Автоматизированное устройство управления беспилотным летательным аппаратом при полете над движущимся наземным объектом

Полезная модель относится к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) и может быть использована для создания автоматизированного устройства управления БПЛА при полете над целевым движущимся наземным объектом при слежении за ним и с возможностью его видео и фотосъемки.
Известно устройство для управления БПЛА [RU 105882, В64С 19/00, 27.06.2011], содержащее блок стабилизации полета летательного аппарата во всех точках активного участка траектории его полета, программного разворота по углу тангажа, включения и выключения двигателей, разделения и сброса отработанных ступеней летательного аппарата, измеритель фазовых координат и счетно-решающий блок, выходы которого соединены с соответствующими входами блока стабилизации, вычислитель частных производных параметров траектории полета, блок запоминания параметров траектории полета и их частных производных и элемент сравнения, выход которого подключен к входу счетно-решающего блока, а входы элемента сравнения соединены с выходом блока запоминания параметров траектории полета и их частных производных и с одним выходом вычислителя частных производных параметров траектории полета, другой выход которого подключен к одному входу блока запоминания параметров траектории полета, другой вход которого соединен с входом вычислителя частных производных параметров траектории полета и с выходом измерителя фазовых координат блока стабилизации полета летательного аппарата во всех точках активного участка траектории его полета.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его для управления БПЛА в случае слежения за наземным объектом с возможностью его видео и фотосъемки.
Известна также система автоматического управления БПЛА [RU 33658, В64С 13/18, 27.10.2003], содержащая сумматор, имеющий два входа, рулевой привод в составе усилителя, имеющего два входа рулевой машины и обратной связи, летательный аппарат с рулем высоты, свободным гироскопом тангажа и датчиком угловой скорости, причем, выход сумматора соединен с первым входом усилителя, выход которого подключен ко входу рулевой машины, а выход рулевой машины соединен с рулем высоты и через обратную связь подключен ко второму входу усилителя, блок настройки, имеющее два входа первое функциональное устройство, реализующее переменное значение передаточного числа по тангажу с одновременным умножением на выходной сигнал сумматора тангажа, имеющее два входа второе функциональное устройство, реализующее переменное значение передаточного числа по угловой скорости с одновременным умножением на выходной сигнал датчика угловой скорости, блок формирования заданного тангажа, осуществляющий преобразование сигнала настройки в заданное значение тангажа и сумматор тангажа, имеющий два входа, причем выход датчика угловой скорости соединен с первым входом второго функционального устройства, выход свободного гироскопа тангажа подключен к первому входу сумматора тангажа, второй вход которого соединен с выходом блока формирования заданного тангажа, выход сумматора тангажа соединен с первым входом первого функционального устройства, выходы первого функционального устройства и второго функционального устройства соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, а выход блока настройки подключен к входу блока формирования заданного тангажа и к вторым входам первого функционального устройства и второго функционального устройства.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его для управления БПЛА в случае слежения за наземным объектом с возможностью его видео и фотосъемки.
Близким по технической сущности к предложенному является система автоматического управления БПЛА [RU 106971, U1, G05D 1/02, 27.07.2011], содержащая блок датчиков угловых скоростей для измерения угловых скоростей объекта в проекции на оси связанной системы координат, датчика абсолютного давления и датчика дифференциального давления, спутниковый навигационный приемник для введения в систему информации о географических координатах местоположения летательного аппарата, вычислительный модуль, модуль сопряжения с исполнительными механизмами и аналого-цифровой преобразователь, при этом, вычислительный модуль производит оценку углового положения объекта, выполненной с функцией оценки текущих углов положения летательного аппарата по параметрам курса, крена и тангажа, производит оценку текущей и заданной высоты полета и скорости летательного аппарата, оценивает разность этих параметров и принимает решения на те или иные воздействия на управляющие поверхности и параметры работы силовой установки, модуль отслеживает навигационные параметры полета, используя входные данные от спутниковой навигационной системы, вычисляет рассогласование с заданным маршрутом и корректирует положение самолета в воздухе, вычислительный модуль взаимодействует с модулем сопряжения, который формирует управляющие ШИМ-сигналы и выдает эти сигналы на исполнительные механизмы.
Это техническое решение обеспечивает стабилизацию БЛА относительно центра масс, формирование траектории с заданной высотой горизонтального полета, а также выполнение заданного профиля полета на участках, заданными поворотными пунктами маршрута.
