Алгоритмическое и аппаратное обеспечение стенда имитации динамики полета объекта

УДК 681.3

М.С. Чертков, С.В. Андреев, В.В. Ильиных, А.В. Ключников, Е.Ф. Михайлов ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина

Алгоритмическое и аппаратное обеспечение стенда имитации динамики полета объекта

Аннотация: Рассматривается стенд имитационного моделирования

динамики БПЛА, обеспечивающий отработку алгоритмического и аппаратного обеспечения системы управления.

Ключевые слова: имитационный стенд, имитационное моделирование, система управления.

Основой построения современного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) является инерциальная система управления (СУ). Существующие темпы развития технологий в области конструирования элементной базы, микропроцессорной техники, датчиков и пр. выводят системы управления на совершенно иной, качественный уровень функционирования и отработки алгоритмов. При этом многократно повышается точность навигации и наведения. Поэтому для повышения эффективности и точности работы СУ требуется производить отработку аппаратуры и программных средств систем на стендах полунатурного и имитационного моделирования, обеспечивающих в реальном масштабе времени имитацию работы приборов, динамики полета БПЛА и пр. Использование подобного стендового оборудования при разработке СУ минимизирует объем дорогостоящих натурных испытаний

Для разработки СУ БПЛА спроектирован, изготовлен и отлажен стенд имитационного моделирования (СИМ).

Стенд предназначен для отработки и испытаний бортовой аппаратуры системы управления, а также отработки алгоритмов навигации, управления, комплексирования с аппаратурой спутниковой навигации, начальной выставки СУ, информационного взаимодействия и пр. Стенд используется совместно со штатной бортовой СУ БПЛА и позволяет в реальном масштабе времени имитировать приборы окружения СУ - блока чувствительных элементов, аппаратуры спутниковой навигации, рулевых приводов и т.п. - в соответствии с их электрическими и информационными протоколами взаимодействия.

На рисунке 1 представлена структура взаимодействия алгоритмов СИМ и СУ. Алгоритм диспетчера СИМ обеспечивает выполнение всех алгоритмов стенда с привязкой к временной сетке внутри такта счета алгоритмов. Алгоритм имитации объекта управления (АИОУ) обеспечивает расчет динамики полета объекта управления (ОУ), результатом работы которого является расчет вектора состояния ОУ, содержащего информацию о текущем положении ОУ, его ориентация в пространстве, угловая и линейная скорость. Вектор состояния ОУ поступает в алгоритм имитации блока чувствительных элементов (АИБЧЭ) и в алгоритм имитации бортовой аппаратуры спутниковой навигации (АИБАСН).

Эти алгоритмы используют данные АИОУ для имитации работы соответствующих приборов.

Алгоритм обработки сигналов рулевого привода (АОСРП) обеспечивает оцифровку аналоговых сигналов управления рулевым приводом и формирование массива значений углов отклонения рулевых поверхностей в соответствии с математической моделью рулевого привода. Эти данные поступают в АИОУ, который по ним рассчитывает вектор состояния ОУ. Алгоритм обработки сигналов разовых команд (АОСРК) обеспечивает прием и формирование разовых дискретных сигналов, которые отражают режим работы СУ, управляют функциональными механизмами и пр.

Рисунок 1 - Структура взаимодействия алгоритмов СИМ и СУ:

АРК - алгоритм разовых команд; АУ - алгоритм управления; АОН - алгоритм ориентации и навигации; АПОИ - алгоритм предварительной обработки информации; АФТМИ - алгоритм формирования телеметрической информации; АОСРК - алгоритм обработки сигналов разовых команд; АОСРП - алгоритм обработки сигналов рулевого привода; АИОУ - алгоритм имитации объекта управления; АИБЧЭ - алгоритм имитации блока чувствительных элементов; АИБРЭО - алгоритм имитации бортового радиоэлектронного оборудования; АИБАСН - алгоритм имитации боровой аппаратуры спутниковой навигации; АРВ - алгоритм регистрации и визуализации.

Взаимосвязь алгоритмов стенда с СУ обеспечивается посредством набора интерфейсных плат. Каждый исполнительный алгоритм стенда взаимодействует с одной стороны алгоритмом диспетчера стенда, с другой стороны с оборудованием промышленного компьютера.

Стенд обеспечивает:

прием (16) и формирование (16) сигналов разовых команд в диапазоне напряжения 0.. .30 В;

прием (16) и формирование (16) сигналов разовых команд с уровнем сигналов ТТЛ;

прием и формирование 32 аналоговых сигнала в диапазоне напряжения -

10...+10 В;

информационное взаимодействие по интерфейсу RS-232 (стык С2) - 2 канала;

информационное взаимодействие по интерфейсу МКПД в соответствии с ГОСТ Р52070-2003 - 4 резервированных канала;

отработка всех алгоритмов в реальном времени с привязкой к временной сетке с шагом 500 мкс.

Структурная схема СИМ представлена на рисунке 2.

СИМ состоит из:

промышленного компьютера, содержащего необходимый набор плат, реализующих аналоговый и цифровой ввод-вывод, интерфейсы МКИО, RS-232, Ethernet, а также работающего под управлением операционной системы реального времени QNX 6.4.0. Данный компьютер обеспечивает имитацию устройств окружения СУ (БЧЭ, БАСН, БРЭО);

Система

управления

Дискретные

ч Аналоговые линии

МКПД W W

RS-232 W W

Ч Питание ^ W

СТЕНД

Модуль

сопряжения

Промышленный компьютер

Алгоритм диспетчера

і 1 ♦ ф

Источник питания

Цифровой В/В

Аналоговый В/В

Интерфейсы RS-232, МКПД, Ethernet

<—

« 1 гс о

S

I 5:

s ^ - о

і “ £ о

О. О

в'і

ц о. < Е

Ds

CD S S ш

II

> CD со а

8 і Q-S 1 “ 2 1

І. °

І ^

< Q.

Персональный компьютер

Ethernet

^ W Алгоритмы имитации

Ч W динамики объекта

Рисунок 2 - Структурная схема СИМ

персонального компьютера, предназначенного для расчета динамики объекта управления, а также для визуализации процесса полета БПЛА, постобработки и хранения результатов эксперимента. Компьютер связан с промышленным компьютером по интерфейсу Ethernet и работает под управлением операционной системы Windows XP;

модуля сопряжения, обеспечивающего физическое подключение СУ к промышленному компьютеру, подачу питания на СУ, электрическое согласование цепей между СУ и платами ввода-вывода.

СИМ построен по модульному принципу, что обеспечивает проведение модернизации и адаптации алгоритмического и аппаратного обеспечения под конкретную СУ БПЛА.

СИМ интенсивно использовался для отладки алгоритмов системы управления демонстрационного макета. В процессе отработки алгоритмов было проведено более 500 опытов по моделированию динамики движения демонстрационного макета БПЛА при различных условиях: весь диапазон чувствительности датчиков системы, характеристики внешней среды, различные виды возмущений. Результаты работы позволили отработать алгоритмы управления демонстрационного макета БПЛА.