Актуальность работы. В последнее время, как у нас в стране, так и за рубежом ведутся интенсивные исследования по созданию микромеханических систем, в том числе летающих микророботов, которые в настоящее время выделились в новый класс — класс летательных микроаппаратов (ЛМА) [16].
Технологический прорыв в разработке основных элементов микромеханики, позволяет в настоящее время создавать летающие микророботы с массой от 100 грамм до 500 грамм и габаритами менее 150 мм.
Согласно проведенным маркетинговым исследованиям, повышенный интерес к этому классу аппаратов обусловлен появлением новых концепций применения таких аппаратов как в военно-технических, так и в гражданских целях [20].
При этом в качестве базовых моделей летательных микроаппаратов рассматриваются радиоуправляемые самолетные авиамодели, вертолетные и винтокрылые модели.
Однако использование радиоуправления существенно снижает потребительские свойства таких аппаратов из-за сложности процесса управления и ограниченного района их использования.
Автономно пилотируемый летательный микроаппарат (АП ЛМА) существенно отличается от дистанционно пилотируемых аппаратов (ДПЛА) и радиоуправляемых авиамоделей, то есть АП ЛМА не микро версия большого самолета или ДПЛА [22].
Этот класс аппаратов полностью самостоятелен и функционален в прикладном отношении. Аэродинамические свойства таких аппаратов определяются числами Рейнольдса менее 104, что примерно в 100 раз меньше, чем для существующих ДПЛА. Низкие числа Рейнольдса имеют фундаментальное значение для аэродинамики АП ЛМА и автономной системы.
При этом для АП ЛМА самолетной схемы требуются высокие отношения площади поверхности крыла к объему, а для винтокрылых АП JIMA — тяговооруженность к объему, что приводит к жестким весовым и объемным ограничениям. Из-за низких чисел Рейнольдса и нетрадиционных форм АП JIMA предъявляются высокие требования к системе управления (СУ) такими аппаратами. Технологические и проектные проблемы разработки, физического и программного комплексирования элементов, систем для обеспечения автономного полета АП JIMA определяют беспрецедентно высокий уровень мультифункциональных связей компонентов системы [31, 32].
Проблема комплексирования и физической интеграции является наиболее трудной, так как ее решение связано с миниатюрными размерами, ограничением веса, габаритов, мощности исполнительных органов и сложностью алгоритмов управления. Цель может быть достигнута только за счет высокоинтегрированной конструкции аппарата и СУ. Подобная степень интеграции и миниатюризации еще не достигалась в конструкциях традиционных ДПЛА [27, 40].
Учет относительно больших аэродинамических сил и моментов, возникающих в полете, за счет случайных атмосферных порывов ветра и неустойчивых потоков естественной турбулентности атмосферы для АП JIMA с малыми моментами инерции и малой тяговооруженностью, накладывает дополнительные жесткие требования как к выбору элементов, так и к алгоритмам и программно — математическому обеспечению СУ.
Кроме того, существенной проблемой при разработке АП ЛМА является обеспечение его навигацией. Инерциальная навигация, на основе микромеханических гироскопов и акселерометров, не позволяет обеспечить требуемую точность прохождения маршрута при продолжительном полете. Успехи в создании микро GPS — приемников позволяют обеспечить GPS навигацию АП ЛМА в открытом пространстве, но не обеспечивают в полной мере навигацию наземного комплекса управления (НКУ) в городских условиях и на пересеченной местности. Для GPS навигации необходимо наличие надежной линии связи между АП ЛМА и наземным комплексом управления. Основными факторами, определяющими надежность связи, являются: количество каналов связи, частота сигнала, мощность передатчика, энергопотребление, КПД антенны, высота и дальность полета. Проблемы связи возникают, прежде всего, из-за малых размеров аппарата, соответственно малых размеров антенны, ограниченной мощности для поддержания быстродействия передачи видеоизображения, так как основной полезной нагрузкой АП ЛМА является видеокамера и микродатчики. Сжатие изображения уменьшает требования к быстродействию, но требует увеличения производительной мощности бортового микропроцессора. Ограничения по мощности передатчиков означают, что использование всенаправленного сигнала из-за слабой напряженности поля в антенне невозможно и требуются направленные антенны НКУ для сопровождения аппарата по линии визирования.
Полезность и эффективность АП ЛМА более других зависит от функционирования автономной системы управления с бортовой ЭВМ и системы связи с НКУ.
