ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ

Интеллектуальная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (БЛА) предназначена для автоматического управления БЛА на основе анализа данных полученных из разных источников. Система обладает функциями навигационной системы, системы технического зрения, системы мониторинга окружающего пространства, системы принятия решения и системы полуавтоматической и ручного управления БЛА. Применение интеллектуальной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом позволяет существенно повысить автономность беспилотных летательных аппаратов, на которых эта система установлена.
Известна система управления БЛА, которая осуществляет формирование траектории, навигацию, управление и стабилизацию ракеты, а также выдачу разовых команд на подсистемы БЛА (Козлов В.И. "Системы автоматического управления летательными аппаратами", М., "Машиностроение", 1979, стр. 53, 152), содержащая блок управления двигателем, высотомер, гироинерциальную систему с датчиками углового положения ракеты и акселерометрами, датчики угловых скоростей, вычислитель, сумматоры управляющих сигналов тангажа, курса и крена, блок кинематической разводки, содержащий сумматоры первого, второго и третьего рулевых приводов и первый и второй инверторы, и рулевые приводы, при этом гироинерциальная система и высотомер подключены к входам вычислителя, первый, второй и третий выходы которого соединены с первыми входами сумматоров управляющих сигналов каналов тангажа, курса и крена соответственно (причем вторые входы этих сумматоров подключены к выходам соответствующих датчиков углового положения гироинерциальной системы, четвертый выход вычислителя соединен с входом блока управления двигателем летательного аппарата, выходы блока датчиков угловых скоростей соединены с третьими входами сумматоров управляющих сигналов, выход сумматора управляющих сигналов канала курса подключен к входам сумматоров первого и третьего рулевых приводов и через первый инвертор - к входу сумматора второго рулевого привода, выход сумматора управляющих сигналов канала крена соединен с входами сумматоров первого и второго
1
рулевых приводов и через второй инвертор - с входом сумматора третьего рулевого привода, а выходы сумматоров первого, второго и третьего рулевых приводов соединены с входами соответствующих рулевых приводов).
Такая система управления обеспечивает стабилизацию БЛА относительно центра масс, формирование траектории, в частности, с заданной высотой горизонтального полета и облетом рельефа местности, а также выполнение заданного пространственного и временного графика полета (ПВГП) за счет управления как координатами ракеты в пространстве, так и скоростью ее полета на отдельных участках, заданных поворотными пунктами маршрута (ППМ). Формируются также необходимые разовые команды на подсистемы БЛА.
Однако известная система не дает возможности достаточно эффективно управлять БЛА. Это объясняется отсутствием возможности автономного изменения управления БЛА или необходимости корректировки режима полета, обусловленной изменившимися условиями движения.
Известна программируемая система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (RU 68145 U1, 10.11.2007), содержащая блок акселерометров для измерения линейных ускорений объекта в проекции на оси связанной системы координат, блок датчиков угловых скоростей для измерения угловых скоростей объекта в проекции на оси связанной системы координат, блок магнитных датчиков для измерения вектора магнитного поля Земли в проекции на оси связанной системы координат, температурные датчики для измерения температуры датчиков угловых скоростей, акселерометров, магнитных датчиков, температуры забортного воздуха, датчика абсолютного давления и датчика дифференциального давления, блок оценки высоты, воздушной скорости и скороподъемности, спутниковый навигационный приемник для введения в систему информации о географических координатах местоположения летательного аппарата, блоки измерения внешней частоты оборотов двигателей летательного аппарата, где выходы этих датчиков соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем, блок коррекции сигналов датчиков, блок оценки углового положения объекта, блок захвата ШИМ сигналов, блок отработки программы полета, блоком отслеживания критических ситуаций, блок формирования управляющих ШИМ сигналов рулевых механизмов, программируемый блок управления, и интерфейсным модуль для реализации обмена данными с внешними устройствами.
Однако известная система не дает возможности достаточно эффективно управлять БЛА. Это объясняется отсутствием возможности использования бортового анализа видеоинформации с применением системы технического зрения (СТЗ), в частности, в
2
целях бортовой навигации и корректировки режима полета, обусловленной изменившимися условиями движения.
