требуемой глиссады к нулю обеспечивается безопасный заход на посадку даже в условиях ограниченной видимости.
Рис. 1. Общий вид многофункционального индикатора
В качестве потребителей системы посадки на основе РТСЛН наряду с пилотируемыми ЛА интерес представляют и беспилотные ЛА (БПЛА), но для них необходимо автоматизировать весь процесс захода на посадку. Это обусловливает необходимость разработки не только навигационного комплекса (разработанного в рамках работы с пилотируемой авиацией), но и системы автоматического управления (САУ) БПЛА.
Для решения этой задачи были проведены синтез замкнутого контура управления движением, математическое моделирование, полунатурная и экспериментальная отработка алгоритмов управления конкретным БПЛА с учетом точностных характеристик навигационной подсистемы вблизи расчетной глиссады.
Особенности создания и применения программно-аппаратного комплекса (ПАК) имитационного моделирования автоматической системы посадки БПЛА представлены в настоящей работе.
В жизненном цикле разработки немаловажное место занимает процесс отладки программно-алгоритмического обеспечения (ПАО), механизм которой определяется степенью интеграции кода. Так, при настройке алгоритмов навигационного блока САП отдельно от САУ (для пилотируемых ЛА) использовались, помимо смоделированных данных, записи реальных полетов на самолете и вертолете. Для этого разработано специальное ПАО-имитатор, которое, считывая данные, записанные в единой шкале времени при проведении полета, и формирует пакеты измерений каждого из датчиков в заданный момент времени. С целью оценки точности работы исследуемых алгоритмов навигационного комплекса (НК) используется запись внешнетраекторной информации (ВТИ), служащей для эталонирования эксперимента при условии ее строгой синхронизации с основным ПАО (рис. 2).
Рис. 2. Схема эталонирования эксперимента
Такой метод анализа отличается простотой реализации, требующей фактически только замены источника измерительной информации, и позволяет многократно отрабатывать записанный полёт, в том числе при различных модификациях алгоритмов НК САП.
При разработке экспериментального образца системы автоматической посадки (САП) БПЛА было принято решение о разработке ПАК имитационного моделирования, так как в его контур возможно включить алгоритмы САУ БПЛА. Однако для получения полностью замкнутого контура необходимо дополнить комплекс блоком моделирования поведения БПЛА, то есть его реакции на управляющие воздействия автопилота с учетом внешних возмущений (рис. 3).
Рис. 3. Схема интеграции блока моделирования БПЛА
64
Модель БПЛА. Модель БПЛА самолетного типа включает в себя следующие параметры: массу, линейные габариты, т.е. размах крыла и среднюю аэродинамическую хорду (САХ), а также моменты инерции относительно осей связанной с БПЛА системы координат (ССК). В качестве допущения предполагается, что тензор инерции БПЛА в ССК является диагональным. Кроме того, для вычисления аэродинамических сил и моментов, действующих на аппарат, модель должна включать в себя набор производных аэродинамических коэффициентов по углам атаки, скольжения, по угловым скоростям и по углам отклонения управляющих рулей. Для каждого летательного аппарата они определяются индивидуально в ходе продувки в аэродинамической трубе или виртуальной продувки в одном из математических пакетов. Подробное математическое описание используемой аэродинамической модели БПЛА можно найти в работе [10].
Кроме инерционных и аэродинамических характеристик объекта, важную роль играют характеристики сервоприводов, установленных на БПЛА. К ним относятся динамическое запаздывание, максимально возможная частота работы, наличие нелинейностей (например, люфтов).
Блок моделирования можно записать в виде следующего векторного нелинейного дифференциального уравнения:
х = / (X ,и ,Ж), (1)
где X - вектор состояния системы, имеющий размерность п = 12; и - вектор управления размерности т = 4; W - вектор ветровых возмущений размерности г = 3. Здесь векторы и, W являются входом блока моделирования, а вектор X - выходом.
В число компонент вектора X входят 3 проекции вектора скорости на оси ССК, 3 проекции вектора угловой скорости на оси ССК, 3 угла Крылова, а также 3 координаты БПЛА в земной системе координат О^пС (ЗСК), ориентация которой относительно ССК определяется углами Крылова, а точка О совпадает с началом ВПП.