В связи с вышеизложенным, является актуальным разработка математического и программного обеспечения автономной системы управления летательным микроаппаратом с целью повышения его эффективности.
Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка математического и программного обеспечения автономной системы управления летательным микроаппаратом.
В соответствии с целью работы были сформулированы следующие задачи исследований:
1. Выбор аэродинамической схемы ЛМА, как объекта управления и способа его управления.
2. Определение состава бортовой аппаратуры ЛМА и наземного комплекса управления.
3. Определение требований к автономной системе управления с учетом решения целевой задачи и внешних возмущающих воздействий.
4. Разработка математической модели управляемого движения ЛМА с выбранной аэродинамической схемой.
5. Выбор принципов построения системы управления ЛМА.
6. Синтез алгоритмов управления ЛМА при наличии перекрестных связей между каналами управления с учетом существенных нелинейностей.
7. Разработка математического и программного обеспечения для исследования динамических и точностных характеристик ЛМА.
8. Разработка испытательного стенда для отладки полученных алгоритмов и программного обеспечения.
9. Разработка пакета программ по проектированию, конструированию и моделированию АП ЛМА.
Методы исследования. В соответствии с поставленными задачами работы и целью исследований использовались аналитические и экспериментальные методы исследования сложных динамических систем. В качестве аналитических методов использовались методы математического анализа и конечных элементов, метод модального синтеза законов управления. Проверка математического и программного обеспечения и оценки его эффективности проводилась с помощью имитационно-моделирующего комплекса полунатурного моделирования и проведения летно-конструкторских испытаний.
Научная новизна работы Автором, в процессе проведения исследований, получены новые научные результаты:
1. Выбран технический облик летательного микроаппарата нетрадиционной аэродинамической схемы, обеспечивающий решение целевых задач локального экологического мониторинга.
2. Создана математическая модель управляемого движения ЛМА с выбранной аэродинамической схемой и управлением за счет регулирования вектора тяги двигателями с учетом перекрестных связей и существенных нелинейностей.
3. Определены принципы и рациональные схемы построения автономной системы управления JIMA и мобильного комплекса управления.
4. Осуществлен синтез алгоритмов управления движением ЛМА, разработано математическое и программное обеспечения для реализации синтезированных законов управления.
5. Разработано математическое и программное обеспечение для исследования устойчивости движения ЛМА и оценки его динамических и точностных характеристик.
6. Разработано математическое и программное обеспечение для испытательного стенда.
7. Предложена методика испытаний системы управления JIMA с включением реальной аппаратуры (макета ЛМА, исполнительных органов, бесплатформенной инерциальной системы).
Новизна работы подтверждается положительным решением ВНИИГПЭ от 25.02.2004 г. по заявке на изобретение № 2 003 105 729 «Портативный комплекс авианаблюдений и автономнопилотируемый летательный микроаппарат для него». Автор Абрамов C.B. в соавторстве.
Положения, выносимые на защиту.
1. Аэродинамическая схема ЛМА.
2. Алгоритмы и программноматематическое обеспечение автономной системы управление движением ЛМА для решения задач локального экологического мониторинга.
3. Математическое и программное обеспечение наземного комплекса управления.
4. Математическое и программное обеспечение для проведения полу натурных испытаний системы управления ЛМА.
5. Методика проведения полу натурного моделирования на имитационно-моделирующем комплексе.
6. Результаты моделирования системы управления АП ЛМА.
7. Результаты натурных испытаний мобильного комплекса локального мониторинга урбоэкосистем.
Практическая значимость работы. Широкое применение мобильного комплекса локального мониторинга урбоэкосистем построенного с использованием разработанного математического и программного обеспечения для автономной системы управления летательным микроаппаратом позволяет:
1. Решать задачи локального экологического мониторинга.
2. Исследовать движения ЛМА с нетрадиционной аэродинамической схемой с учетом наличия существенных нелинейных составляющих и перекрестных связей между каналами.
3. Синтезировать алгоритмы управления ЛМА, исходя из требований устойчивости, управляемости, наблюдаемости и динамической точности.
4. Реализовать полученные алгоритмы и программное обеспечение в интегрированной системе управления ЛМА (КИНД 402.113.024) на основе микромеханических гироскопов, акселерометров и микропроцессора.
5. Проводить отработку интегрированной системы управления автономно пилотируемого летательного микроаппарата с использованием разработанного программного математического обеспечения и предложенной методики испытаний на имитационно-моделирующем комплексе с включением реальной аппаратуры.
