СУДОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к специализированному судовому оборудованию, предназначенному для посадки беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на судно малого водоизмещения.
Вследствие уникальных эксплуатационных и технических особенностей, с которыми сталкивается флот при использовании на судах гражданского назначения беспилотных летательных аппаратов, важное значение имеет поиск проектных решений, обеспечивающих возможность размещения на судне требуемых средств посадки. Например, обеспечение взлетно-посадочной полосы, на которую непосредственно осуществляется посадка с последующим пробегом и торможением. Однако решение этого вопроса в большинстве случаев связано с необходимостью значительного изменения внешней архитектуры судна (изменение положения надстроек, навигационного оборудования, средств погрузки и т.д.), что не всегда приемлемо для проектанта судна в связи с возможными существенными изменениями некоторых эксплуатационных и технических характеристик судна.
Наиболее простым решением является спуск БПЛА на парашюте и его посадка на воду. Недостатком этого метода является необходимость восстановительного ремонта аппарата, который подвергается коррозии от воздействия соленой воды, что связано со значительными расходами.
Отрабатываются также различные методы посадки аппаратов на палубу судна, некоторые из которых используют средства, аналогичные средствам для посадки БПЛА на сушу, например, посадка БПЛА в сети или посадка с использованием крыла-парашюта, подхватываемого штангой, укрепленной на вертикальном шесте, и др.
Система посадки БПЛА [1], использующая сети, содержит горизонтальную посадочную сеть, натянутую между двумя прицепами, две вертикальные сети, установленные с двух сторон над горизонтальной сетью, и закрепленную на карданном подвесе телекамеру, которая расположена на определенном расстоянии от центра горизонтальной сети позади одной из вертикальных сетей. Высота установки и угол наклона телекамеры отрегулированы так, чтобы обеспечить снижение БПЛА по глиссаде с наклоном 4° в середину вертикальной сети, находящейся против ветра. Автоматическое следящее устройство сопровождает БПЛА и реагирует на любое отклонение аппарата от расчетной посадочной траектории.
Сигналы ошибок, соответствующие этим отклонениям, поступают на станцию (пульт) управления БПЛА, которая при помощи радиоканала связи передает на приближающийся БПЛА сигналы коррекции посадочной траектории: «вправо» - «влево», «вверх» - «вниз». Бортовой блок БПЛА обрабатывает данные и формирует сигналы управления сервомеханизмами, которые приводят в действие поверхности управления пространственным положением БПЛА, корректирующие траекторию полета БПЛА. Для смягчения удара при посадке на нижней части фюзеляжа может быть установлено специальное амортизирующее устройство.
2
Другой вариант [2] судового посадочного устройства для БПЛА содержит вертикальный шест с укрепленной на нем штангой длиной 4,5 м, предназначенной для подхвата крыла-парашюта, с помощью которого спускается БПЛА. Парашют общей площадью 18 м должен раскрываться на конечном участке подлета аппарата к судну и обеспечивать снижение его скорости до 18-35 км/ч.
Общим недостатком вышеуказанных посадочных систем является значительный уровень технического риска (высокая вероятность повреждения оборудования и конструкций судна) вследствие расположения посадочного устройства в непосредственной близости от элементов конструкции судна,
Менее габаритным является посадочное устройство «Струна» [3] на основе кран-балки, расположенной на борту судна, К концу балки крепится подвижный замок, расположенный вертикально относительно палубы. При подлете к посадочному устройству из БПЛА автоматически выбрасывается трос, который с помощью карабина зацепляется за подвижный замок. После зацепления тросом посадочного замка происходит автоматическое выключение двигателя БПЛА.
Известен также БПЛА экологического мониторинга [4], имеющий фал длиной ≈1,5 м. На свободном конце фала закреплен шарик диаметром 5-8 см, с поверхностью из металлической сетки, предназначенный для взятия пробы с водной поверхности в местах, недоступных судну.
Посадка БПЛА осуществляется следующим образом. При помощи системы автоматического управления полетом БПЛА приводится в створ направляющих посадочного устройства. Пролетая над ними, БПЛА своим фалом попадает в карабин и зацепляется шариком за замок. После этого двигатель БПЛА выключается, и БПЛА повисает за бортом судна. Затем горизонтальную штангу с направляющими поворачивают на 90-180° и освобождают БПЛА от замка.
Преимуществом судовых посадочных устройств [3, 4] является то, что коридор, по которому БПЛА движется к посадочному устройству, находится вне контура судна, В случае промаха можно повторить маневр посадки при наличии запаса горючего на борту.
Недостатком этих систем является необходимость размещения на борту БПЛА телевизионной или радиолокационной системы самонаведения, обеспечивающей точное наведение БПЛА в точку прицеливания судового посадочного устройства, что не всегда экономически целесообразно. Кроме этого, существенным недостатком рассмотренных выше систем посадки является невысокая точность наведения БПЛА в точку прицеливания в условиях качки судна.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели, является система управления посадкой БПЛА [5].
Система по прототипу содержит устройство захвата и торможения БПЛА, телевизионную камеру, направленную своей оптической осью на точку прицеливания устройства захвата и торможения БПЛА, вычислительный блок отработки бортовой качки, вход которого соединен с выходом датчика крена судна, и пульт управления, в состав которого входят видеомонитор, соединенный с телевизионной камерой, и блок формирования команд управления, соединенный с передатчиком станции радиосвязи с БПЛА. При этом устройство захвата и торможения БПЛА и телевизионная камера вынесены за борт судна с помощью балок, закрепленных на соответствующих стойках посредством верхних шарнирных механизмов, обеспечивающих разворот балок в горизонтальной плоскости, а для разворота стоек с балками в вертикальной плоскости используются нижние шарнирные механизмы. Кроме этого, телевизионная камера закреплена на своей выносной балке посредством шарнирного механизма крепления телевизионной камеры. Каждый из выше указанных шарнирных механизмов кинематически связан с соответствующим следящим приводом, а управляющие входы следящих приводов соединены с соответствующими выходами вычислительного блока отработки бортовой качки.
