Структура системы управления беспилотных летательных аппаратов специального назначения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПрокопьевИ.ВБецков А.В.

Москва

СТРУКТУРАСИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВСПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Эффективное функционирование беспилотных летательных аппаратов в составе аэромобильных комплексов, обеспечивается автоматической системой управления (САУ), которая выполняет следующие задачи:

- обеспечение требуемых динамических свойств БПЛА;

- стабилизацию углового положения БПЛА;

- автоматизацию траекторного управления.

Система управления беспилотных летательных аппаратов в составе аэромобильных комплексов (АМК) специального назначения, должна обладатьживучестью. Живучесть системы управления БПЛА определяется, как способность СУ БПЛА продолжать функционировать, имея повреждения в различных частях СУ БПЛА. Решить эти и другие задачи можно с помощью двухуровневой организации управления, при которой второй уровень управления адаптируетпервый уровень к конкретным условиям. Эту адаптацию мож-нопредставить как некоторую перестройку параметров или переход к новой структуре системыуправле-ния первого уровня. Второй уровень это «интеллектуальный» модуль Авионики, имеющей программное обеспечение, способное при отказах каких либо систем выбирать альтернативные алгоритмы управления для продолжения полета.

В инженерном контексте интеллектуальное управлениеБПЛА должно обладать следующими свойствами: во первых - живучестью (устойчивостью к враждебным воздействиям);во вторых- способностью к обучению и адаптации;в третьих- способностью к включению новых компонентов; в четвертых - автономностью (при этом учитывается возможность потери связи с оператором).

Авионика БПЛА - комплекс аппаратно-программных средств, располагаемых на его борту, т. е. бортовая аппаратура управления (БАУ), которая обеспечивает все режимы полета и выполнение функциональной задачи. Авионика имеет радиоканал связи с наземной аппаратурой управления (НАУ).БПЛА, как объект управления, рулевые приводы органов управления, БАУ и НАУ образуют систему автоматического управления (САУ) БПЛА.Функциональная схема системы управления БПЛА приведена на рисунке 1.

Бортовая и наземная аппаратурауправления должна обеспечить следующие режимы полетаБПЛА:

- взлет и посадка в автоматическом режиме (возможны также ручной режим взлёта и посадкис управлением по радиоканалу оператором);

- полет в полуавтоматическом режиме с управлением по радиоканалу с корректировкой действий оператора бортовой аппаратурой управления (БАУ);

- полет в автоматическом режиме по контрольным точкам с одновременной посылкой телеметрии на наземную аппаратуру управления(НАУ).

В ручном режиме оператор, визуально оценивая поведение (состояние) БПЛА, с помощью НАУ отклоняет органы управления (рули,органы управления двигателем), приводимые в движение рулевыми машинками (РМ). Полуавтоматический режим возможен в радиусе действия радиоканала, который для малоразмерных БПЛА без применения специальных радиоантенных средств находится в пределах 2500 м.

Рисунок 1 - Функциональная схема системы управления БПЛА

Полуавтоматический режим управления (пилотирование) в данном случае осуществляется с помощью информации о пространственном положении БПЛА, получаемой по радиоканалу и отображаемой на виртуальной приборной панели НАУ. Действия оператора в этом режиме управления корректируются САУ, выполняющей функции автопилота, не допускающего потенциально опасных параметров движения БПЛА.

В полуавтоматическом режиме САУ БПЛА обеспечивает два информационных потока через радиоканал:

- от блока ручного управления к устройству управления автопилота;

- от датчиков и системы ориентации через модуль навигатор, интерфейс телеметрии на устройство визуализации параметров полета.

В полуавтоматическом режиме полета БПЛА модульавтопилота осуществляет контроль за командами НАУ:

- получает по радиоканалу команду от НАУ;

- получает текущую информации об угловой ориентации БПЛА и угловых скоростях по двум осям (углу крена и углу тангажа) от системы ориентации. При этомиспользуются комплексирование систем ориентации. Если БПЛА ориентирован в горизонтальной плоскости в пределах заданных значений углов и угловых скоростей по всем трем осям, то команда передастся на РМ, в противном случае на РМ передается команда стабилизации режима горизонтального полета, вырабатываемая алгоритмом автопилота.

Автоматический режим - это обеспечение полета по заранее заданному с помощью контрольных точек маршруту. В данном режиме возможно отсутствие радиосвязи БАУ с аппаратуройуправления и связи.

Указанный режим полета включается автоматически при выходе БПЛА из зоны видимости радиоканала. При этом команды от блока управления игнорируются. В этом режиме полета по показаниям систем ориентации и навигации и датчиков осуществляется автоматическое управление высотой и скоростью полета, курсом, возможно также управление отклонением от заданной траектории.

В автоматическом режиме полета управлениеосуществляется по принципу "наведение-стабилизация ".Модуль навигатора решает задачу наведения, т. е. вырабатывает команду наведения (включающую требуемое направление полета и текущее направление полета, вычисленное по сигналам систем ориентации, навигации и датчиков), которая транслируется "Автопилоту".

Модуль '"Автопилот" решает задачу стабилизации, т. е. обработки команды наведения и обеспечения устойчивости движения путем выработки команд управления РМ алгоритмом автопилота. В случае превышения заданных порогов (по углам и угловым скоростям) подастся команда стабилизации режима горизонтального полета, вырабатываемая алгоритмомавтопилотакак и в случае полуавтоматического управления. В автоматическом режиме на модуль навигатора ложится задача периодически проверять наличие связи по радиоканалу. В случае еёналичия модульнавигатор посылает данные телеметрии на землю. Основные функции САУ БПЛА в полуавтоматическом и автоматическом режимах выполняет автопилот, реализующий законы управления по каналам тангажа, рыскания и крена.