Обоснованность и достоверность полученных научных и практических результатов. Полученные научные и практические результаты подтверждены результатами экспериментов с использованием современных измерительных и вычислительных средств. Достоверность полученных результатов подтверждена наземными комплексными испытаниями мобильного комплекса управления и результатами лабораторно — отработочных испытаний на имитационно-моделирующем комплексе с включением реальной аппаратуры.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1. Научно-практической конференции «КОМПАС в образовании», МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2000 г.
2. «Пятой Российской конференции пользователей МБС», г. Москва, 2002 г.
3. Научно-техническом семинаре «Состояние и перспективы развития навигационных и гироскопических систем для авиации», НИИ ПМ, г. Москва, 2002 г.
4. Научной конференции профессорско-преподавательского состава МГУЛ «Системы измерения, информации и управления», г. Москва, 2003 г.
5. Научно-техническом совещание «Перспективы развития и внедрения ИЛИ — технологий (САЬБ-технологий) в НИИ ПМ», г. Москва, 2003 г.
6. «X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам», г. Санкт-Петербург, 2003 г.
7. Научно-практической конференции молодых специалистов и студентов памяти главного конструктора академика В. И. Кузнецова, г. Москва, 2003 г.
8. Научной конференции профессорско-преподавательского состава МГУЛ «Системы измерения, информации и управления», г. Москва, 2004 г.
9. Научно-практической конференции молодых специалистов и студентов памяти главного конструктора академика В. И. Кузнецова, г. Москва, 2004 г.
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертационной работы изложены и опубликованы в 14 научных работах, из них 8 печатных.
Реализация и внедрение результатов исследований. Основные научные результаты диссертационной работы внедрены в процессе проектирования и разработки мобильного комплекса локального мониторинга урбоэкосистем в ФГУП «НИИ ПМ имени академика В.И. Кузнецова». Наземного комплекса управления в ПО «Континент». Стенда для имитационного и полунатурного моделирования режимов работы систем управления летательного микроаппарата в ООО «Фирма — „Конус“». В ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» при разработке, изготовлении и испытаний двигательных систем и технологической оснастки. Кроме этого, основные выводы и положения работы внедрены в учебный процесс на кафедрах «Системы автоматического управления» МГУЛ, «Системы приводов авиационно-космической техники» МАИ и при разработке технологии ведения распределенного проектирования сложных систем в РВЦ-2 МАИ. Получено восемь актов о внедрении.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждому из них, заключения, списка используемой литературы, приложения и актов о внедрении. Объем диссертации составляет 148 печатных страниц, включая 79 рисунков, 39 таблиц.
Список литературы
содержит 54 наименования.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.
Разработана схема построения и аппаратный состав и программно-математическое обеспечение имитационно-моделирующего комплекса для полунатурного моделирования, испытаний и отработки алгоритмов и программно-математического обеспечения системы управления летательного микроаппарата.
Разработаны виртуальные приборы для отработки алгоритмов трехосной системы угловой стабилизации ЛМА.
Созданный имитационно-моделирующий комплекс и программно-математическое обеспечение позволило решить комплексные задачи полунатурного моделирования алгоритмов и режимов управления ЛМА, автоматизации процесса испытаний и обеспечить полную интеграцию измерительно-вычислительных комплексов, как на аппаратном, так и на программном уровне.
Результаты полунатурных испытаний двигательных установок и инерциальной системы показали возможность использования их в системе управления ЛМА.
Проведенные предварительные испытания алгоритмов управления в составе стенда имитационного и полунатурного подтверждают полученные ранее результаты теоретических исследований по построению автомата управления ЛМА.
Проведенные комплексные наземные испытания систем управления ЛМА в составе наземного комплекса управления и бортового блока автономной системы управления с видеокамерой показали безотказную работу аппаратных средств, алгоритмов и программно-математического обеспечения НКУ и ББ СУ ЛМА. Погрешности определения навигационных параметров бортовой навигационной системы и наземного комплекса управления по географическим координатам не более 10 м (15) по углам курса 1,2 — 4,3 угловых градусов, по углам тангажа и крена не более ±0,2 угловых градусов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Из проведенного анализа аэродинамических схем летательных микроаппаратов, технические характеристики разрабатываемых ЛМА можно сделать вывод, что винтокрылая схема наиболее предпочтительная, так как для нее не требуется организация взлетно-посадочной полосы.
