Разработка беспилотных летательных аппаратов для аэрофотосъемки и мониторинга местности

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98

Н.В. Чистяков, к.т.н., А.А. Силкин, инж., НПКЦ "Новик",

доц. Ю.А. Павлов, Московский государственный горный университет

РАЗРАБОТКА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ АЭРОФОТОСЪЕМКИ И МОНИТОРИНГА МЕСТНОСТИ

Приводятся классификационные и технические характеристики беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрен принцип построения их навигационных систем, а также алгоритм траекторного управления полетом, реализуемый бортовым компьютером. Дается оценка экономической эффективности эксплуатации легких летательных аппаратов в сравнении с традиционными средствами, используемыми для аэрофотосъемки и мониторинга местности.

Первыми дистанционно пилотируемыми летательными аппаратами (ДПЛА) или беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) были управляемые по радио самолеты-снаряды, применявшиеся вермахтом во время второй мировой войны. Однако широкого распространения они не получили из-за высокой уязвимости. По этой причине в течение почти двадцати лет после войны новых разработок БПЛА не велось. Основное внимание уделялось разработкам ведущими странами мира крылатых ракет.

В последние десятилетия в связи с революцией в области микроэлектроники, вычислительной техники и адаптивных систем управления это направление вновь получило бурное развитие. БПЛА, как правило, представляет собой аэродинамический летательный аппарат самолётной схемы с тянущим или толкающим воздушным винтом. Существуют опытные образцы БПЛА вертолетной схемы, разработанные фирмой «Westland Helicopter Ltd.». .Масса БПЛА изменяется в пределах от 5 до 1000 и более килограмм.

В основном БПЛА предназначены для ведения фотосъемки, телевизионной, инфракрасной или радиотехнической воздушной разведки.

Комплексы с БПЛА представляют собой сложные технические системы, создаваемые с привлечением знаний из самых различных областей науки и техники, авиации, радиотехники, электроники и вычислительной техники, точной механики, машиностроения, инженерной психологии и других. Лидерами в области создания современных комплексов с БПЛА являются Израиль, США и Россия.

БПЛА можно классифицировать в соответствии с их габаритами и массой.

1) Полноразмерные БПЛА (масса свыше 1000 кг) представляют собой самолет, оборудованный системой адаптивного управления. Управление полетом происходит по программе или в ручном режиме. Достоинствами

этого класса является то, что поднимаемая в воздух полезная нагрузка может иметь большую массу и габариты. Недостаток - высокая стоимость самолета, сложность обеспечения взлета и посадки. Представителем такого класса является американский БПЛА «Predator».

2) Мини-БПЛА (масса от 70 до 400 кг) представляют собой аэродинамический летательный аппарат самолётной схемы с размахом крыльев свыше 3 м. Наибольшая часть БПЛА, существующих в мире, принадлежит к этому классу.

3) МикроБПЛА (масса от 10 от 70 кг) является аэродинамическим летательным аппаратом с размахом крыльев 1,5...3 м. Этот класс только зарождается. К нему относится БПЛА, разработанный фирмой «Новик», а также конструкции аппаратов ряда испанских фирм. Достоинствами БПЛА такого класса является относительно невысокая стоимость, малая собственная масса, простота взлета и посадки.

4) Сверхмалые БПЛА (масса от 2 до 10 кг) представляют собой аэродинамические летательные аппараты самолётной схемы с размахом крыльев до 1,5 м. К данному классу относится БПЛА «Проня» с размахом крыльев 1,4 м, а также разработанный фирмой «Новик» аппарат, экспонировавшийся в июне 1997 года на проходившей в Москве выставке «Средства спасения. Безопасность больших городов». БПЛА такого класса предназначены для решения ограниченных тактических задач, так как время нахождения их в воздухе не превышает 30 мин.

Остановимся подробнее на особенностях микро-БПЛА, разработанных фирмой «Новик».

БПЛА представляет собой аэродинамический летательный аппарат самолётной схемы с тянущим винтом и с верхним расположением крыла (см. рис. 1). Фюзеляж -монокок, состоящий из двух симметричных полускор-луп, которые выполнены из композиционных материалов на основе кевлара, стеклоткани и пенопласта с пропиткой эпоксидными смолами. Они изготавливаются по оригинальной технологии, разработанной фирмой «Новик». Крыло состоит из двух консолей. Стабилизатор имеет неразделенный руль высоты.

