Архитектура и алгоритмическое обеспечение модифицированной системы управления вертолетом с учетом специфики полетов в Арктике

♦ управление автономным БЛА в ручном режиме;

♦ визуализация карты местности с отображением текущей наземной обстановки и траектории БЛА;

♦ изменение параметров динамической модели БЛА;

♦ изменение параметров моделей, определяющих эмуляцию случайных изменений внешней среды.

Разработанный комплекс позволил обеспечить проведение широкомасштабной серии экспериментальных исследований по моделированию автономного БЛА, отработке технологий интеллектуального управления на основе методов нечеткой ,

, , -тегии целесообразного поведения при решении требуемых прикладных задач в априорно неполнозаданных условиях при наличии внешних возмущений случайно.

Результаты компьютерного моделирования на практике подтвердили эффективность предложенного подхода, наглядно доказав, что интеллектуальная система управления, построенная на основе методов нечеткой логики, обеспечивает высокий уровень адаптивности, надежности и качества функционирования БЛА в различных режимах, включая:

♦ автономную посадку на неподготовленную площадку под контролем бортовой системы технического зрения;

♦ автономный полет вдоль заданной последовательности опорных точек;

♦ целенаправленный полет без априорно установленного маршрута с уклонением от заранее известных или вновь обнаруженных областей и зон

;

♦ маневрирование на низких высотах с уклонением от возникающих на пути препятствий и т.д.

УДК 629.7.05

В.А. Чернышов

ФГУП НИИ авиационного оборудования», г. Жуковский

АРХИТЕКТУРА И АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕРТОЛЕТОМ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ПОЛЕТОВ В АРКТИКЕ Введение

Процесс пилотирования вертолета из-за наличия сильных перекрестных связей между каналами управления и традиционно низкого уровня автоматизации требует от летчика высокой психофизиологической напряженности. Задачи, решаемые типовой системой улучшения устойчивости и управляемости (СУУ) вертолета, ограничиваются, как правило, демпфированием угловых колебаний крена, рыскания и тангажа. Для режимов ручного управления этого явно недостаточно. В [1] отмечается, что в режиме снижения летчик выполняет до 100 управляющих движений в минуту. Причем большая часть управлений осуществляется координированным отклонением двух-трех органов управления [1]. -

гическая загруженность экипажа негативно сказывается на безопасности полета и

эффективности выполнения полетных заданий. Проблема еще более обостряется при полетах в сложных метеоусловиях.

Вертолеты являются часто единственными и незаменимыми транспортными средствами для обслуживания ряда предприятий в Арктике. Сложность условий эксплуатации вертолетов в Арктике подчеркивают следующие факторы:

♦ более 60 % дней в году нижняя граница облачности менее 100 - 200 м;

♦ более 19 % дней в году туманы;

♦ более 40 - 50 % дней в году осадки;

♦ 65 суток ночь, продолжительные сумерки весной и осенью;

♦ недостаточность естественных и искусственных ориентиров и др.

В то же время требуется регулярность авиационного обслуживания, что приводит к необходимости полетов в сложных природно-климатических и погодных условиях, в том числе с использованием площадок, не оборудованных курсоглис-садными средствами посадки. Очевидно, что повышение регулярности и безопасности выполнения полетов вертолетов в таких условиях возможно на основе более высокого уровня автоматизации полета, нежели это делается сейчас. Для этого необходимо модифицировать бортовой комплекс вертолетов. Модификация должна затрагивать целый спектр направлений, включающий систему управления, средства навигации, отображения информации, связи, радиолокации и др. В докладе затрагивается лишь одно возможное направление, связанное с компенсацией ряда вредных перекрестных связей при ручном управлении.

Предлагается модифицировать законы управления СУУ с целью уменьшения влияния на канал вертикальной скорости (абсолютной высотой) управлений креном и тангажом. В настоящий момент при управлении креном или тангажом вертолета летчик выполняет компенсирующее управление рычагом общего шага (РОШ) для сохранения требуемого значения вертикальной скорости. Ошибки, до, , что в ряде случаев чрезвычайно опасно. Предлагается эту задачу компенсации возложить на СУУ. Ожидается, что это приведет к снижению психофизиологической загруженности летчика на таких этапах и маневрах, как снижение, посадка, висе, , угле наклоне траектории. Задача сводится к обеспечению неизменности вертикальной скорости полета при изменении углов крена и тангажа за счет автоматического управления общим шагом несущих винтов от СУУ. Управление вертикальной скоростью предлагается обеспечивать с помощью отклонения РОШ.

Структура СУУ и закон управления

Компенсацию влияния вредных перекрестных связей в канале вертикальной скорости предлагается обеспечить с привлечением методов теории инвариантности. Строгие аналитические решения задачи синтеза регулятора, обеспечивающего абсолютную нечувствительность показателей качества системы к возмущениям, получены, как правило, для линейных систем [1, 2]. Ввиду нелинейности математической модели вертолета предлагаемый закон автоматического управления общим шагом несущих винтов получен эвристически, на основе анализа дифференциального уравнения вертикальной скорости и численных исследований с привлечением нелинейной модели вертолета соосной схемы, привода, датчиков и атмо-.