Важным достоинствам судовой системы посадки БПЛА по прототипу является то, что вынесение устройства захвата и торможения БПЛА за контур судна при помощи поворотной балки снижает возможность повреждения судна при промахе БПЛА и позволяет повторить маневр захода на посадку, если сцепление БПЛА с захватным устройством не состоялось.
Кроме этого, оснащение стоек, балок и телевизионной камеры шарнирными механизмами, приводимыми в движение по сигналам блока отработки бортовой качки, позволяет стабилизировать положение посадочного оборудования и произвести посадку БПЛА при значительной качке судна.
Существенными недостатками прототипа являются следующие:
- необходимость установки на судне двух разнесенных вдоль корпуса судна на значительное расстояние стоек с выносными балками для крепления устройства захвата и телевизионной камеры не позволяет (при деформации корпуса судна под действием внешних условий) точно юстировать оптическую ось телевизионной камеры с точкой прицеливания устройства захвата, что приводит к увеличению ошибок приведения БПЛА к зацепу устройства захвата;
- для стабилизации точки прицеливания устройства захвата и оптической оси телевизионной камеры в линейных координатах вертикальной и горизонтальной плоскостей, а также ориентации углового положения телевизионной камеры в системе используются пять электромеханических следящих приводов, четыре из которых - силовые приводы поворота балок и стоек. Это приводит к загромождению верхней палубы судна, что недопустимо для малотоннажных судов, а также к существенному усложнению и утяжелению судового оборудования, обеспечивающего посадку БПЛА;
- для управления следящими приводами балок, стоек и телевизионной камеры используется только информация с датчика углов крена судна, поэтому не учитываются перемещения, вызванные килевой и вертикальной качкой. Это также приводит к увеличению ошибок приведения БПЛА к зацепу устройства захвата.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности приведения БПЛА к устройству захвата и торможения БПЛА в условиях качки судна при одновременном сокращении объема размещенного на палубе посадочного оборудования.
Сущность полезной модели заключается в том, что в судовую систему управления посадкой беспилотного летательного аппарата, содержащую телевизионную камеру, устройство захвата и торможения БПЛА, установленное на выносном конце кран-балки, которая оснащена шарнирным механизмом для разворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также блок измерения параметров качки и пульт управления, содержащий видеомонитор и устройство формирования сигналов управления, сигнальный выход которого соединен с передатчиком станции радиосвязи с БПЛА, дополнительно введен дальномер, оптическая ось которого и оптическая ось телевизионной камеры направлены в зону нахождения БПЛА при посадке, при этом выходы блока измерения параметров качки, на которых формируются сигналы углов бортовой, килевой, вертикальной качки и угла рыскания судна, соединены с соответствующими входами блока определения текущего смещения точки прицеливания, блока определения поля зрения телевизионной камеры и блока формирования сигналов стабилизации кадра, входящих в состав устройства формирования сигналов управления, которое, кроме этого, содержит блок формирования сигналов коррекции траектории, блок определения прогнозируемого положения точки прицеливания, соответствующие входы которого соединены с выходом блока определения текущего смещения точки прицеливания и выходом блока определения скорости сближения БПЛА с судном, а выход соединен с соответствующим входом блока формирования сигналов коррекции траектории, кроме этого, устройство формирования сигналов управления содержит блок оценки дистанции ослепления, к выходу которого подключен соответствующий вход блока формирования сигналов коррекции траектории, блок формирования проекций изображения траектории, сигнальный вход которого соединен с выходом блока формирования сигналов стабилизации кадра, последовательно соединенные блок определения углового положения БПЛА и блок определения линейных координат БПЛА, к выходу которого подключены входы блока формирования проекций изображения траектории и блока формирования сигналов коррекции траектории, а также блок памяти постоянных конструктивных параметров, выходы которого соединены с соответствующими входами блока определения поля зрения телевизионной камеры, блока определения текущего смещения точки прицеливания, блока формирования сигналов стабилизации кадра и блока формирования сигналов коррекции траектории, выход которого образует сигнальный выход устройства формирования сигналов управления, при этом к выходу дальномера подключены соответствующие входы блока определения линейных координат БПЛА, блока оценки дистанции ослепления, блока определения скорости сближения БПЛА с судном, блока формирования сигналов стабилизации кадра и блока формирования проекций изображения траектории, выходы которого подключены к соответствующим входам, начиная со второго, переключателя проекций изображения, выход которого соединен с видеомонитором, а первый вход, соединенный с сигнальными входами блока определения углового положения БПЛА и блока формирования сигналов стабилизации кадра, подключен к выходу телевизионной камеры, вход настройки которой соединен с выходом блока определения поля зрения телевизионной камеры.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
фиг.1 - схема размещения судового и бортового оборудования для посадки БПЛА;
фиг.2 - структурно-функциональная схема судовой системы управления посадкой;
фиг.3 - конструкция устройства захвата и торможения БПЛА;
фиг.4 - структурно-функциональная схема устройства формирования сигналов управления;
фиг.5 - схема проекции зоны обзора телевизионной камеры на горизонтальную плоскость (проекция XZ);
фиг.6 - вид проекции ZY изображения процесса сближения БПЛА с устройством захвата и торможения БПЛА на экране видеомонитора;
фиг.7 - вид проекции XZ изображения процесса сближения БПЛА с устройством захвата и торможения БПЛА на экране видеомонитора;
фиг.8 - вид проекции XY изображения процесса сближения БПЛА с устройством захвата и торможения БПЛА на экране видеомонитора;
На фиг.1-3 приняты следующие обозначения:
1 - беспилотный летательный аппарат,
2 - судно,
3 - система управления движением БПЛА,
4 - приемник станции радиосвязи с БПЛА,
5 - выдвижной карабин,
6 - световой фонарь,
7 - устройство захвата и торможения БПЛА,
8 - телевизионная камера,
9 - дальномер,
10 - кран-балка,
11 - пульт управления,
12 - видеомонитор,
13 - устройство формирования сигналов управления,
14 - панель органов управления,
15 - передатчик станции радиосвязи с БПЛА,
16 - блок измерения параметров качки судна,
17 - шарнирный механизм крепления кран-балки,
18, 19 - электроприводы,
20 - точка прицеливания устройства захвата и торможения БПЛА (далее по тексту - точка прицеливания),
21 - корпус устройства захвата и торможения,
22 - тормозное устройство,
23 - дугообразный зацеп,
24 - лонжерон,
25 - ось поворота лонжерона.