Целями заявленной полезной модели являются повышение автономности БЛА, повышение эффективности управления БЛА и унификация применения системы для различных типов и моделей БЛА (самолетного, вертолетного и иных типов), в том числе и на легкие и малые БПЛА, включая дешевые модели, имеющие только ручное управление.
Поставленные цели достигается за счет следующих существенных признаков.
Для решения поставленных целей заявленная система конструктивно разделена на два модуля - модуль низкоуровневого управления (МНУУ), содержащий контроллер на базе 32-х разрядного микропроцессора (например, семейства ARM, в частности модели STM32) и соединенные с ним нейросетвой чип (нейрочип), СОМ-порт для подключения радиомодема, интерфейсы подключения устройств управления движением, интерфейсы подключения внешних датчиков, приемник GNSS (Global Navigation Satellite System, Глобальная Спутниковая Навигационная Система, ГНСС), бароальтиметры, магнитометры, акселерометры, гироскопы, термометры, сигнальные светодиоды, разъем электропитания и блок мониторинга электропитания; и модуль высокоуровневого управления (МВУУ), содержащий контроллер на базе многоядерного (например, 4-х ядерного) 32-х разрядного микропроцессора (например, ARM) со встроенным графическим процессором (GPU) и соединенные с ним, видеовход для подключения видеокамеры, USB-порты, для подключения видеокамер или фотокамер, GSM/GPRS/LTE-модемов, иных бортовых систем автоматического управления и навигационных систем, а также для подключения к пункту наземного обслуживания, Wi-Fi-модуль для подключения к пункту наземного обслуживания и съемный накопитель данных.
В качестве МВУУ используется одноплатный контроллер Raspberry-PI 2 (недорогой универсальный контроллер широко-использующийся в робототехнике) или устройства аналогичные ему по функциональности, форм-фактору и интерфейсам. МВУУ функционирует под управлением операционной системы (ОС) семейства LINUX, которая не требует специфических доработок. Контроллер МВУУ оснащен графическим процессором (GPU - graphic processor unit) который обеспечивает высокопроизводительную параллельную обработку графических и иных данных.
Указанное разделение системы на два модуля с указанным составом элементов, а также возможность подключения внешних датчиков, сенсоров и навигационных приборов и систем, и при необходимости иных внешних систем управления и мониторинга позволяет унифицировать применение системы для различных типов и моделей БЛА.
3
Наличие нейросетевого чипа (нейрочипа) обеспечивает реализацию трудоемких интеллектуальных алгоритмов анализа данных, что повышает эффективность управления БЛА.
Результаты бортового анализа видеоинформации, полученного с видеокамер или фотокамер, с применением системы технического зрения (СТЗ) могут быть использованы для бортовой навигации и мониторинга окружающего пространства. Это дает возможность распознавания ситуаций и принятия оптимальных решений на основе данных полученных от СТЗ из других источников с применением нейросетевых и иных интеллектуальных алгоритмов, что повышает автономность БЛА и эффективность управления БЛА.
Интеллектуальная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом работает в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режиме и может переключаться между режимами, что повышает автономность БЛА и эффективность управления БЛА.
Интеллектуальная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом обладает навигационными функциям с повышенной точностью и быстродействием. Исходные данные для навигации принимаются и комбинируются из разных источников (спутниковая навигационная система, инерционная навигационная система, система технического зрения, наземный пункт управления), При этом имеется возможность использования бортовой геоинформационной системы (ГИС). В случае отказа спутниковой навигационной системы имеется возможность навигации без спутниковой навигационной системы.
Для беспилотных летательных аппаратов тяжелого типа, имеющих собственные системы управления, интеллектуальная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом может быть использована как дублирующая система или как система мониторинга с навигационными функциями.
Блок-схема интеллектуальной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом приведена на фиг. 1, где обозначены:
1 - интеллектуальная система автоматического управления;
2 - модуль высокоуровневого управления;
3 - модуль низкоуровневого управления;
4 - контроллер модуля высокоуровневого управления на базе многоядерного микропроцессора (например, семейства ARM);
5 - видеовход;
6 - USB-порты;
4
7 - Wi-Fi-модуль;
8 - съемный накопитель данных;
9 - контроллер модуля низкоуровнего управления на базе 32-х разрядного микропроцессора (например, ARM/STM32);
10 - интерфейсы подключения устройств управления движением;
11 - интерфейсы подключения внешних датчиков;
12 -приемник GNSS;
13 - бароальтиметры;
14 - магнитометры;
15 - акселерометры;
16 - гироскопы;
17 - термометры;
18 - светодиоды;
19 - нейросетвой чип (нейрочип);
20 - СОМ-порт;
21 - разъем электропитания;
22 - модуль мониторинга электропитания;
23 - графический процессор (GPU), физически объединен с контроллером.