Однако, оно имеет недостаток, связанный с его относительно узкими функциональными возможностями, поскольку эта система позволяет управлять полетом только при заданной траектории, но исключает или делает неточным управление БПЛА при слежении и движением за наземным объектом.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является система управления положением и стабилизации беспилотного летательного аппарата [RU 2441809, С2, В64С 39,02, 10.02.2012], входящей в состав беспилотного авиационного комплекса, содержащего наземную станцию, беспилотный летательный аппарат с движителем и его приводом, привязь, включающую силовой трос, связывающий наземную станцию с беспилотным летательным аппаратом, и многофункциональный кабель с механизмом для регулирования длины привязи, при этом, систему управления положением и стабилизации беспилотного летательного аппарата включает датчики его пространственного положения, а механизма для регулирования длины управляющего троса связан с датчиками пространственного положения беспилотного летательного аппарата.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку такая система управления положением и стабилизации беспилотного летательного аппарата предполагает наличие привязи в составе беспилотного авиационного комплекса и управление с учетом использования этой привязи. Однако использование привязи предопределяет низкую безопасность и надежность беспилотного авиационного комплекса, поскольку на трассе передвижения возможны препятствия в виде высоких деревьев, линий электропередачи.
Поэтому задачей полезной модели является создание автоматизированного устройства управления беспилотным летательным аппаратом, обеспечивающим полет над движущимся наземным объектом без использования привязи и с учетом фоновой обстановки на траектории полета.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для автоматизированного управления БПЛА при полете над целевым движущимся наземным объектом и решении задачи слежении за объектом с возможностью его видео и фотосъемки с одновременным обеспечением повышения точности слежения и отработки требуемой траектории по результатам слежения с учетом фоновой обстановки.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее датчик пространственного положения беспилотного летательного аппарата и блок формирования сигнала управления полетом беспилотного летательного аппарата, согласно полезной модели, введены блок анализа изображения объекта и фоновой обстановки, выход которого соединен с первым входом блока формирования сигнала управления полетом беспилотного летательного аппарата, второй вход которого соединен с выходом датчика пространственного положения беспилотного летательного аппарата, а третий вход выполнен с возможностью подачи сигнала с первого выхода датчика пространственного положения целевого движущегося наземного объекта, а также блок формирования изображения целевого движущегося наземного объекта и фоновой обстановки, выход которого соединен со входом блока анализа изображения объекта и фоновой обстановки, а первый и второй входы выполнены с возможностью подачи видеосигналов с выходов первой и второй телевизионных камер, установленных на борту беспилотного летательного аппарата, входы управления которых выполнены с возможностью подачи сигналов со вторых выходов датчика пространственного положения целевого движущегося наземного объекта.
На чертеже представлены функциональная схема автоматизированного устройства управления беспилотным летательным аппаратом с взаимодействующими элементами.
Автоматизированное устройство управления беспилотным летательным аппаратом содержит датчик 1 пространственного положения беспилотного летательного аппарата и блок 2 формирования сигнала управления полетом беспилотного летательного аппарата, блок 3 анализа изображения объекта и фоновой обстановки, выход которого соединен с первым входом блока 2 формирования сигнала управления полетом беспилотного летательного аппарата, второй вход которого соединен с выходом датчика 1 пространственного положения беспилотного летательного аппарата, а третий вход выполнен с возможностью подачи сигнала с первого выхода датчика 4 пространственного положения целевого движущегося наземного объекта.
Кроме того, автоматизированное устройство управления беспилотным летательным аппаратом содержит блок 5 формирования изображения целевого движущегося наземного объекта и фоновой обстановки, выход которого соединен со входом блока 3 анализа изображения объекта и фоновой обстановки, а первый и второй входы выполнены с возможностью подачи видео сигналов с выходов первой 6 и второй 7 телевизионных камер, установленных на борту беспилотного летательного аппарата, входы управления которых выполнены с возможностью подачи сигналов со вторых выходов датчика 4 пространственного положения целевого движущегося наземного объекта. Блоки 1-3 и 5-7 являются стандартными блоками навигации, управления и видеонаблюдения. Блок 3 является частным случае выполнения блока формирования и анализа наблюдаемого изображения при использовании не шести, а двух видеокамер [https://www.skydio.com/pages/skydio-autonomy], что достаточно для обнаружения только выделяющихся по высоте помех на траектории полета БПЛА.
Работает автоматизированное устройство управления беспилотным летательным аппаратом следующим образом.
Первая 6 и вторая 7 телевизионные камеры являются обзорными с объективами 170 градусов, расположенные с двух сторон БПЛА, прикрепленные к корпусу. Эти камеры формируют изображения целевого подвижного наземного подвижного объекта и фоновой обстановки, которое после обработки в блоке 3 анализа изображения объекта и фоновой обстановки позволяют БПЛА не сталкиваться с различными объектами на своем маршруте при движении за целью наблюдения. Сигнал с выхода блока 3 поступает в блок 2 формирования сигнала управления полетом БПЛА, где по этому сигналу и сигналу с выхода датчика 4 пространственного положения целевого движущего наземного объекта формируется сигнал управления полетом БПЛА (двигателями и рулями БПЛА).
Таким образом, в устройстве достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для автоматизированного управления БПЛА при полете над целевым движущимся наземным объектом и решении задачи слежении за ним с возможностью его видео и фотосъемки с одновременным обеспечением повышения точности слежения и отработки требуемой траектории по результатам слежения с учетом фоновой обстановки.