Согласно фиг.1 в состав оборудования, обеспечивающего управление посадкой БПЛА, входят бортовое оборудование беспилотного летательного аппарата 1 и судовая система управления посадкой, размещенная на судне 2.
Бортовое оборудование БПЛА 1 содержит систему 3 управления движением, формирующую сигналы управления приводами рулевых механизмов, которые обеспечивают пространственную ориентацию БПЛА. Управляющий вход системы 3 управления движением соединен с выходом приемного устройства 4 станции радиосвязи с БПЛА. Для осуществления захвата БПЛА 1 в средней части его фюзеляжа установлен выдвижной карабин 5 с крюком, а для улучшения визуального наблюдения БПЛА при заходе на посадку в носовой оконечности фюзеляжа установлен световой фонарь 6 (или светоотражательный элемент).
В состав судовой системы управления посадкой (фиг.1, 2) входят: устройство 7 захвата и торможения БПЛА, обеспечивающее сцепление с крюком карабина 5 и торможение БПЛА, телевизионная камера 8 и дальномер 9, оптические оси которых направлены в центр зоны возможного нахождения БПЛА при подлете к судну 2, и пульт 11 управления.
Устройство 7 захвата и торможения БПЛА, телевизионная камера 8 и дальномер 9 установлены на выносном конце кран-балки 10, который в рабочем положении отстоит от борта судна на расстояние b=(1,5-3) м. Величина b должна быть больше половины суммарной ширины БПЛА и ширины зоны зацепления, чтобы не допустить касания БПЛА борта судна 2 во время значительной качки судна.
Как показано на фиг.2, кран-балка 10 установлена на палубе вблизи борта судна 2 и оснащена шарнирным механизмом 17, который приводится в движение посредством электропривода 18 разворота кран-балки в вертикальной плоскости и электропривода 19 разворота кран-балки в горизонтальной плоскости относительно палубы судна. Электропитание на приводы 17, 18 подается с пульта 11 управления. (Схема распределения электропитания не имеет непосредственного отношения к существу заявки и для простоты не рассматривается).
Пульт 11 управления содержит видеомонитор 12 и устройство 13 формирования сигналов управления, входы которого соединены с телевизионной камерой 8, дальномером 9, блоком 16 измерения параметров качки судна и панелью 14 органов управления, а выходы соединены с видеомонитором 12 и передатчиком 15 станции радиосвязи с БПЛА.
Для передачи на БПЛА управляющих команд используется стандартная аппаратура беспроводной компьютерной связи, например, «Wi-Fi» или устройство телеуправления.
Конструкция устройства 7 захвата и торможения выбирается в зависимости от типа используемого БПЛА. Один из возможных вариантов реализации устройства 7 приведен на фиг.3.
Устройство 7 содержит корытообразный, открытый сверху корпус 21, по бокам которого расположены два тормозных устройства 22 поршневого типа. Штоки тормозных устройств 22 шарнирно соединены с дугообразным зацепом 23. Верхняя точка 20 зацепа 23 является центром зоны, попадание в которую центра карабина 5 обеспечивает захват БПЛА 1 устройством 7. Эту точку 20 будем называть точкой прицеливания (ТП).
На внутренней стороне корпуса 21 размещены лонжероны 24 (4 вогнутые пластины), которые могут поворачиваться вокруг осей 25, жестко скрепленных с корпусом 21.
Устройство 13 формирования сигналов управления представляет собой электронно-вычислительную машину, структурно-функциональная схема которой приведена на фиг.4, где обозначены:
26 - блок определения углового положения БПЛА относительно оптической оси телевизионной камеры (далее по тексту - блок определения углового положения БПЛА);
27 - блок определения линейных координат БПЛА относительно точки прицеливания (далее по тексту - блок определения линейных координат БПЛА);
28 - блок определения текущего смещения точки прицеливания,
29 - блок определения прогнозируемого положения точки прицеливания,
30 - блок определения скорости сближения БПЛА с судном,
31 - блок оценки дистанции ослепления,
32 - блок формирования сигналов коррекции траектории,
33 - блок определения поля зрения телевизионной камеры,
34 - блок формирования сигналов стабилизации кадра,
35 - блок формирования проекций изображения траектории,
36 - блок памяти постоянных конструктивных параметров,
37 - блок настройки контуров управления и обратной связи,
38 - сумматор,
39 - переключатель проекций изображения,
40 - блок переключателей режимов управления,
41 - ручка управления полем зрения телевизионной камеры,
42, 43 - ручки установки коэффициентов.
Согласно фиг.4 к выходу телевизионной камеры 8 подключены сигнальные входы блока 34 формирования сигналов стабилизации кадра, блока 26 определения углового положения БПЛА и, через первый контакт переключателя 39 проекций изображения - вход видеомонитора 12. Второй, третий и четвертый контакты переключателя 39 соединены с выходами блока 35 формирования проекций изображения траектории, сигнальный вход которого подключен к выходу блока 34 формирования сигналов стабилизации кадра.
ZUM
IZUM
К выходу блока 16 измерения параметров качки подключены соответствующие входы блока 28 определения текущего смещения точки прицеливания, блока 34 формирования сигналов стабилизации кадра и блока 33 определения поля зрения телевизионной камеры, выход которого по сигналу U фокусировки изображения через сумматор 38 соединен с входом настройки телевизионной камеры 8, а второй вход сумматора 38 соединен с контактами ручки 41 управления полем зрения телевизионной камеры (сигнал U), расположенной на панели 14 органов управления пульта 11.