Монтажные виды плат интеллектуальной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом приведены на фиг. 2.
Общий вид интеллектуальной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом приведен на фиг. 3.
Модуль низкоуровневого управления используется ИСАУ БПЛА для низкоуровневого взаимодействия с устройствами управления и формирования движения БПЛА, с навигационными устройствами с наземным пунктом управления по радиоканалу и для других задач.
На модуль низкоуровневого управления устанавливаются (как элементы) интерфейсные устройства и различные датчики (сенсоры) информация от которых используются в целях навигации. Установленные датчики объединяются в массив датчиков, при этом датчики каждого типа устанавливаются в нескольких экземплярах (как правило, в четырех). Среди этих датчиков гироскопы, акселерометры, магнитометры, бароальтиметры, а также устройство спутниковой навигационной системы (приемник GNSS).
На модуль низкоуровневого управления устанавливаются интерфейсные устройства (СОМ-порт, различные разъемы и др. элементы) для подключения внешних
5
устройств, таких как датчики измерителей скорости (например, на основе приемников воздушного давления), радары, лидары, термометры, мониторинг питания и др.) и устройства управления движения БЛА с обратной связью (сервоприводы, двигатель и др.), радиомодемы (не широкополосные), модуль высокоуровневого управления и др. Модуль низкоуровневого управления содержит контроллер, обеспечивающий взаимодействие с указанными устройствами. Контроллер модуля низкоуровневого управления осуществляет низкоуровневую обработку данных и их буферизацию и интеграцию.
На модуль низкоуровневого управления устанавливается нейрочип (например, CM1K, производства Cognimem Inc.). Нейрочип может быть использован для решения вычислительно трудоемких задач анализа данных, что позволяет снизить нагрузку на контролеры модуля низкоуровневого управления и модуля высокоуровневого управления. В частности нейрочип используется в алгоритмах распознавания ситуаций и объектов и динамического построения модели полета БЛА.
Через модуль низкоуровневого управления осуществляется питание устройство в целом. За счет подключения радиомодема и установления связи по радиоканалу с наземным пунктом управления модуль низкоуровневого управления имеет возможность ретранслировать команды управления от наземного пункта управления и таким образом реализовать режим ручного управления БЛА.
Для техобслуживания модуля низкоуровневого управления на нем размещают светодиоды (светодиодные индикаторы).
К модулю высокоуровневого управления подключаются устройства, формирующие радиоканал передачи (GSM-GPRS/LTE - модем или иной радиомодем, обычно широкополосный), фото/видеокамеры и внешние запоминающие устройства. Он оснащен USB-разъемами, SD-разъемом (для подключения карты памяти), COM-портами, WI-FI-модулем и др. Модуль осуществляет взаимодействие с наземным пунктом управления (через модемы или SMS), видеокамерами, модулем низкоуровневого управления и другими бортовыми устройствами (например, с другими системами автоматического управления, системами мониторинга и системами навигации). Модуль высокоуровневого управления осуществляет функции системы технического зрения. Одна из возможностей системы технического зрения - формирование навигационной информации по визуальным данным. На модуле высокоуровневого управления может быть установлена геоинформационная система (ГИС). В модуле высокоуровневого управления осуществляется интеграция и обработка навигационной информации, контроль параметров полета и принятие решений об управлении полетом. МНУУ имеет возможность передачи изображений в наземный пункт управления.
6
Высокопроизводительная параллельная обработка графических и иных данных осуществляется на графическом процессоре. Техническое обслуживание интеллектуальной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом, а также предполетный и послеполетный обмен данными с пользователем осуществляется через модуль высокоуровневого управления (например, через USB-интерфейс или Wi-Fi).
7