Способ полунатурных роботизированных исследований и испытаний систем управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП)
METHOD FOR SEMI-NATURAL ROBOTIC RESEARCH AND TESTING OF CONTROL SYSTEMS FOR VERTICAL TAKEOFF AND LANDING UNMANNED AERIAL VEHICLES (VTL UAV)

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для исследований и испытаний систем управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП), в том числе – в составе беспилотной авиационной системы (БАС).
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 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 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 повышении качества полунатурных испытаний БВС ВВП вертолетного типа за счет воспроизведения на втулке несущего винта сил и моментов, соответствующих фактическим значениям, реализуемым при типовых режимах полета, и, тем самым, имитации динамики полета и условий работы всего контура автоматического управления БЛА. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что роботизированный манипулятор перемещается по траектории, соответствующей моделируемому движению БЛА ВВП, тем самым замыкая контур управления с реальными системами измерения углового и пространственного положения, бортовым вычислителем, приводами и, в конечном счете, органами управления.
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 полетом);
- функционирования реальной БЦВМ (бортовая цифровая вычислительная машина) для реализации алгоритмов САУ;
- функционирования реальных приводов.
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, реализующей тестируемый алгоритм автоматического управления БВС, а также приводов (исполнительных механизмов) системы управления.
Испытываемый экземпляр БВС закрепляется на роботизированном манипуляторе, обеспечивающем линейные и угловые перемещения БВС (см. чертеж 1).
Для БВС вертолетного типа предлагается использовать узел крепления к фланцу манипулятора, повторяющий способ креплнения втулки к валу несущего винта, тем самым прикладываемые спомощью манипулятора силы и моменты будут имитировать реальные силы и моменты, создаваемые несущим винтом.
Заданный режим полета передается с наземного пункта управления на БВС в соответствии с реальной схемой управления данным БВС.
Информация, получаемая с помощью штатной бортовой системой измерения углового положения и линейных перемещений, передается по каналу радиосвязи (или с помощью имитатора канала радиосвязи) на наземную станцию управления и используется для формирования входных сигналов для функционирования штатной бортовой САУ.
Для аппаратуры, функционирование которой ограничено вследствие размещения испытательного стенда внутри помещения (например, GPS, компас), используются имитаторы, 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, поступающие на вход исполнительных элементов системы управления и информация о перемещении приводов передается на моделирующий стенд (см. чертеж 2).
На моделирующем стенде реализуется математическая модель динамики полета исследуемого БВС, включающая в себя математические модели расчета сил и моментов, действующих на БВС, и математическую модель углового и пространственного движения БВС, обеспечивающую расчет перемещения и ориентации участка конструкции БВС в точке расположения узла крепления к роботизированному манипулятору.
С помощью обратной модели динамики и кинематики роботизированного манипулятора формируются команды управления манипулятором, обеспечивающие перемещение БВС в соответствии с результатом моделирования динамики полета.
Предлагаемый способ испытаний позволяет провести полунатурные испытания 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.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Патент RU 2629709C2 Устройство полунатурного моделирования системы управления беспилотным летательным аппаратом, 2017г.,
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).