КЧ
КЧ
КЧ
КЧ
В качестве блока 16 измерения параметров качки может быть использован вычислитель, соединенный с датчиками, определяющими угол Ψ рыскания судна, углы γ и ϑ бортовой и килевой качки и значение h вертикального отклонения центра масс судна. При этом на выходе блока 16 формируются временные зависимости Ψ(t) γ(t), ϑ(t), h(t), характеризующие амплитуду, частоту и фазу колебаний рыскания, бортовой и килевой качки и вертикальных колебаний центра масс судна. При наличии на судне навигационной системы эти данные поступают непосредственно из нее.
К выходу дальномера 9 подключены соответствующие входы блока 27 определения линейных координат БПЛА, блока 30 определения скорости сближения БПЛА с судном, блока 31 оценки дистанции ослепления, блока 34 формирования сигналов стабилизации кадра и блока 35 формирования проекций изображения траектории.
γ
Ψ
ϑ
1
1
2
2
Ψпр
ϑпр
Ψ
ϑ
Выходы блока 36 памяти постоянных конструктивных параметров, с которых считываются значения расстояний R, R, R от точки прицеливания 20 до соответствующих осей колебаний судна, а также значения горизонтальной и вертикальной координат телевизионной камеры 8 (Z, Y) и дальномера 9 (Z, Y) относительно точки прицеливания, соединены с соответствующими входами (для простоты обозначены одной линией связи) блока 33 определения поля зрения телевизионной камеры, блока 28 определения текущего смещения точки прицеливания, блока 34 формирования сигналов стабилизации кадра и блока 32 формирования сигналов коррекции траектории. Выходы блока 36 памяти постоянных конструктивных параметров, с которых считываются программные значения Ку, Ку коэффициентов обратной связи контуров управления по углам Ψ, ϑ, подключены к первому и второму входам блока 37 настройки контуров управления и обратной связи, третий и четвертый входы которого соединены с ручками 42, 43 установки коэффициентов Ку, Ку, расположенными на панели 14 органов управления, а выходы блока 37 соединены с соответствующими входами блока 32 формирования сигналов коррекции траектории.
Блок 37 настройки контуров управления и обратной связи выполнен на основе последовательно соединенных (в каждом канале) ключа, электронного регулятора и сумматора.
АТ
АТ
А
А
Выходы блока 26 определения углового положения БПЛА, на которых формируются текущие значения угловых координат Ψ, ϑ БПЛА (обозначены одной линией связи), соединены с входами блока 27 определения линейных координат БПЛА (относительно точки прицеливания), к выходам которого (сигналы y(t), z(t)) подключены входы блока 32 формирования сигналов коррекции траектории и блока 35 формирования проекций изображения траектории.
КЧ
КЧ
ПР
ПР
осл
кор
кор
Выходы блока 28 определения текущего смещения точки прицеливания (обозначены одной линией связи), на которых формируются текущие значения координат y(t), z(t) точки прицеливания, подключены к входам блока 29 определения прогнозируемого положения точки прицеливания, второй вход которого соединен с выходом блока 30 определения скорости сближения БПЛА с судном. Выходы блока 29 определения прогнозируемого положения точки прицеливания (сигналы y(t), z(t)), а также выход блока 31 оценки дистанции ослепления D подключены к соответствующим входам блока 32 формирования сигналов коррекции траектории, выходы которого (сигналы Ψ, ϑ)через блок 40 переключателей режимов, расположенный на панели 14 органов управления, соединены с передатчиком 15 станции радиосвязи с БПЛА.
На фиг.5 представлена схема зоны обзора телевизионной камеры 8 в горизонтальной плоскости (проекция XZ). В качестве телевизионной камеры 8 может использоваться, например, WCM-101 (Rugged Mini PTZ Camera).
Оптическая ось объектива телевизионной камеры 8, установленной на кран-балке 10 около устройства 7 захвата, расположена так, чтобы наблюдать БПЛА на дистанции от начала маневра посадки до минимально возможного расстояния зацепления карабина 5 с зацепом 23 устройства 7. Угловое поле зрения телевизионной камеры в горизонтальной плоскости показано заштрихованным сектором.
1
1
2
2
Основной особенностью размещения телевизионной камеры в предлагаемой системе, является невозможность совмещения ее с точкой 20 прицеливания - центром зоны безаварийного зацепления карабина 5 БПЛА с вершиной дуги зацепа 23 в вертикальной плоскости YZ, как показано на фиг.2. Смещение оптической оси телевизионной камеры 8 от точки прицеливания обозначено в общем случае двумя координатами - Y и Z. Аналогично смещение оптической или электрической оси дальномера 9, установленного рядом с телевизионной камерой, от точки прицеливания по двум координатам обозначено Y и Z. Это смещение определяет величину дистанции слепой зоны, указанной на фиг.5.
Функционирование судовой системы управления посадкой БПЛА происходит следующим образом.
0
Предварительно, до появления БПЛА 1 в зоне наблюдения, оператор с пульта 11 управления включает электропитание приводов 18 и 19 и приводит кран-балку 10 в рабочее положение для приема БПЛА, устанавливая ее наклонно, с учетом допустимой амплитуды бортовой качки, например, под углом φ=15°, как показано на фиг.2.
Бортовая система 3 управления движением БПЛА 1 по заданной полетным заданием программной траектории обеспечивает приведение БПЛА в заданную зону нахождения судна 2 с точностью несколько десятков или сотен метров [6].
тр
тр
При подлете БПЛА к зоне нахождения судна бортовая система 3 управления движением БПЛА обеспечивает удержание его на расчетной безопасной высоте (траекторный угол движения ϑ≈0) и на постоянном расчетном значении направления движения в горизонтальной плоскости Ψ.
тр
тр
кор
кор
После того, как БПЛА попадает в зону визуальной видимости или в поле зрения телевизионной камеры 8, управление траекторией его движения корректируется путем суммирования программных сигналов ϑ, Ψ и сигналов коррекции траектории ϑ, Ψ, значение которых вырабатывает блок 32 формирования сигналов коррекции траектории и через судовой передатчик 15 передает на бортовой приемник 4, связанный с системой 3 управления движением БПЛА.