Сборка БПЛА перед стартом производится в течение 2... 5 минут. Короткое время сборки обеспечивается применением модульно-блочного принципа конструирования БПЛА и кассетным способом укладки при транспортировании.

БПЛА управляется адаптивной мультипроцессорной системой числового программного управления с собственной операционной системой. Система управления рассчитывает текущие координаты положения аппарата, определяет ориентацию в воздухе ( крен, тангаж, курс ) , выдает команды на исполнительные устройства, такие как фотоаппарат, телекамера и т.п., и командует радиообменом через оригинальный блок управления. Радиообмен с командным пунктом осуществляется с помощью помехозащищенных кодов связи, также разработанных на фирме «Новик».

Для определения текущих координат и скорости БПЛА применяется приемник спутниковой системы навигации GPS. Применение этой системы обеспечивает очень высокую точность нахождения текущих координат. Система управления БПЛА обеспечивает достижение минимального отклонения от запрограммированного маршрута, не превышающего при нормальных погодных условиях 100 метров. Такая точность достигается за счет применения оригинальных алгоритмов, являющихся «ноу-хау» фирмы «Новик».

Рассмотрим основные принципы построения навигационных систем БПЛА.

Как правило, дальность полета БПЛА - сравнительно невелика и не превышает нескольких сот километров, поэтому навигацию этих летательных аппара-

тов целесообразно осуществлять в локальной системе координат, связанной с рабочей зоной их действия. Локальный характер действия, наличие пункта дистанционного управления (ПДУ) и относительно небольшие допустимые масса и габариты бортовой аппаратуры составляют специфику навигационных систем БПЛА по сравнению с обычными авиационными средствами. В зависимости от задач, для выполнения которых предназначен БПЛА, и от возможностей размещения на борту аппаратуры навигационные системы различных БПЛА могут быть весьма различными : от простейших систем, осуществляющих навигацию обзорно-сравнительным методом по экрану телевизионной системы на ПДУ, до комплексных систем, включающих в свой состав различные автономные и неавтономные средства навигации. В качестве элементов навигационных комплексов могут быть использованы следующие средства или их комбинации:

♦ следящая радиотехническая система;

♦ инерциальная система навигации;

♦ доплеровская навигационная система;

♦ дальномерная радионавигационная система (типа DME);

♦ разностно-дальномерная радионавигационная система (типа LORAN);

♦ корелляционно-экстремальная система навигации по рельефу местности (типа TERCOM) или другим геофизическим полям;

♦ спутниковая система (типа GPS).

Система управления БПЛА фирмы «Новик» базируется на спутниковой навигационной системе. Получаемые дважды в секунду координаты и вектор скорости объекта обрабатываются бортовой ЭВМ по нижеприведенному алгоритму в соответствие с разработанной математической моделью БПЛА.

Общая техническая характеристика

Габаритные размеры:

Длина 2300 мм

Размах крыльев 2800 мм

Тип и мощность силовой установки Двухцилиндровый оппозитный двухтактный; N=5 л.с. при 7000 об/мин

Воздушный винт Неизменяемого шага двухлопастной диаметром 500 мм.

Скорость:

Взлета 32 км/ч

Максимальная 140 км/ч

Крейсерская 100 км/ч

Продолжительность полета 3...3,5 ч

Максимальная высота полета 3000 м

Масса полезной нагрузки до 5 кг

Максимальная взлетная масса 18 кг

Рис.2. Силы, действующие на БПЛА при координированном развороте

Для построения математической модели БПЛА, как объекта траекторного управления, рассмотрим силы, действующие на БПЛА при его движении в координированном развороте (рис.2). Координированным разворотом называется разворот летательного аппарата с креном без изменения высоты.

Подъёмная сила направлена по нормали к плоскости крыла БПЛА и при крене У наклонена под углом У к вертикали. Так как разворот является координированным, то сумма сил, действующих вдоль вертикали, равна нулю и можно записать равенство:

Y•cosУ- т^=0, где Y - подъёмная сила БПЛА; У - крен БПЛА; m -масса БПЛА; g - ускорение силы тяжести.

Из этого уравнения получаем величину подъёмной силы при координированном развороте:

Y = m*g/cosУ.