вертикальной скорости при произвольном маневрировании по крену и тангажу обеспечивает следующий закон управления:

= kv9' AVx + kV AVy + kvvxVyg + gkV

где AVo» - управление общим шагом несущих винтов от СУУ; AVx и AVy -приращения от балансировочных значений составляющих линейной скорости по соответствующим осям связанной системы координат; Vyg - вертикальная скорость; g - ускорение свободного падения; J, 4 и 4 - Углы крена, текущего и

балансировочного тангажа; kj - настраиваемые в зависимости от воздушной скорости коэффициенты усиления.

Программа настройки коэффициентов kj назначается с привлечением методов замороженных коэффициентов, численных и стендовых исследований.

В качестве измерителей предполагается использовать бесплатформенную систему курса и вертикали (2 комплекта) СБКВ-ПМ, систему воздушных сигналов (2 комплекта) СВСВ-1, блок приемника спутниковой навигации БПСН-2. В результате предварительной обработки поступающих с этой систем информации опреде-

(1). -ствляется на основе цифровой фильтрации поступающей с датчиков информации.

Структурная схема канала управления общим шагом несущих винтов СУУ приведена на рис. 1.

^ kj?—* sin З sin З6 + cos З cos 36 cos у -1

РОШ X ош к°ш

к<р

РисА.Канал канала управления общим шагом СУУ

ош

Результаты численных исследований

Проведен ряд численных исследований предлагаемой СУУ на различных режимах: горизонтальное маневрирование с облетом препятствий по направлению, разгоном и торможением, облет препятствий по высоте и направлению, снижение по глиссаде, висение и др. На всех режимах предлагаемый закон управления демонстрировал работоспособность и эффективность.

На рис. 2, 3 представлены результаты численных исследований СУУ вертолета в режиме устранения бокового отклонения при горизонтальном маневрировании с небольшой скоростью. Исследования выполнялись для нелинейной математической модели гипотетического вертолета соосной схемы [4]. При исследованиях

использовались модели датчиков и привода с характеристиками, приближенными к характеристикам реальных устройств. Атмосферная турбулентность не учитывалась.

Для сравнения исследования приведены для штатной СУУ, представляющей , -ренциальным шагами несущих винтов и модифицированной СУУ. Модифицированная СУУ дополнительно к демпферам включает канал управления общим шагом (см. рис. 1).

0 5 10 15

Рис.2. Переходные процессы по углам крена и тангажа, боковому отклонению и скорости: 1 - модифицированная СУУ, 2 - штатная СУУ ,

Az величиной в 50 м (см. рис. 2) без изменения исходной высоты при полете на малой скорости (20 км/ч). Такая ситуация может возникнуть, например, перед приземлением на необорудованную радиотехническими средствами посадки площадку

.

принимает вид

A Vim = -0,09А Vx + 0,3AVy - 0,93Vyg - 9,3

Поперечным отклонением ручки управления устраняется боковое отклонение, продольным - стабилизируется угол тангажа. При этом при неподвижном РОШ в штатной СУУ происходит возмущение исходной высоты полета &Н на величину, превышающую 5 м (см. рис. 3). При использовании закона (1) высота полета выдерживается практически точно.

Для обеспечения того же эффекта в штатной СУУ летчик должен управлять РОШ в соответствии с нижним графиком рис. 3. В модифицированной СУУ эта задача решается автоматикой, что способствует облегчению пилотирования.

В качестве основного недостатка предлагаемого решения является уменьшение максимальной скороподъемности вертолета при полете на большой скорости.

только за счет отклонения РОШ, т.е. за счет непосредственного управления тягой . -поре управление вертикальной скоростью осуществляется не только за счет непосредственного управления тягой, но и через канал угла тангажа. В предлагаемом же варианте построения СУУ изменения вертикальной скорости, вызванные изме-, . (1) -разно включать лишь в случаях, когда не требуется (либо невозможно) реализовать

: , полет с облетом препятствий по направлению. Для этого возможно установление на РОШ специальной кнопки, с помощью которой летчик мог бы управлять включением и отключением автоматической компенсации возмущений вертикальной скорости при управлении креном и тангажом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чунтул А.В. Особая сфера человеческой деятельности // Вертолет. 1999. № 1. С. 34-35.

2. Уонэм М. Линейные многомерные системы управления. Геометрический подход. - М.: Наука. 1980.

3. Буков В.Н., Бронников Л.М. Условия инвариантности выхода линейных систем // Авто-

. 2005. 2. . 23 - 35.

4. Петросян ЗА. Аэродинамика соосного вертолета. - М.: Полигон-^есс. 2004.

УДК 629.7.05

В Л. Буков, А. М. Бронников

ФГУП НИИ авиационного оборудования ”, г. Жуковский, Военно-воздушная инженерная академия им. Н.Е. Жуковского, г. Москва

СТРАТИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ

АППАРАТАМИ

Введение

Решение ряда задач управления линейными многосвязными системами существенно облегчается, если удается найти некоторое преобразование подобия, приводящее матричное уравнение исходной системы к блочно-треугольному виду (см., например, [1]). Здесь можно указать, во-первых, на задачу раздельного управления полюсами системы, когда требуется скорректировать положение лишь части полюсов системы при неизменном положении остальных. Во-вторых, на обеспече-