Таким образом, сигнал управления движением БПЛА:
Для расчета основных геометрических соотношений, необходимых для формирования управляющих сигналов, используется система декартовых координат с центром в точке 20 прицеливания устройства 7 захвата и торможения БПЛА при неподвижном положении судна. Горизонтальная ось X, проходящая через точку 20 прицеливания, параллельна диаметральной плоскости судна. Ось Y - вертикальная ось, ось Z - перпендикулярна плоскости XY, как показано на фиг.2, 3.
Идеальной траекторией подхода БПЛА к устройству 7 захвата и торможения БПЛА считается движение по оси X.
АТ
АТ
Наблюдаемое угловое отклонение (рассогласование) ϑ и Ψ положения БПЛА относительно оптической оси телевизионной камеры 8 определяется из соотношений:
,
А
А
ТК
ТК
АТ
где Y и Z - координаты БПЛА в вертикальной и горизонтальной плоскостях, Y и Z - координаты телевизионной камеры 8 в вертикальной и горизонтальной плоскостях, D - дистанция между БПЛА и телевизионной камерой.
А
АТ
АП
А
АТ
АП
Ввиду того, что разница между D - дистанцией измеряемой дальномером, D- дистанцией до телевизионной камеры и D - дистанцией до точки прицеливания, мала, то за границами слепой зоны можно считать их одинаковыми, т.е. D=D=D.
АТ
АТ
В пределах слепой зоны нет возможности измерения величин ϑ и Ψ, поэтому точные измерения дистанции не нужны.
АТ
Вычисление углового значения ϑ происходит в блоке 26 определения углового положения БПЛА путем подсчета числа строк видеокадра телевизионной камеры 8, формируемого в виде цифрового сигнала U (i, j), в котором наблюдается контрастное изображение БПЛА, а именно
АТ
0
ϑк
j
ϑк
где j - номер строки развертки телевизионного сигнала, на которой находится центр изображения светового фонаря 6 или отражателя подсветки излучения лазерного дальномера; j - номер строки, на которой находится оптическая ось телевизионной камеры в вертикальной плоскости; Θ, град, - угол зрения телевизионной камеры, соответствующий вертикальному изображению кадра телевизионного сигнала; N - число строк на экране видеомонитора, соответствующее известному значению Θ.
АТ
Аналогично в блоке 26 производится вычисление углового значения Ψ путем подсчета числа пикселей на строке видеокадра, соответствующих отметке БПЛА и метке оптической оси, а именно:
А
А
0
А
Ψк
i
Ψк
где i - число пикселей от левого края экрана до центра изображения светового фонаря или отражателя подсветки излучения лазерного дальномера на строке j; i - число пикселей от левого края до центра экрана на строке j; Θ, град, - угол зрения телевизионного канала (ТВК), соответствующий горизонтальному изображению кадра телевизионной камеры на видеомониторе; N - число элементов разрешения на строке экрана видеомонитора, соответствующие известному значению Θ.
j
j
С учетом того, что формат видеосигнала кадра цветной телевизионной камеры (например, WCM-101), U[N N 3] имеет три слоя R, G, В, оператором заранее выбирается один из слоев, где контраст наблюдаемого фонаря или отраженного сигнала максимален.
Для определения направления на центр светового изображения фонаря 6 БПЛА требуется дополнительная обработка видеоизображения.
В условиях хорошей освещенности и контраста на экране видеомонитора 12 можно наблюдать силуэт БПЛА, а в плохих условиях - только пятно от светового фонаря 6, либо отраженный от световозвращателя сигнал лазерного локатора. На экране видеомонитора метка БПЛА формируется из пятна отраженного сигнала световозвращателя или сигнального фонаря. Это пятно занимает несколько элементов разрешения в силу различных причин расфокусировки, аберрации и вибраций. Энергетический центр пятна как группы m*n элементов разрешения приемной системы, сигнал от которых превысил заданный порог обнаружения, определяется соотношениями:
AT
АТ
i,j
i,j
i,j
где Ψ и ϑ- координаты центра видеоизображения фонаря БПЛА; m и n - размер области приемной системы в элементах разрешения, в которой сигнал превысил заданный порог обнаружения, в горизонтальной и вертикальной плоскостях; U - амплитуда сигнала и Ψ, ϑ- угловое положение элемента разрешения приемной системы ТВК с координатами i, j в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
0
0
А
А
Оптическая ось телевизионной камеры 8 и ось Х являются скрещивающимися прямыми и не пересекаются. Как показано на схеме зоны обзора телевизионной камеры (фиг.5), их проекции на горизонтальную плоскость пересекаются под углом Ψ. Аналогично, их проекции на вертикальную плоскость пересекаются под углом ϑ. Угловые отклонения БПЛА от точки прицеливания - Ψ в горизонтальной плоскости и ϑ в вертикальной плоскости.
АТ
АТ
АФ
АФ
A
АТ.
После определения величины ϑ и Ψ; в блоке 27 определения линейных координат БПЛА вычисляются координаты фонаря 6 БПЛА в вертикальной y и горизонтальной Z плоскостях относительно оси X, допуская D=D
,
.
ф
ф
Как показано на фиг.3, середина карабина 5, которая при идеальной траектории должна совпасть с точкой 20 прицеливания, смещена относительно центра фонаря 6 в горизонтальной плоскости на величину Z, а в вертикальной плоскости - на величину Y. В этом случае координаты центра карабина относительно точки прицеливания, которые и принимаются за значения линейных координат БПЛА, определяются следующими соотношениями.
В блоке 31 производится определение дистанции ослепления метки точки прицеливания, которая определяется как минимальная дистанция, при которой выполняется условие:
осл
кор
кop
После появления на выходе блока 31 команды D в блоке 32 формирования сигналов коррекции траектории изменяется алгоритм формирования сигналов ϑ Ψ, величина которых запоминается и сохраняется далее постоянной до момента захвата БПЛА.