Полностью автоматическое управление БПЛА возможно при наличии соответствующей требуемым условиям точности пилотирования информации о текущем положении ЛА в пространстве (включая и угловое), а также информации о заданном движении БПЛА. Траекторное управление БПЛА различного назначения может быть командным (по командам, поступающим извне), программным (траектория сформирована и задается на борту в виде временных зависимостей), адаптивным терминальным, при котором управление осуществляется для достижения конечного результата (при этом можно выполнять ряд ограничений). Кроме траекторного управления, как правило, осуществляются угловая стабилизация и управление угловым положением БПЛА. Важнейшими задачами при создании такого управления БПЛА являются; обеспечение устойчивости движения на всех режимах полета с учётом возможных возмущений, отклонений исходных данных; достижение точности реализации целевого назначения ЛА; обеспечение живучести управления при заданных отказах, вызванных внешним воздействием, в системе управления;

При полете в автоматическом режиме БПЛА должен летать на малых высотах с огибанием рельефа местности. При этом должна быть обеспечена точность поддержания высоты в пределах трёх метров. Создание интеллектуальной системы автоматического управления БПЛА, ядром которой является бортовая аппаратура управления (Авионика), возможно только при использовании в системе управления вкачест-ве системы для оценки состояния БПЛА интегрированной системы ориентации и настройки коэффициентов автопилота на конкретные режимы полета БПЛА. В частности, должны быть предусмотрены варианты выхода из критических режимов полета, например из критического крена, который может возникнуть вследствие порыва ветра при совершении маневра по развороту и уклонению БПЛА от целенаправленных враждебных действий.

Основная цель комплексирования (объединения) систем ориентации и навигации заключается в повышении точности определения навигационных и угловых параметров ориентации БПЛА. Объединяться могут не только системы, но и отдельные датчики первичной информации (датчики давления, магниторезисторы, акселерометры и т. д.), вырабатывающие одни и те же параметры. При объединении нескольких навигационных измерителей наиболее широкое применение получили две схемы комплексирования, известные как способ компенсации и фильтрации [2].

Для повышения точности определения угловой ориентации БПЛЛ возможно комплексирование (объединение) систем ориентации различного типа. На рисунке 2 приведена блок-схема объединения модуля трехосевого магнитометра, пирогоризонта и модуля спутниковой навигационной системы (СНС)

GPS/ГЛОНЛСС. Трехосныймагнитометрвырабатывает по каждому каналу нормированные показания X , Y , Z . Пирогоризонт определяет углы тангажаJ и крена уп . Модуль GPS/ГЛОНЛСС принимает сигналы спутниковой навигационной системы и передает в блок расчета углов ориентации значения географических координатf , 1 путевого угла у и углов магнитного склонения D и наклонения І.На основании определенных попирометрическим датчикам углов тангажа и крена, в блокерасчета вычисляется угол курса. Таким образом, имеются значения углов курса,вычисленные по показаниям пирометров имагнитных датчиков и курс, выдаваемый модулемGPS. Это позволяет реализовать фильтр Калманадля оценки систе-

л л л

матических ошибокX , Y , Z магнитных датчиков. Такой способ комплексирования повышает точность определения углов тангажами кренаgи устраняет ошибки, связанные с наличием остаточных некомпен-

сированных магнитных помех и ошибку, обусловленную углом скольжения БПЛЛ.

Рисунок 2 GPS/ГЛОНАСС

Блок-схема комплексирования модуля магнитометров, пирогоризонта и модуля

Использование методов оптимальной Калмановской фильтрации предполагает, что параметры стохастического описания возмущений и ошибок измерений известны точно. На практике, в случае неопределенности параметров, настройка фильтра производится на априорные модели возмущений и ошибок измерений, что приводит к дополнительным потерям в точности оценивания. В этом случае ковариационная матрица не является оценкой точности вектора состояния, т.е. фильтр неправильно формирует точностную характеристику (ковариацию ошибки оценивания) вместе с оценкой вектора состояния.Для повышения точности вектора состояния, вместе с Калмановской фильтрацией разработан алгоритм нейросе-

тевой аппроксимации произвольной плотности распределения вероятности.Нейросетимогут обучаться на реальных измерениях, а не на модели погрешностей, что позволяет обойти неопределенности модели.

Перспектива в разработке САУ БПЛА заключается в создании "интеллектуальной" авионики, имеющей программное обеспечение, способное при отказах каких либо систем выбирать альтернативные алгоритмы управления для продолжения полета.

ЛИТЕРАТУРА

1. Распопов В. Я. Микросистемная авионика. Тула: «Гриф и К», 2010.-248с.:

2. Н.А.Северцев, А.Н.Катулев. Исследование операций: принципы принятия решений и обеспечение

безопасности. Тверь 1999.

3. А.В.Бецков Формирование ифункционирование аэромобильных комплексов МВД России. М.: ТЕИС,

2010 .

4. Осовский С. Нейронные сети для обработки информации. М.: Финансы и статистика, 2002.

5. Хайкин, Саймон. Нейронные сети: полный курс, 2-е издание.: Пер. англ. М. Издательский дом

"Вильямс", 2006. 1104 с.: ил.Парал. тит. англ.

6. В.Г.Курбанов. Математические методы в теории управления. Санкт-Петербург 2009.

7. В.А.Чулюков, И.Ф.Астахова, А.С.Потапов, И.Л.Каширина, Л.С.Миловская, М.В.Богданова,

Ю.В.Просветова. Системы искусственного интеллекта. Практический курс. М.: Бином. Лаборатория знаний .2008.

8. Т.Кохонен. Самоорганизующиеся карты. Перевод 3-го издания В.Н.Агеева М.: Бином. Лаборатория знаний. 2008.

9. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001.