Автономное пилотирование выгодно отличается от пилотируемого и дистанционно пилотируемого вариантов тем, что исключается человеческий фактор в обеспечение режима стабилизации летательного аппарата. Автономное пилотирование обеспечивает полет летательного аппарата вне зоны видимости оператора, который задает режим автопилота и принимает целевую информацию с летательного аппарата.
Проработка состава и характеристик бортовой аппаратуры автономно пилотируемых летательных микроаппаратов наблюдения, существующих аккумуляторов, двигателей, видеокамер с передатчиком видеоизображения, приемников глобальной навигационной системы, приемо-передающей аппаратуры, микромеханических бесплатформенных инерциальных блоков позволила выбрать наилучшие элементы с учетом накладываемых ограничений по массе и габаритам.
Выбран состав мобильного комплекса наблюдения. Определен аэродинамический облик летательного микроаппарата.
Рассчитаны массогабаритные характеристики ЛМА. Конкретизированы требования к ЛМА с учетом аэродинамических особенностей конструкции.
На основании требований к автономной системе управления ЛМА определена структура аппаратной и программной реализации алгоритмов.
Разработаны алгоритмы автономного управления летательным микроаппаратом.
Моделирование системы управления ЛМА проводилось с учетом внешних возмущающих моментов (ветровые нагрузки) — отличия ряда фактических параметров, от теоретических значений (скачкообразное изменение коэффициентов демпфирования, постоянных электродвигателей), возникающих из-за отклонений центра масс и центра давления аппарата от геометрического центра строительной системы координат.
На основании исходных данных получены результаты имитационного моделирования режимов работы системы автономного управления летательного микроаппарата.
По результатам моделирования можно сделать вывод, что для реализации режима взлета и зависания имеется возможность достижения высокого качества регулирования пространственным положением JIMA.
Определен состав наземного комплекса управления.
Разработана функциональная схема наземного комплекса управления с учетом требований локального мониторинга, выдвигаемых мобильному комплексу управления на основе летательного микроаппарата.
Определена структура картографической и геоинформационной системы наземного комплекса управления.
Разработана программная реализация картографического обеспечения НКУ на основании алгоритмов и программно-математическое обеспечение.
Разработано математическое и программное обеспечение для моделирования автономной системы управления летательного микроаппарата.
Определена технологическая цепочка взаимодействия программного обеспечения с учетом требований CALS стандарта и выглядит следующим образом: Autodesk Inventor, Компас, MSC. visualNastran Desktop, Matlab/Simulink, ANSYS, LabVIEW.
На основании разработанной модели JIMA и отработанной системы управления стабилизацией получены положительные результаты моделирования.
Результаты моделирования ветровых нагрузок на летательный микроаппарат методом конечных элементов подтвердили необходимость использования обтекателей между дефлекторами, что позволило снизить скорость потоков воздуха при обтекании ЛМА, избежать срывов потока воздуха.
Разработана схема построения и аппаратный состав и программно-математическое обеспечение имитационно-моделирующего комплекса для полунатурного моделирования, испытаний и отработке алгоритмов и программно-математического обеспечения системы управления летательного микроаппарата.
Разработаны виртуальные приборы для отработки алгоритмов трехосной системы угловой стабилизации ЛМА.
Созданный имитационно-моделирующий комплекс и программно-математическое обеспечение позволило решить комплексные задачи полунатурного моделирования алгоритмов и режимов управления ЛМА, автоматизации процесса испытаний и обеспечить полную интеграцию измерительно-вычислительных комплексов, как на аппаратном, так и на программном уровне.
Результаты полунатурных испытаний двигательных установок и инерциальной системы показал возможность использования их в системе управления ЛМА.
Проведенные предварительные испытания алгоритмов управления в составе стенда имитационного и полунатурного подтверждают полученные ранее результаты теоретических исследований по построению автомата управления ЛМА.
Проведенные комплексные наземные испытания систем управления.
ЛМА в составе наземного комплекса управления и бортового блока автономной системы управления с видеокамерой показали безотказную работу аппаратных средств, алгоритмов и программно-математического обеспечения наземного комплекса управления и бортового блока системы управления ЛМА.
Погрешности определения навигационных параметров бортовой навигационной системы и наземного комплекса управления по географическим координатам не более 10 м (18) по углам курса 1,2 — 4,3 угловых градусов, по углам тангажа и крена не более ±0,2 угловых градусов.