При качке судна происходит колебательное смещение точки 20 прицеливания и телевизионной камеры 8 в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
В условиях качки колебания судна в общем случае содержат четыре составляющих:
М
М
М
М
ϑ
ψ
h
γ
ϑ
ψ
h
где: γ, ϑ ψ, h - амплитуды колебаний; ωγ, ω, ω, ω - частота колебаний; φ, φ, φ, φ - фазовые углы, соответствующие начальному (или другому заданному) моменту времени t наблюдения колебаний.
Блок 16 измерения параметров качки судна может входить в состав навигационной системы судна или выполняться в автономном варианте на основе датчиков угловых и линейных ускорений, а также интеграторов, которые размещаются максимально близко к центру масс судна.
КЧ
КЧ
Точка 20 прицеливания устройства 7 захвата и торможения БПЛА колеблется относительно своего статического (без качки) положения в горизонтальной Z(t) и вертикальной Y(t) плоскостях под действием качки судна (8). Значения этих величин вычисляются в блоке 28 определения текущего смещения точки прицеливания и определяются следующими соотношениями:
γmax
ψmax
γmax
ϑmax
hmax
где Z, Z, Y, Y, Y - амплитуды гармонических колебаний точки прицеливания в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Их значения определяются амплитудой составляющих качки и конструктивным расположением точки прицеливания относительно осей качки судна.
γ
ψ
ϑ
где R, R, R - расстояния от точки прицеливания до осей колебаний судна по углам γ, ϑ, ψ. Эти постоянные величины, определяемые конструкцией судна, считываются из блока 36 памяти постоянных конструктивных параметров.
К
В предлагаемой системе снижение величины промаха в условиях качки достигается за счет прогнозирования положения точки 20 прицеливания в конечный момент t свободного движения БПЛА, т.е. в момент сцепления его с зацепом 23 устройства 7 захвата и торможения БПЛА.
ПР
ПР
Определение прогнозируемого положения точки прицеливания У, Z в текущий момент времени t производится в блоке 29 в соответствии со следующими соотношениями:
к
А
АН
где t - время подхода БПЛА к точке прицеливания, которое определяется дистанцией D(t) от точки 20 прицеливания до БПЛА в текущий момент времени и относительной скоростью V сближения БПЛА с судном:
А
А
ПР
ПР
Значения величин Y(t), Z(t) из блока 27 определения линейных координат БПЛА и значения Y(t), Z(t) прогнозируемого смещения точки прицеливания из блока 29 определения прогнозируемого положения точки прицеливания поступают в блок 32 формирования сигналов коррекции траектории, где производится определение значений угловых рассогласований положения БПЛА и точки прицеливания Δϑ(t) и Δψ(t):
,
кop
кор
а затем формируются сигналы ϑ(t) и ψ(t) корректировки траектории полета БПЛА
(
ϑ
ψ
где Kу, Kу - коэффициенты обратной связи контуров управления по углам ϑ и ψ.
АH
к
ПР
ПР
М
М
M
М
γ
ϑ
ψ
h
Траектория сближения БПЛА с устройством 7 захвата и торможения может отличаться от прямой линии, поэтому целесообразно периодически вычислять V, уточнять время t, оставшееся до сцепления, и значения У(t) и Z(t) во время сближения БПЛА с судном. Это целесообразно в условиях нестационарной качки, когда за время сближения БПЛА с судном изменяются амплитуды γ, ϑ, ψ, h и частоты ω, ω, ω, ω составляющих качки судна.
ϑ
ψ
ϑ
ψ
ϑ
ψ
В предлагаемой системе используется закон линейного управления (12), где коэффициенты Kу и Kу имеют постоянное значение. Путем выбора значений Kу и Kу можно добиться хороших результатов (минимальные промахи по линейным и угловым координатам и их производным) в широком диапазоне начальных условий и минимальных ошибок в обеспечении параметров движения БПЛА. При этом оптимальные значения Kу и Kу не равны друг другу в силу различной инерционности управления БПЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Результаты моделирования показывают, что рассмотренный принцип автоматического формирования корректирующего сигнала управления БПЛА позволяет обеспечить фактический промах сцепления центра карабина БПЛА с точкой прицеливания, не превышающий 0,1 м, при колебаниях точки прицеливания при качке судна в пределах ±1 м.
Качка судна накладывает дополнительные трудности наблюдения процесса сближения БПЛА с судном и ограничивает возможность оператора вмешиваться в процесс управления в аварийных ситуациях (резкие порывы ветра или изменение скорости движения судна) для отмены маневра посадки и повторения нового захода.
Требуемое для обнаружения и сопровождения БПЛА поле зрения телевизионной камеры в условиях качки определяется в блоке 33 в соответствии с соотношениями:
ϑ0
ψ0
где: Θ, ,Θ - размеры поля зрения телевизионной камеры в вертикальной и горизонтальной плоскостях, необходимые для обнаружения и сопровождения БПЛА при отсутствии качки судна. Они определяются допустимыми ошибками приведения БПЛА в зону захвата судовой системой управления;
смϑ
М
смϑ
смγ
осл
Θ(2h+2Y+2у)/D - необходимое увеличение углового размера поля зрения ТВК за счет вертикального смещения захватного устройства при качке, где:
смϑ
ϑT
М
М
ϑT
Y=±Rsinϑ - смещение телевизионной камеры в вертикальной плоскости за счет килевой качки с амплитудой ϑ, R - расстояние от телевизионной камеры до оси килевой качки;
смγ
γT
М
М
γТ
Y=±Rsinγ - смещение телевизионной камеры в вертикальной плоскости за чет бортовой качки с амплитудой γ; R - расстояние от приемной системы ТВК до оси бортовой качки;
осл
D - минимальная дистанция сопровождения БПЛА;
смψ
смψ
смγ
осл
Θ(2Z+2Z)/D - необходимое увеличение углового размера поля зрения телевизионной камеры за счет горизонтального смещения при качке, где:
смγ
γT
М
Z=±R(1-cosγ) - горизонтальное смещение телевизионной камеры за счет бортовой качки,
смψ
ψT
М
ψT
Z=±Rsinψ - горизонтальное смещение телевизионной камеры за счет колебаний рыскания, R - расстояние от телевизионной камеры до оси колебаний рыскания судна.