Задача моделирования. Для реализации итерационного моделирования в ПАК необходимо ввести (рис. 4) блок инициализации начальных условий (ИНУ), а также блок формирования требуемой траектории (ФТТ).
Рис. 4. Схема запуска блока моделирования
65
Таким образом, в задачи комплекса входят синтез программной траектории, моделирование движения БПЛА, формирование измерений датчиков, обработка этих измерений программным обеспечением бортового навигационного комплекса, а также выработка сигналов управления БПЛА с последующим продвижением моделирования.
Отдельный интерес представляет задача моделирования в различных программных продуктах: модель БПЛА и САУ созданы и функционируют в моделирующем ПО высокого уровня, а ПАО НК САП - на языке программирования более низкого уровня. Актуальность такой постановки задачи обусловлена открывающимися возможностями по переходу к имитационному моделированию, то есть включению в замкнутый контур моделирования ПАО в том виде, в котором оно используется в САП БПЛА. Для решения этой задачи было необходимо выбрать интерфейсный механизм передачи данных и управления между средами моделирования, в качестве которого на основе результатов сравнительного анализа был выбран инструментарий сетевых сокетов с поддержкой протокола TCP/IP.
В результате схема была преобразована к виду, показанному на
рис. 5.
Рис. 5. Схема интеграции ПАО НК САП
Данное разграничение вычислений при моделировании позволяет:
1) выполнить оценку ПАО НК САП независимо от остального
ПАО;
2) оценить качество управления САУ при различных ветровых возмущениях и точностных характеристиках навигационного блока;
3) реализовать любой набор различных траекторий движения ЛА;
4) использовать при моделировании целевой вычислитель. Упрощённо процесс функционирования ПАК можно представить
следующим образом. ПАО НК САП устанавливает сетевое соединение с симулятором и отправляет ему свою конфигурацию для инициализации
сеанса моделирования. Затем симулятор формирует программную траекторию в соответствии со своими настройками и запускает цикл обмена, который включает три основных этапа. На первом из них по текущему состоянию модели рассчитываются показания датчиков первичной информации (ДПИ). Затем пакет с этими данными отправляется в НК, который выполняет расчет и отсылает в ответ пакет с навигационным решением. В соответствии с этим решением моделируется поведение системы управления, то есть вырабатываются сигналы управления, и симуляция полёта ЛА продвигается на следующий шаг.
Сетевая архитектура комплекса предусматривает возможность дальнейшего расширения и допускает включение в сеть штатного бортового многофункционального индикатора (МФИ), используемого в пилотируемом исполнении, и наземного контрольно-диспетчерского пункта (КДП) как в отладочных, так и в демонстрационных целях. Также возможна интеграция комплекса с визуализирующим ПО (в качестве такого ПО может выступать, например, авиасимулятор FHghtGear с открытым исходным кодом).
Отметим, что МФИ используется в качестве пилотажного прибора, сочетающего в себе авиагоризонт, компас, указатель скорости (воздушной и наземной), а также индикатор отклонения ЛА от программной глиссады. КДП позволяет дистанционно анализировать функционирование навигационного комплекса, предоставляя доступ к чтению его внутренних переменных.
Полная функциональная схема такого комплекса приведена на
рис. 6.
Рис. 6. Функциональная схема комплекса моделирования
Формирование программной траектории. Программная траектория представляет собой заданную глиссаду, которой предшествует участок горизонтального полета. Такая глиссада состоит из наклонного прямолинейного участка, гладко переходящего в экспоненту, «зарывающуюся» под поверхность ВПП, и лежит в вертикальной плоскости ВПП.
67
Чтобы избежать возникновения переходных процессов на наклонном участке, предлагается осуществлять захват программной траектории на горизонтальном участке, который должен предшествовать наклонному. Для обеспечения достаточной гладкости стыковки горизонтального и наклонного участков используется сглаживающий участок второго порядка (парабола). Таким образом, расширенная программная траектория состоит из 4 участков: горизонтального АВ, параболического ВС, наклонного CD и экспоненциального DE (рис. 7).
