СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ

Полезная модель относится к системам автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), обладающим статической продольной и боковой устойчивостью, позволяющим стабилизировать углы положения летательного аппарата, курс, скорость, высоту, скороподъемность. Системы управления БЛА позволяют выполнять полет по заданной траектории с привязкой к географическим координатам, производить автоматический взлет и посадку летательного аппарата с высокой точностью стабилизации аппарата, прохождения по маршруту и высокой надежностью к сбоям.
Известна система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (патент РФ на полезную модель №106971, МПК G05D 1/02, дата публ. 27.07.2011), содержащая датчики угловых скоростей (ДУС) по крену и курсу, датчики дифференциального и полного давления, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), вычислитель для программной обработки сигналов с датчиков и выработки управляющих сигналов, блоки формирования сигналов управления исполнительными механизмами, исполнительные механизмы, приемник глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и модуль энергонезависимой памяти для введения в систему информации о географических координатах местоположения летательного аппарата, при этом для вычисления углового положения БЛА система использует только два датчика угловых скоростей и датчики полного и дифференциального давления, выходы которых подсоединены к входам соответствующих АЦП, которые подсоединены к вычислителю. Вычислитель содержит программные блоки, позволяющие корректировать сигналы с ДУС и обеспечивать оценку углового положения БЛА без использования сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Вычислитель содержит программные модули, содержащие вычитатели, пропорциональные и изодромные звенья, соединенные с блоками формирования сигналов ШИМ и исполнительными механизмами, позволяющими производить управление БЛА в каналах крена, курса и тангажа.
Недостатками известной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом являются:
- низкая точность системы, в частности, низкая точность определения барометрической высоты из-за отсутствия аналоговой обработки сигнала с датчика абсолютного давления при непосредственном подключении его к АЦП;
- ограниченные функциональные возможности системы невозможность анализа работы оператора и БЛА в случае аварийной ситуации, невозможность перезапуска вычислителя в случае его сбоя в работе, невозможность анализа разряда батареи и питания САУ, невозможность управления приемником ГНСС (переход с GPS на ГЛОНАСС в полете).
Известна система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (патент РФ на полезную модель №68145, МПК G05D 1/10, дата публ. 10.11.2007), взятая в качестве прототипа, 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, а так же программируемый блок управления. Система так же снабжена многоканальным АЦП, к входу которого подключены выходы указанных датчиков, блоком коррекции сигналов датчиков, выполненным с функцией компенсации погрешностей показаний датчиков, обусловленных температурными дрейфами и неперпендикулярностью осей датчиков, к входу которого подключены выходы многоканального АЦП, блоком оценки углового положения объекта, выполненным с функцией оценки текущих углов положения летательного аппарата по параметрам курса, крена и тангажа, и вход которого связан с выходом блока коррекции сигналов датчиков; блоком захвата ШИМ сигналов, выполненным с функцией получения управляющих воздействий в систему от внешнего источника, задающего эти воздействия; блоком отработки программы полета, выполненным с функцией отслеживания текущего состояния параметров полета и выработки решения об изменении схемы управления летательным аппаратом, и связанным с входом программируемого блока управления и с выходом энергонезависимой памяти; блоком отслеживания критических ситуаций, выполненным с функцией выработки сигнала для блока отработки программы полета, который по получению данного сигнала загружает на выполнение программу полета, гарантирующую сохранение летательного аппарата; блоком формирования управляющих ШИМ сигналов рулевых механизмов, выполненным с возможностью реализации функции выработки ШИМ сигналов с заданной частотой и скважностью в зависимости от управляющего сигнала, поступающего с программируемого блока управления, а так же интерфейсным модулем для реализации обмена данными с внешними устройствами.