Для того, чтобы на экране монитора наблюдать взаимное перемещение БПЛА и точки 20 прицеливания в вертикальной плоскости YZ, необходимо компенсировать влияние колебаний качки на изображении БПЛА, для чего в блоке 34 формируются сигналы стабилизации кадра. Сначала определяют значения смещения телевизионной камеры в вертикальной и горизонтальной плоскостях на соответствующую величину:
см
где I(t) - число пикселей смещения кадра, выводимого на монитор по строке,
см
J(t) - число строк смещения кадра, выводимого на монитор,
round - оператор округления до ближайшего целого,
ZкчТ(t); YкчТ
(t) - смещение телевизионной камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях в результате качки,
iм
jм
N, N- число элементов разрешения экрана по горизонтали и вертикали.
Затем учитывают поворот телевизионной камеры вокруг своей оси в результате крена судна на угол γ(t)
γ
γ
Соответствие каждого элемента матрицы повернутого видеокадра Uγ(i, j), выводимого на монитор, и матрицы исходного кадра телевизионной камеры U(i, j) устанавливается соотношениями
0
0
где  расстояние от элемента U(i, j) до элемента, соответствующего оптической оси телевизионной камеры U(i,j);
0
0
- угловое расстояние в плоскости экрана телевизионного кадра от U(i, J) до элемента, соответствующего оптической оси телевизионной камеры U(i,j).
Наблюдаемое изменение угловых координат БПЛА относительно телевизионной камеры и точки прицеливания поясняется схемой зоны обзора телевизионной камеры в горизонтальной плоскости (в координатах XZ), приведенной на фиг.5, и изображениями на экране видеомонитора 12 процесса сближения БПЛА с устройством захвата, приведенными на фиг.6 (проекция изображения в координатах ZY), фиг.7 (проекция изображения в координатах XZ) и фиг.8 (проекция изображения в координатах XY).
ψ
ϑ
Θ (обозначен на фиг.5) и Θ - углы зрения приемной системы телевизионной камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Положение оптической оси телевизионной камеры соответствует центру экрана. Ось X, проходящая через точку 20 прицеливания, не пересекается с оптической осью телевизионной камеры. Однако в дальней зоне, на дистанции более сотни метров, изображение точки, находящейся на оси X, и соответственно ее угловое положение на экране видеомонитора, будет постоянным. Это изображение обозначено как метка точки прицеливания для БПЛА, находящегося в дальней зоне.
Как показано на фиг.5, угловое положение этой метки Ψмо в горизонтальной плоскости XZ относительно оптической оси или центра экрана монитора определяются направлением, параллельным оси Х из центра объектива телевизионной камеры, т.е.
МО
Аналогично в вертикальной плоскости XY угловое положение ϑ метки точки прицеливания определяется соотношением
,
OY
OZ
где D и D - дистанция, на которой пересекаются проекции оси Х и оптической оси телевизионной камеры.
Положение этой метки на экране монитора формируется во время установки телевизионной камеры и ее юстировки.
По мере приближения точки на оси Х к слепой зоне метка точки прицеливания будет смещаться к краю экрана монитора
М
М
где ϑ и ψ - угловые координаты метки точки прицеливания (отклонения от оптической оси телевизионной камеры) в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
Аxy
Аxy
D и D - проекции дистанции между БПЛА и телевизионной камерой на вертикальную XY и горизонтальную XZ плоскости.
А
А
При наблюдении БПЛА 1 в поле зрения телевизионной камеры 8 на экране монитора появляется его изображение. Угловые отклонения БПЛА (ψ в горизонтальной плоскости и ϑ в вертикальной плоскости) от точки прицеливания обозначены на фиг.6.
Аxy
Аxz
Обозначения величин D и D приведены на фиг.7 и 8, где показаны изображения проекций траектории в координатах XZ и XY.
Эти изображения, формируемые в блоке 35, выводятся оператором на экран монитора 12 в виде отдельных окон.
Угловое рассогласование положения БПЛА и точки прицеливания в вертикальной Δϑ и горизонтальной Δψ плоскостях оператор может оценить визуально по следующим соотношениям:
Положение центра метки точки прицеливания на экране формируется в блоке 29 по формулам (10), поэтому дополнительной обработки ее изображения на экране не требуется.
ТП,
ТП
ф
ф
Угловые смещения средней точки карабина ψ ϑ относительно светового пятна на изображении БПЛА видеомонитора 12 определяются с помощью известных геометрических размеров Z и Y расположения фонаря или светоотражателя относительно середины выдвинутого карабина.
Для удобства наблюдения оператором на изображение реального фонаря БПЛА и точки прицеливания накладывается интенсивное изображение, близкое к круговому, диаметром 5-7 элементов разрешения с центром, соответствующим угловым координатам середины выдвинутого карабина.
Имея возможность дистанционно управлять полетом БПЛА, оператор может привести БПЛА к посадочному устройству, совместив карабин БПЛА и точку прицеливания.
кор
кор
ϑ
ψ
Программа формирования сигнала управления направлением полета БПЛА в зависимости от режима, выбранного оператором, может формировать различные корректирующие сигналы ϑ и ψ, путем изменения значений коэффициентов Ку Ку.
ϑ
ψ
Для каждого типа БПЛА и начальных условий (начальная дистанция, относительная скорость сближения и разница курсов движения судна и БПЛА, а также отклонение начального положения БПЛА от идеальной траектории подхода к зацепу устройства 7) значения Ку и Ку, обеспечивающие минимальное отклонение конечного положения БПЛА от точки прицеливания, изменяются в значительных пределах. Однако при известных параметрах БПЛА и диапазонах их изменения, известном диапазоне ошибок предварительного приведения БПЛА в зону захвата можно выбрать постоянные значения.