1_, м
Рис. 7. Профиль программной глиссады
Обобщением понятия «программная траектория» является термин «программный (желаемый) режим». В вертикальной плоскости он включает в себя, помимо желаемой высоты Ид, определяемой формой программной траектории ABCDE, программные значения вертикальной скорости УИ д и воздушной скорости уа^г д для каждой точки траектории. Будем задавать перечисленные параметры как функции продольной координаты £ локальной системы координат (ЛСК):
Ид = Ид (4); ум = (4) = У™гД =ушгА4) • (2)
Отдельного внимания требует выбор программного значения воздушной скорости уаг д (4) в соотношении (2) на протяжении всего полёта
вдоль глиссады. Выбор этой величины продиктован такими факторами, как особенности балансировки БПЛА, угол наклона траектории, присутствие экранного эффекта, уменьшение скорости перед касанием поверхности ВПП (для уменьшения силы удара).
Как уже было сказано, программная траектория лежит в плоскости 04п. Поэтому программные значения параметров, определяющих боковое движение, - бокового отклонения 4д, боковой скорости у ^ д и угла курса
у/д - тождественно равны нулю:
= о, а = о, (3)
Таким образом, соотношения (2) и (3) полностью определяют желаемый режим полёта БПЛА.
Дискретная модель измерений. В состав комплекса включён блок формирования инструментальных и методических ошибок (БФО) ДПИ. После подтверждения принципиальной работоспособности алгоритмов НК САП при эталонных измерениях ДПИ необходимо убедиться в их надёжности в условиях искажений измерительной информации, неизбежно свойственных реальным условиям использования.
Задача БФО - генерация выходного сигнала, статистические характеристики которого аналогичны определённым экспериментально характеристикам соответствующего датчика.
Для формирования выходного моделируемого сигнала используется во многом стандартная схема «окрашивания» белого шума единичной интенсивности формирующим фильтром [11]. Исходя из проведённых исследований и предположения, что случайные процессы, соответствующие ошибкам измерений используемых датчиков, являются эргодическими и стационарными, погрешности датчиков описываются экспоненциально-коррелированным гауссовским процессом, описываемым уравнением
х(г) = -ах(г) + 2а^а ■ w(t),
2 1 / где ах - дисперсия процесса; Т = У - интервал корреляции; w(t) - «бе/ 1л
лый» шум единичной интенсивности.
В случае измерений РТСЛН учитывалось аппаратное смещение нуля, а также методическая ошибка, связанная с округлением скорости распространения радиоволны в воздухе до значения 3*108 м/с (рис. 8, 9).
64
62
О ю
60
I . 1...............1—1—1.....1-4—1-|—1—1—1—1—|......I ; I |
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
^ с
Рис. 8. Смоделированные ошибки РТСЛН
и
"г
й <0 ю
-0.02
I ■ И111Л РШ П ИП I
1ШН И I ™ ШИ' I
1Г" МГЦ П1 ilflli.il
II
к.
I М'НШ
11н и! 1
I п П>ПП ЧПР1 I ШпРА ' 1М1 11 и N1' ИМ I
I ША шИ I 1 I V № 11ГIV!' I У" П!Ж II
II ' ■! ТII,Г Ш 1 "Ш|11" Мч ™Ш'и
иИ'111 .1у! Иь1|Ц ТШЛ.Цц . Дни .у I.,|1|I
Ша1Ш1 |пш' и»! № ни ш«ш I 11|И1
■и шпмшиши 11И1 н им м ш нинншн пиши
г |1 I 1Щ-И-1-
Рис. 9. Смоделированные ошибки ИИБ
Результаты моделирования. Рассмотрим типовую процедуру синтеза траектории и анализа работы ПАО НК САП.
Перед проведением основного эксперимента выполняется так называемый нулевой тест, позволяющий оценить правильность работы компонентов системы. В его ходе последовательно выполняются генерирование идеальных измерений ДПИ, расчёт навигационных параметров в ПАО НК САП и их сверка с заведомо известными параметрами эталонной траектории.
