Способ идентификации и валидации математической модели динамики полета и системы управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП) с использованием роботизированного стенда полунатурного моделирования
METHOD FOR IDENTIFYING AND VALIDATING A MATHEMATICAL MODEL OF FLIGHT DYNAMICS AND A CONTROL SYSTEM FOR VERTICAL TAKEOFF AND LANDING UNMANNED AERIAL VEHICLES (VT UAV) USING A ROBOTIC STAND FOR SEMI-NATURAL SIMULATION

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для повышения достоверности исследований и испытаний систем управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП), в том числе - в составе беспилотной авиационной системы (БАС), путем корректировки и валидации математических моделей динамики полета и системы управления БВС.
Из уровня техники известен способ проведения полунатурных испытаний систем автоматического управления летательных аппаратов [1], заключающийся в использовании трехстепенного динамического стенда для установки штатной аппаратуры радиолокационного визира. Трехстепенной динамический стенд предназначен для воспроизведения угловых разворотов радиолокационного визира, имитирующих развороты БВС в процессе полета, выполнен в виде опорно-поворотного механизма, оснащенного электродвигателями углового разворота опорной платформы в трех плоскостях (по углам азимута, крена и тангажа).
Недостатком этого способа является ограниченность использования в составе стенда реального оборудования БАС, так как все остальные элементы системы управления в предлагаемой концепции полунатурного моделирования заменяются имитаторами.
Известен способ полунатурных испытаний систем управления сближением и стыковкой летательных аппаратов, в основу которого заложена имитация пространственного перемещения испытываемых ЛА (летательных аппаратов) с помощью шестистепенного роботизированного манипулятора [2,3]. Способ реализуется за счет использования компьютерного моделирования динамики перемещения сближаемых ЛА, двух роботизированных манипуляторов, обеспечивающего относительное перемещение макетов ЛА, и реального оборудования стыковки, которые реализуют физический контакт ЛА с воспроизведением соответствующих сил и моментов.
Недостатком данного способа испытаний летательных аппаратов является использование в составе стенда полунатурного моделирования из числа реального оборудования ЛА только элементы системы стыковки и захвата.
Известен способ проведения полунатурных испытаний беспилотного летательного аппарата самолетного типа, в основу которого заложено использование шестистепенной платформы Гью-Стьюарта для включения информации об углах крена и тангажа, получаемых с помощью бортовой инерциально-навигационной системы, в контур автоматического управления БВС за счет соответствующего наклона платформы [4]. При этом предполагается возможность использования в контуре управления штатных элементов, таких как наземный пункт управления и автопилот, тогда как моделирование динамики полета и имитация сигналов информационно-измерительной системы, за исключением углов крена и тангажа, производится с помощью компьютера.
Недостатком данного способа испытаний летательных аппаратов является использование выбор платформы только для имитации углов крена и тангажа и ограниченный диапазон располагаемых изменений этих углов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится способ проведения отработки систем управления как беспилотного летательного аппарата с использованием комплекса полунатурного моделирования беспилотного летательного аппарата типа мультикоптер [5].
Достоинством данного метода полунатурного моделирования является обеспечение осуществляющих подыгрыш внешних физических воздействий (динамического подобия движения) с помощью шестистепенной платформы Гью-Стьюарта. По сравнению с рассмотренным выше способом, в данном случае расширен диапазон физических воздействий, которые может воспринимать штатная система бортовых измерений в составе автоматической системы управления.
Недостатком данного способа является то, что в предложенной реализации имеются существенные ограничения углового положения платформы, а также не предусмотрена возможность испытаний БЛА ВВП с работающей силовой установкой.
В результате принимаются значительные допущения относительно математической модели летательного аппарата и элементов системы управления.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в корректировке и валидации математической модели динамики полета БВС и в повышении качества полунатурных испытаний БВС ВВП за счет измерений усилий в узле крепления БВС ВВП к роботизированному манипулятору, обеспечивающему линейные перемещений и угловую ориентацию испытываемого БВС в соответствии с моделируемыми значениями этих параметров в процессе выполнения режимов взлета, посадки и висения. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что роботизированный манипулятор перемещается по траектории, соответствующей моделируемому движению БЛА ВВП в точке размещения динамометрического узла крепления БВС к манипулятору, тем самым замыкая контур управления с реальными системами измерения углового и пространственного положения, бортовым вычислителем, приводами и, в конечном счете, органами управления и средствами создания подъемной силы (несущий винт для БВС вертолетного типа и винтокольцевые движители для преобразуемых БВС типа «конвертоплан»).
Основной идеей предлагаемого изобретения является то, что снижение трудоемкости испытаний и обеспечение безопасности первого вылета БВС ВВП достигается в результате воспроизведения с помощью моделирующего стенда и роботизированного манипулятора в реальном масштабе времени пространственного движения БВС ВВП с учетом:
- функционирования реальных средств измерения пространственного и углового положения БВС в качестве источников информации для работы САУ (система автоматического управления);
- функционирования реальной БЦВМ для реализации алгоритмов САУ;
- функционирования реальных приводов;
- функционирования реальных средств создания подъемной силы и органов управления в режиме висения, а также выполнения вертикального взлета и посадки.
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 проиллюстрирован внешний вид макета стенда для полунатурных испытаний систем автоматического управления БАС с БВС ВВП.