ψ
В результате моделирования установлено, что при выборе значения Ку≤3 система обеспечивает отработку бокового рассогласования практически по экспоненциальной траектории с ошибками приведения БПЛА к точке прицеливания не более единиц миллиметров при отсутствии качки судна, находящегося в конусе ±15 градусов отклонения от идеальной траектории на дистанции не менее 300 м.
Таким образом, предлагаемая система может функционировать в следующих режимах.
В подготовительном режиме оператор включает электропитание приводов кран-балки 10 и устанавливает ее в забортное положении.
Затем производится настройка системы, в процессе которой на экран видеомонитора 12 выводятся численные значения параметров, значения которых принимаются постоянными при формировании сигналов управления. При необходимости оператор изменяет их численные значения.
В режиме видеонаблюдения, до появления БПЛА в ожидаемой зоне, оператор может наблюдать на мониторе видеосигнал непосредственно с телевизионной камеры. Для этого переключатель 39 устанавливается в первое положение, при котором сюжет, наблюдаемый телевизионной камерой, непосредственно транслируется на экране монитора 12.
1ZUM
В этом режиме оператор при помощи ручки 41 управления полем зрения подает напряжение (сигнал «U») на механизм изменения фокусного расстояния объектива телевизионной камеры 8, вследствие чего изменяется угловое поле зрения камеры, и зона ожидаемого наблюдения БПЛА сужается или расширяется. В этом режиме никакие дополнительные метки, сдвижки и повороты изображения не происходят.
Автоматический режим управления посадкой устанавливается после появления БПЛА в зоне наблюдения. Для этого устанавливают в первое положение переключатель 40 режимов, а переключатель 39 проекций изображения может находиться в любом из возможных четырех положений. При этом автоматически происходит выделение сигнала от БПЛА в каждом кадре видеосигнала U(i, j) и происходит автоматическое управление БПЛА путем выработки и передачи на борт БПЛА корректирующих сигналов управления траекторией его движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, как было рассмотрено выше.
Этот процесс продолжается до момента сцепления выдвижного карабина 5 с зацепом 23 устройства 7 захвата и торможения БПЛА. Оператор не может вмешаться в процесс управления БПЛА.
В режиме контроля траектории сближения оператор переводит переключатель 39 в положение 2. В этом случае изображение на экране монитора стабилизируется (компенсируется качка судна), и на экране появляются метки положения БПЛА и точки прицеливания. Если положение метки совпадает с наблюдаемым видеоизображением БПЛА, оператор, устанавливает ключ 40 на панели 14 органов управления пульта во второе положение и переводит управление в автоматизированный режим. При этом, устанавливая переключатель 39 в положения 2, 3 или 4, оператор может наблюдать изображение траектории сближения БПЛА с устройством 7 захвата не только в координатах ZY (см. фиг.6), но и в координатах XZ (фиг.7) или XY (фиг.8).
ϑ
ψ
Оператор, наблюдая траекторию сближения, может, используя ручки 42, 43, изменять величины коэффициентов Ку и Ку, усиливая или ослабляя корректирующее воздействие на приближение траектории движения к идеальной, т.е. к движению по оси х.
ZUM
ZUM
АТ
AT
кор
кор
Если в момент захвата начальные отклонения БПЛА от идеальной траектории невелики, оператор может изменять (сужать) угловое поле зрения ТВК, добавляя к предварительно установленному при помощи сумматора 38 значению U сигнал U1, который формируют при помощи управляющей ручки 41. Этим достигается увеличение точности определения углового положения БПЛА, т.е. измеряемых параметров ϑ, ψ и, как следствие, точности определения корректирующих сигналов ϑ; и ψ.
осл
ϑ
ψ
В этом режиме оператор может уменьшить величину слепой зоны D на малой дистанции до БПЛА, увеличивая размеры поля зрения Θ, Θ.
Таким образом, предлагаемая система без существенного увеличения объема оборудования обеспечивает высокую точность приведения БПЛА к устройству захвата и торможения в условиях качки судна как в автоматизированном, так и в автоматическом режимах управления посадкой.
Измерение параметров движения БПЛА и формирование сигналов управления производится на борту судна по данным телевизионной камеры и навигационного оборудования судна. В условиях качки наилучшие результаты по точности приведения БПЛА к точке прицеливания устройства захвата и торможения дает алгоритм управления с периодическим прогнозом положения этой точки в момент сцепления карабина с дугой устройства захвата.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемая система может быть изготовлена по известной технологии из известных комплектующих изделий и материалов и использована для дооборудования судов, применяющих на борту БПЛА, с незначительным изменением их архитектуры.
Список литературы
1. Соловьева В.В. Обзор способов посадки БПЛА на движущееся судно / Сб. статей «Проблемы посадки БПЛА на движущееся судно». // Под. ред. С.Н. Шарова - СПб.: Балт. Гос. техн. университет - 2010 - С.15-16.
2. Ларионова Д.Г. Устройства для посадки БПЛА самолетного типа на судно малого водоизмещения //Судостроение. 2006. №4. С.45-46.
3. Ларионова Д.Г. Сравнительный анализ способов и устройств посадки БПЛА на палубу неавианесущего судна. - СПб.: Балт. гос. техн. университет. - 2003 - С.47-50
4. Крейнович Я.Р., Соловьева В.В. Устройство для посадки БПЛА на малотоннажное судно. Сб. статей «Вопросы проектирования БПЛА для экологического мониторинга». - СПб.: Балт. гос. техн. Университет. - 2003 - С.119-120.
5. Патент РФ №109096 на полезную модель, МПК В64F 1/00, В63В 35/00, публикация 10.10.2011 г., прототип.
6. Петухова Е.С., Шаров С.Н. Особенности траектории возвращения беспилотного летательного аппарата для посадки на движущееся судно.// Сб. статей. Корабельные и бортовые многоканальные информационно-управляющие системы. - ЛБ-21626,- СПб.:
ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», вып.13, 2010 г. - С.98-105.