На рис. 10 пунктирными линиями показана ошибка решения навигационного комплекса, соответствующая нулевому тесту.
После завершения переходного процесса, связанного с выходом фильтра Калмана в установившийся режим, величина ошибки НК САП не превышает 1 мм на всей траектории, что позволяет судить о правильной работе как симулятора, так и самого НК САП.
Для дальнейшей отработки навигационных алгоритмов и повышения их робастности симуляция повторяется с активацией БФО. На рис. 10 сплошной линией показаны ошибки, порожденные измерительными шумами, сгенерированными в соответствии с рис. 8 и 9.
70
.- о
............
- с ошумлением
— без ошумления
-1
-2
5 10 15 20 25 30 35
1:, с
Рис. 10. Ошибки «идеального» решения
40
45
Из рисунка 10 можно видеть, что ошибка определения координаты Е убывает с приближением к точке посадки с 2 м при входе в глиссаду до 0,3 м при касании.
Выводы. Представленный комплекс позволяет существенно расширить возможности отладки программного обеспечения САП в части как навигационных алгоритмов, так и алгоритмов управления. Ошумление измерительной информации, моделирование её пропадания позволяют проводить работу по адаптации САУ к реальным условиям работы при камеральной обработке экспериментальных данных и снижают нагрузку на лётную отработку системы.
Список литературы
1. Automated landing system for general aviation vessels /
I.L. Azhgirevich, P.D. Zinovyev, A.V. Izmaylov-perkin, G.A. Kvetkin, A.V. Sviyazov, V.V. Shcherbinin // International Workshop Navigation and Motion Control proceedings. 2017. С. 26 - 31.
2. Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ «ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» 2010. 509 с.
3. 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.
4. Зиновьев П.Д., Кветкин Г.А. Комплекс датчиков первичной информации для беспилотного летательного аппарата // Навигация и управление движением: материалы XVIII Конференции молодых ученых с международным участием. 2016. С. 88 - 95.
5. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Программная реализация алгоритма функционирования автономной системы ближней радионавигации для автоматизированной системы посадки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 45 - 55.
6. Исследование точностных характеристик автономной системы ближней радионавигации при использовании на стационарном объекте / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 53 - 60.
7. Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Ажгиревич И.Л. Исследование точностных характеристик системы ближней радионавигации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. №
II. 4. Ч. 3. С. 67 - 74.
8. Коррекция азимутальной ошибки бесплатформенной инерциальной навигационной системы с помощью радиотехнической системы локальной навигации / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин, И.Л. Ажгиревич // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 3. С. 3 - 11.
9. Зиновьев П.Д., Кветкин Г.А. Корректируемая бесплатформенная инерциальная навигационная система на базе микромеханических датчиков первичной информации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 6. С. 33 - 45.
72
10. Куликов Л.И. Синтез автоматического управления посадкой БЛА в боковом канале с применением метода прогнозирования положения относительно программной траектории // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 3. С. 12 - 25.
11. Степанов О.А. Основы теории оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации. Ч. 1. Введение в теорию оценивания. СПб.: ГНЦ РФ «ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 509 с.
Смирнов Сергей Викторович, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], 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, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Зиновьев Пётр Дмитриевич, инженер, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Измайлов-Перкин Александр Викторович, инженер, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Куликов Леонид Игоревич, инженер, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
THE DESIGN OF THE SIMULATION AND MODELLING PLATFORM FOR A UAV
AUTOMATIC LANDING SYSTEM
S.V. Smirnov, G.A. Kvetkin, I.L. Azhgirevich, P.D. Zinovyev, A.V. Izmaylov-Perkin, L.I. Kulikov
This paper addresses a simulation and modelling platform designed for assistive tasks in development of the UAV automatic landing system, based on the Radio-Technical System for Local Navigation.
Key words: automatic landing system, Radio-Technical System for Local Navigation, measurement modelling, flight simulation, UAV.
Smirnov Sergey Victorovich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiagacniiag.ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Azhgirevich Igor Leonidovich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Zinovyev Petr Dmitrtievich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Izmaylov-Perkin Alexander Victorovich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Kulikov Leonid Igorevich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics"