Зная величину подъёмной силы, можно вычислить горизонтальную силу Fцс, действующую на БПЛА Fцс=Y^sin У=т *g<sm У/cos У или

Fцс=m*g*tg У.

Под действием этой центростремительной силы летательный аппарат движется по окружности с ускорением a=g*tgУ, то есть с перегрузкой

п=^у

Таким образом, для траекторного управления БПЛА в горизонтальной плоскости необходимо изменять крен БПЛА. В координации с креном необходимо изменять положение руля высоты и величины тяги

двигателя для обеспечения постоянства высоты. Задачу вычисления заданного крена решает алгоритм траекторного управления БПЛА. Отработку заданного крена выполняет алгоритм стабилизации БПЛА по крену. Для такого лёгкого и малоинерционного во вращательном движении летательного аппарата, каким является рассматриваемый БПЛА, отработку заданного крена можно считать мгновенной, то есть отождествлять заданный и истинный крены БПЛА.

Задачу поддержания координированности разворотов решает алгоритм управления БПЛА по высоте, выдерживая постоянство высоты полёта за счёт управления рулём высоты и тягой двигателя БПЛА. Он также достаточно прост.

Система управления реализуется на восьмибитных микроконтроллерах семейства МК-51. Основными отличительными особенностями применяемых микроконтроллеров является наличие ППЗУ и возможность выработки сигнала управления на приводы рулей высоты, элеронов и дроссельной заслонки двигателя непосредственно в микроконтроллере.

Оценка экономической эффективности данной разработки может быть произведена лишь приблизительно, так как достаточно обширных статистических данных о сроке службы БПЛА пока не накоплено.

Для такой оценки сравним стоимость закупки и эксплуатации комплекса БПЛА, включающего в себя транспортно-пусковую установку (ТПУ) на автомобиле УАЗ-3303, пункт дистанционного управления (ПДУ) на автомобиле УАЗ-3303 и комплект БПЛА (4 шт.), в пересчете на час работы с ценой аренды вертолета Ми-8 Архангельского авиаотряда, составляющей в настоящее время 8 млн. руб. в час (в ценах декабря 1997 г.).

Цена комплекса БПЛА 500 млн. руб.

Ресурс работы ТПУ и ПДУ не менее 10 лет.

Ресурс работы БПЛА около 300 часов.

Цена одного БПЛА 90 млн. руб.

Амортизация ТПУ и ПДУ (годовой фонд рабочего времени - 1080 часов):

Атпу=(500000000-4*90000000)/ (10*1080)«13000руб/час.

Амортизация БПЛА:

АбПЛа=90000000/300=300000 руб/час.

Затраты на топливо для БПЛА (при расходе топлива 2 л/час и цене топлива 3000 руб/л):

Ст= 3000.2=6000 руб.

Затраты на топливо для автомобилей ( при расходе топлива для автомобиля УАЗ - 3303 « 8 л/час и цене топлива « 3000 руб/л):

Стпу+пду=2*8*3000= 48000 руб/час.

Заработная плата экипажа (4 чел.) - 3000000 руб в месяц, тогда:

Сзп=(4.3000000)/(22.8) « 70000 руб/час.

Т аким образом, 1 час эксплуатации БПЛА стоит:

Ц = АБПЛА+ АТПУ + СТ + СТПУ+ПУ +СЗП=

=300000+13000+6000+48000+70000==437000 руб.

Итак, эксплуатация комплекса БПЛА обходится в 18,3 раза дешевле, чем аренда вертолета.

Несомненно, развитие БПЛА пойдет по пути увеличения полезной нагрузки с уменьшением общей массы аппарата. Будет увеличиваться дальность действия. Полезная нагрузка будет состоять из нескольких малогабаритных приборов, одновременно выполняющих различные функции.

Очевидным является то, что БПЛА в ближайшее время займет достойное место среди средств аэрофотосъемки и мониторинга земной поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -224 с.

2. Системы адаптивного управления летательными аппаратами / Новоселов А.С., Болнокин В.Е., Чинаев П.И., Юрьев А.Н. - М.: Машиностроение, 1987. - 280 с.

3. Чистяков Н.В. Проныра по имени "Проня" . Журнал "Гражданская защита", №12,1996. - с. 50

4. Боборыкин А. В. Однокристальные микроЭВМ. -М.: Издательство «МИКАП», 1994

© Н.В. Чистяков, А.А. Силкин, Ю.А. Павлов