Недостатками известной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом являются:
- низкая точность системы, в частности, низкая точность определения барометрической высоты из-за отсутствия аналоговой обработки сигнала с датчика абсолютного давления при непосредственном подключении его к АЦП;
- ограниченные функциональные возможности системы невозможность анализа работы оператора и БЛА в случае аварийной ситуации, невозможность перезапуска вычислителя в случае его сбоя в работе, невозможность анализа разряда батареи и питания САУ, невозможность управления приемником ГНСС (переход с GPS на ГЛОНАСС в полете).
Задача полезной модели - создание системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом, обеспечивающей точность выполнения полетного задания, эксплуатационную надежность, повышение функциональных возможностей.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, - повышение точности стабилизации навигационных параметров, повышение надежности работы устройства за счет устранения сбоев в работе системы (возможность перезапуска вычислителя), расширение функциональных возможностей системы путем возможности анализа разряда батареи питания, а также анализа работы оператора и БЛА в после аварийном режиме.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом, содержащую датчики угловой скорости (ДУС) по осям Χ, Y, Z, акселерометры по осям Χ, Y, Z, магнетометр по осям Χ, Y, Z, датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), приемник глобальной навигационной спутниковой системы, интерфейсный модуль, вычислитель системы автоматического управления (САУ), подключенный к источнику питания вычислителя САУ, при этом вычислитель САУ включает блок термокомпенсации кодов ДУС, акселерометров и магнетометра, первый выход блока термокомпенсации подключен к входу блоку вычисления вертикали, блок хранения полетного задания, вход-выход которого соединен с интерфейсным модулем, блок навигации и управления полетом, первый вход которого подключен к выходу блока хранения полетного задания, второй вход подключен к первому выходу блока вычисления вертикали, третий вход - к выходу АЦП, выход блока навигации и управления полетом соединен с входом блока формирования управляющих сигналов, выход которого подключен к исполнительным механизмам, управляемыми сигналами ШИМ, согласно полезной модели, введены источник опорного напряжения, два выхода которого подключены к входам питания датчиков абсолютного давления и дифференциального давления соответственно, аналоговый вычислитель, первый вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу датчика абсолютного давления, модуль датчиков тока и напряжения, подключенный к четвертому входу блока навигации и управления полетом, съемная энергонезависимая память, вычислитель контролирующий для восстановления работы вычислителя САУ в случае сбоя, включающий блок анализа работы вычислителя САУ, вход которого соединен с цифровой шиной выходов датчиков ДУС по осям Χ, Υ, Ζ и акселерометров по осям Χ, Υ, Ζ, блок восстановления работы вычислителя САУ и блок управления питанием вычислителя САУ, входы которых подключены к выходу блока анализа работы вычислителя САУ, выход блока управления питанием вычислителя САУ подключен к управляющему входу источника питания вычислителя САУ, выход блока восстановления работы вычислителя САУ подключен к пятому входу блока навигации и управления полетом, при этом вычислитель САУ дополнительно снабжен блоком управления приемником ГНСС, вход-выход которого подключен к приемнику ГНСС, а выход - к шестому входу блока навигации и управления полетом, блоком управления аналоговым вычислителем, вход которого соединен с выходом аналогового вычислителя, первый и второй выходы блока управления аналоговым вычислителе подключены соответственно к седьмому входу блока навигации и управления полетом и к третьему входу аналогового вычислителя, блоком «черного ящика», четыре входа которого подключены соответственно к выходу модуля датчиков тока и напряжения, выходу блока термокомпенсации кодов датчиков, второму выходу блока вычисления вертикали, к второму выходу блока навигации и управления полетом, выход блока «черного ящика» подключен к входу съемной энергонезависимой памяти, при этом, вход-выход блока формирования управляющих импульсов подключен к исполнительным механизмам, управляемыми потенциальными сигналами.
Введение в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом источника опорного напряжения позволяет снизить ошибку, возникающую от нестабильности питания датчика абсолютного давления, а введение аналогового вычислителя позволяет скомпенсировать ошибку, возникающую от нестабильности источника опорного напряжения, отфильтровать полезный сигнал от шума, введение блока управления аналоговым вычислителем позволяет выбирать оптимальный диапазон работы аналогового вычислителя, что позволяет повысить точность определения высоты БЛА и точно выполнить полетное задание.