На фиг. 2 представлена структурная схема стенда для полунатурных испытаний систем автоматического управления БАС с БВС ВВП и раскрыто осуществление предлагаемого способа, где:
1 - имитатор наземной станции управления,
2 - имитатор линии связи,
3 - БВС,
3.1 - датчики,
3.2 - САУ,
3.3 - приводы,
3.4 - органы управления БВС,
3.5 - динамика, кинематика БВС,
4 - моделирующий стенд,
4.1 - модель САУ,
4.2 - модель приводов,
4.3 - модель динамики и кинематики БВС,
4.4 - модель датчиков,
4.5 - инверсная модель динамики полета БВС и кинематики манипулятора,
4.6 -настройка моделей динамики полета БВС и кинематики манипулятора с использованием алгоритма на основе нейронных сетей (НС),
5 - робот-манипулятор,
5.1 - система управления манипулятором,
5.2 - динамика манипулятора,
5.3 - кинематика манипулятора.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом
Выполняется полунатурное испытание БВС ВВП за счет включения в контур управления БВС реальных средств измерения углового положения и линейных ускорений, БЦВМ (бортовая цифровая вычислительная машина - бортовой компьютер), реализующей тестируемый алгоритм автоматического управления БВС, а также реальных приводов, реальных органов управления и реальных средств создания подъемной силы (несущий винт для БВС вертолетного типа и винтокольцевые движители для преобразуемых БВС типа «конвертоплан»).
При этом крепление БВС к роботизированному манипулятору выполняется с помощью динамометрического узла крепления, позволяющего измерять силы и моменты, приложенные в точке крепления.
Для БВС типа «конвертоплан» узел крепления может располагаться в верхней части фюзеляжа. Для БВС вертолетного типа в этом случае возможен выбор расположения узла крепления в нижней части фюзеляжа или к щасси, с учетом геометрических размеров вращающихся несущего и рулевого винтов.
Испытываемый экземпляр БВС (3) закрепляется на роботизированном манипуляторе (5), обеспечивающем линейные и угловые перемещения БВС, с помощью динамометрического узла крепления (5.2).
При этом в процессе исследований все штатные подсистемы БВС функционируют так же, как в реальном полете, включая органы управления и средства создания подъемной силы.
Заданный режим полета передается с (имитатора) наземного пункта управления (1) по линии связи (2) на БВС (3) в соответствии с реальной схемой управления данным БВС.
Информация, получаемая с помощью штатной бортовой системы измерения углового положения и линейных перемещений (3.1) используется для формирования входных сигналов для функционирования штатной бортовой САУ (3.2).
Для аппаратуры, функционирование которой ограничено вследствие размещения испытательного стенда внутри помещения (например, GPS, компас), используются имитаторы соответствующих датчиков (4.4), формирующие соответствующие сигналы на основе моделирования динамики движения БВС.
На основании сравнения заданных и измеренных значений углового положения и линейных перемещений БВС, поступающих на вход САУ, формируются команды управления в соответствии с реальными алгоритмами функционирования САУ.
Выходные (командые) сигналы САУ (3.2), поступающие на вход исполнительных элементов системы управления (приводы перемещения органов управления, команды управления тягой двигателей и т.п.) (3.3) и информация о функционировании (перемещениях) приводов передаются на моделирующий стенд (4).
На моделирующем стенде (4) реализуется математическая модель полета исследуемого БВС (4.3), включая математические модели расчета сил и моментов действующих на БВС и математическая модель углового и пространственногодвижения БВС, обеспечивающие расчет перемещения и ориентации участка конструкции БВС в точке расположения узла крепления к роботизированному манипулятору (5.2).
С помощью обратной модели (4.2) динамики (5.2) и кинематики (5.3) роботизированного манипулятора (5) формируются команды системы управления (5.1.) манипулятором (5), обеспечивающие перемещение БВС (3) в соответствии с результатом расчета с помощью модели динамики полета (4.3).
В то же самое время, в соответствии с выходными (командыми) сигналами реальной САУ (3.2) на борту БВС (3) функционируют реальные органы управления и реальные средства создания подъемной силы(3.4), формируя те же силы и моменты, которые действуют на БВС (3) в реальном полете в процессе выполнения исследуемого режима.
Поскольку имеет место неполнота первоначального описания динамики полета БВС с помощью математической модели и, возможно, неточности воспроизведения заданной траектории перемещения с помощью роботизированного манипулятора, в узле крепления БВС к манипулятору (5.2) возникают нагрузки (силы и моменты), измеряемые с помощью динамометрического оборудования.
Нейросетевой (НС) алгоритм (4.6) на основании информации об измеренных силах и моментах должен обеспечить минимизацию этих нагрузок за счет настройки поправочного сигнала, добавляемого к командам перемещения манипулятора и учитывающего неточность математической модели динамики и инверсной модели перемещения манипулятора и, тем самым, скорректировать и валидировать математическую модель динамики полета с исследуемой системой управления БВС.
Предлагаемый способ испытаний позволяет обеспечить корректировку (идентификацию) и валидацию математических моделей динамики полета и системы управления БВС путем проведения полунатурных испытаний системы автоматического управления БВС ВВП с работающими в контуре управления датчиками системы измерения ориентации и перемещения БВС, БЦВМ с реально функционирующими алгоритмами САУ и приводами, а также с учетом влияния реальных органов управления и реальных средств создания подъемной силы (несущий винт для БВС вертолетного типа и винтокольцевые движители для преобразуемых БВС типа «конвертоплан»).
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Патент RU 2629709C2 Устройство полунатурного моделирования системы управления беспилотным летательным аппаратом, 2017
2. Ou Ma - Use of industrial robots for hardware-in-the-loop simulation of satellite rendezvous and docking, 2012
3. T. Boge – EPOS-A Robotics-Based Hardware-in-the-Loop Simulator for Simulating Satellite RvD Operations, 2010
4. Stephan Schulz et al - Hardware-in-the-loop Testbed for Autopilot Development using Flight Simulation and Parallel Kinematics (2020)
5. Гоголев А.А. - Полунатурное моделирование беспилотных летательных аппаратов типа мультикоптер (Труды МАИ № 92)