Введение в систему автоматического управления БЛА контролирующего вычислителя, включающего блок анализа работы вычислителя, блок восстановления работы вычислителя и блок управления питанием вычислителя, позволяет восстановить работу вычислителя в случае программного сбоя, что повышает надежность работы системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
Введение в систему модуля датчиков тока и напряжения позволяет контролировать заряд аккумуляторной батареи БЛА, что повышает функциональные возможности устройства.
Введение в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом блока управления приемником ГНСС позволяет выбирать в полете решение по разным системам GPS, ГЛОНАСС или совместное GPS + ГЛОНАСС в зависимости от работы средств радиоэлектронного подавления, что повышает функциональные возможности САУ.
Введение в систему автоматического управления БЛА последовательно соединенных блока «черного ящика» и съемной энергонезависимой памяти позволяет сохранять всю информацию с датчиков, информацию о режимах работы САУ и о командах оператора, что позволяет проводить анализ действий оператора, анализ полета БЛА и работы САУ в нештатных ситуациях, что повышает функциональные возможности САУ.
Заявленная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом позволяет стабилизировать БЛА по углам тангажа, крена, курса, поддерживать заданный курс, скорость, высоту, выполнять полет по заданному маршруту с привязкой к географическим координатам. Система управляет БЛА в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
На фигуре изображена блок-схема системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
1 - Датчик угловой скорости по оси X
2 - Датчик угловой скорости по оси Y
3 - Датчик угловой скорости по оси Ζ
4 - Акселерометр по оси X
5 - Акселерометр по оси Y
6 - Акселерометр по оси Ζ
7 - Магнетометр по осям Χ, Υ, Ζ
8 - Источник опорного напряжения
9 - Датчик абсолютного давления
10 - Аналоговый вычислитель
11 - Датчик дифференциального давления
12 - Аналого-цифровой преобразователь
13 - Модуль датчиков тока и напряжения
14 - Источник питания вычислителя САУ
15 - Приемник ГНСС
16 - Блок управления приемником ГНСС
17 - Блок термокомпенсации кодов датчиков
18 - Блок вычисления вертикали
19 - Блок управления аналоговым вычислителем
20 - Интерфейсный модуль
21 - Блок хранения полетного задания
22 - Блок навигации и управления полетом
23 - Блок формирования управляющих сигналов
24 - Исполнительные механизмы (элероны, элевоны, рули высоты, регуляторы хода, выброс парашюта, надув подушки)
25 - Исполнительные механизмы потенциальные входы/выходы (фотоаппарат, тепловизор, видеокамера, бортовые огни)
26 - Блок «черного ящика»
27 - Съемная энергонезависимая память
28 - Блок анализа работы вычислителя САУ
29 - Блок восстановления работы вычислителя САУ
30 - Блок управления питанием вычислителя САУ
Описание работы системы автоматического управления беспилотного летательного аппарата.
Датчики 1, 2, 3 угловых скоростей по осям Χ, Υ, Ζ измеряют угловые скорости по осям связанной системы координат. Акселерометры 4, 5, 6 по осям Χ, Υ, Ζ измеряют ускорение по осям связанной системы координат. Магнетометр 7 по осям Χ, Υ, Ζ измеряет напряженность магнитного поля Земли в проекции на оси связанной системы координат. Датчики 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 оснащены встроенными датчиками температуры и имеют цифровой выход, что позволяет непосредственно подключить их по шине SPI к вычислителю САУ. Коды с датчиков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 поступают на вход блока 17 термокомпенсации кодов датчиков, где происходит коррекция значения кода в зависимости от текущей температуры конкретного датчика. Скорректированные коды датчиков поступают в блок 18 вычисления вертикали. Блок 18 вычисления вертикали, применяя алгоритм совместного решения по методу Эйлера и с применением кватернионов, рассчитывает углы тангажа, крена, курса.
Вычислитель САУ выполнен в виде программных блоков 16, 17, 18, 19, 21, 22, 23, 26.
Источник 8 опорного напряжения питает датчик 9 абсолютного давления и датчик 11 дифференциального давления. Датчики 9 и 11 давления имеют аналоговый выход. Сигнал с датчика 9 абсолютного давления, определяющий высоту полета, поступает на второй вход аналогового вычислителя 10. Аналоговый вычислитель 10 проводит математическую обработку аналогового сигнала с датчика 9 абсолютного давления, а именно компенсирует ошибку, вызванную нестабильностью источника 8 опорного напряжения, питающего датчик 9 абсолютного давления, интегрирует сигнал с заданной постоянной времени устраняя шум, вызванный нестабильностью воздушного потока возле трубки Пито, с которой снимается абсолютное давление, формирует выходной аналоговый сигнал с заданным коэффициентом усиления и в зависимости от диапазона заданного блоком 19 управления аналоговым вычислителем. Аналоговый сигнал с датчика 11 дифференциального давления, зависящий от скорости БЛА, поступает на вход АЦП 12 и в цифровом виде с выхода АЦП 12 поступает на третий вход блока 22 навигации и управления полетом.
С выхода приемника 15 ГНСС значения координат, высоты, направления и скорости движения БЛА поступают на вход блока 16 управления приемником ГНСС. Блок 16 управления ГНСС переключает режим работы GPS, совмещенный GPS/ГЛОНАСС или ГЛОНАСС. Через интерфейсный модуль 20 полетное задание поступает в блок 21 хранения полетного задания. Полетное задание можно корректировать в процессе полета. С выхода блока 21 данные поступают на первый вход блока 22 навигации и управления полетом.
Блок 22 навигации и управления полетом рассчитывает, какие управляющие воздействия необходимо подать на исполнительные механизмы для стабилизации летательного аппарата в диапазоне заданных углов крена и тангажа, для выполнения взлета и выполнения полетного задания. Также определяет положение БЛА при исчезновении навигационного решения с приемника 15 ГНСС, выполняет режим посадки аппарата заданный или аварийный или осуществляет режим возврата, выполняет режим планирования при отказе двигателя или при обрыве парашюта. Вся информация с блока 22 поступает в блок 23 формирования управляющих сигналов, который формирует сигналы ШИМ для управления исполнительными механизмами 24 (элероны, элевоны, рули высоты, регуляторы хода, выброс парашюта, надув подушки) и потенциальные сигналы. Потенциальные сигналы с блока 23 поступают на исполнительные механизмы 25 (фотоаппарат, тепловизор, видеокамера, бортовые огни). Блок 23 также обрабатывает потенциальные входные управляющие сигналы.
Все коды датчиков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, вычисленные значения навигационных параметров - крен, тангаж, курс, значения управляющих воздействий: коды ШИМ и коды включения, выключения потенциальных выходов - обрабатываются и сжимаются в блоке 26 «черного ящика», и записываются на съемную энергонезависимую память 27 для сохранения. Контролирующий вычислитель выполнен на отдельном микропроцессоре. Состоит из следующих программных блоков: блока 28 анализа работы вычислителя, который контролирует опрос датчиков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 вычислителем САУ по шине SPI и на основе этого анализирует исправность работы вычислителя САУ. В случае обнаружения сбоя работы вычислителя САУ и не восстановления его самостоятельно выставляется сигнал «ошибка», который поступает на блок 30 управления питанием вычислителя САУ, который формирует сигнал отключения и включения через заданное время питания, поступающий на управляющий вход источника 14 питания вычислителя САУ. Происходит перезапуск программы вычислителя САУ. Блок 29 восстановления работы вычислителя САУ переводит режим работы вычислителя САУ в состояние, предшествующее сбросу и продолжает выполнять полетное задание.
Таким образом, заявленная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом позволяет, повысить точность, надежность работы устройства, а также расширить его функциональные возможности.