Моделирование динамики полёта беспилотного летательного аппарата в компьютеризированном имитационном стенде

УДК 629.13

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

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В КОМПЬЮТЕРИЗИРОВАННОМ

ИМИТАЦИОННОМ СТЕНДЕ

Аннотация: Разработана математическая модель беспилотного

летательного аппарата (БПЛА), которая может использоваться в

компьютеризированном стенде имитационного моделирования в качестве отладочной модели. Математическая модель БПЛА выполнена по модульному принципу, что позволяет производить постепенную замену частей модели составляющими системы управления для целей их автономной отработки.

Ключевые слова: стенд имитационного моделирования, математическое моделирование, БПЛА.

Любая система управления (СУ) должна учитывать динамику объекта управления (ОУ), поэтому создание математических моделей, адекватно отражающих поведение ОУ, является важной задачей.

На всех этапах проектирования систем управления БПЛА ключевую роль играют стенды имитационного и полунатурного моделирования с полной или частичной имитацией ОУ, бортовых приборов навигации, органов управления, обеспечивая возможность испытаний СУ с целью оценки влияния на

характеристики системы тех или иных факторов, имитирующих условия эксплуатации с заданными требованиями. Отработка алгоритмов функционирования и аппаратного обеспечения СУ на имитационном стенде даёт возможность разработчикам более детально изучить поведение приборов СУ и СУ в целом, что влияет на их стоимость, а также на конечную стоимость ОУ, оснащённого СУ. Математические модели, входящие в состав программноматематического обеспечения имитационного стенда должны создаваться по модульному принципу, позволять производить доработку программных модулей, либо их замену составляющими СУ.

Для отработки и испытания СУ БПЛА разработан

компьютеризированный стенд имитационного моделирования.

Стенд состоит из двух промышленных компьютеров. Первый промышленный компьютер играет роль имитатора блока управления и навигации (БУН) СУ, в нём реализованы алгоритм ориентации и навигации и алгоритмы управления. Второй промышленный компьютер используется в качестве имитатора устройств окружения СУ (блока чувствительных элементов, рулевого привода), выполняет расчёт динамики БПЛА.

Функционирование стенда организуется алгоритмом диспетчера стенда, который обеспечивает выполнение всех алгоритмов стенда в реальном

масштабе времени под управлением операционной системы реального времени QNX 6.4.0. Программное обеспечение стенда имитационного моделирования реализовано на языке C++.

На рисунке 1 представлена функциональная схема стенда имитационного моделирования.

Стенд

Рисунок 1 - Функциональная схема стенда

Разработаны следующие математические модели и алгоритмы:

- нелинейная модель пространственного движения ЛА;

- модель погрешностей инерциальных датчиков;

- алгоритм ориентации и навигации (АОН) бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС);

- алгоритмы управления;

- модель рулевого привода.

Логика работы разработанных моделей и алгоритмов:

1) задание начальных значений вектора состояния БПЛА: координат, скорости, ускорения, углового положения, угловых скоростей и ускорений;

2) передача данных о состоянии БПЛА в БУН;

3) формирование БУН значений сигналов управления рулевыми приводами на основе данных о состоянии БПЛА и полётного задания;

4) передача значений сигналов управления рулевыми приводами в модель рулевых приводов;

5) формирование значения угла отклонения управляющих поверхностей согласно модели рулевых приводов;

6) пересчёт аэродинамических параметров в модели БПЛА, учитывая положение управляющих поверхностей;

7) вычисление линейных ускорений (показаний датчиков линейных ускорений) и угловых скоростей (показаний датчиков угловой скорости) на основании текущих параметров полёта;

8) зашумление подыгрыша показаний инерциальных датчиков согласно принятой модели;

9) передача зашумлённого подыгрыша показаний инерциальных датчиков в БУН;

10) определение по подыгрышу текущего вектора состояния БПЛА алгоритмом ориентации и навигации БУН.

Шаги (3)-(10) циклически повторяются до окончания вычислений.

В данной работе БПЛА рассматривается как динамический объект, непрерывное во времени изменение параметров которого описывается дифференциальными уравнениями [1]. Рассматривается жесткий БПЛА самолетного типа. В качестве исследуемого, был взят беспилотный летательный аппарат Aerosonde, AII Corporation, Melbourne [2].

Модель ошибок инерциальных датчиков представляет собой суперпозицию ошибок возникающих из-за погрешности масштабного коэффициента, нескомпенсированного нулевого сигнала и случайной составляющей.

Алгоритм ориентации и навигации вычисляет параметры вращательного и поступательного движения БПЛА (вектор состояния): координаты, в выбранной системе координат, скорость, ускорение, текущую угловую ориентацию БПЛА в пространстве, угловую скорость и ряд дополнительных величин [3].

Автопилот построен с использованием следующих контуров управления: контур стабилизации угла тангажа, контур стабилизации/изменения высоты, контур стабилизации угла крена, контур стабилизации и выхода на заданный курс. Контур стабилизации угла тангажа является внутренним для контура стабилизации/изменения высоты, а контур стабилизации угла крена является внутренним для контура стабилизации и выхода на заданный курс [4].

Передаточные функции регуляторов определяются в ходе настройки контуров управления на оптимум по модулю [5]. При этом передаточная функция БПЛА определяется либо линеаризацией уравнений модели с принятием ряда допущений, либо с помощью System Identification Toolbox пакета MatLab, который по измеренным в ходе моделирования данным позволяет оценивать линейные и нелинейные математические модели динамических систем.

Модель рулевого привода при наличии обратной связи по положению рулевого органа в упрощённой постановке может быть описана передаточной функцией апериодического звена первого порядка с ограничением величины и скорости изменения угла [1].

На рисунке 2 показаны траектории БПЛА, полученные при моделировании в составе имитационного стенда.

OY, м

Траектория "разворот" Траектория "змейка"

Рисунок 2 - Траектории движения БПЛА

Методы имитации, реализованные в стенде, позволяют выполнять функциональную проверку СУ как в статическом, так и в динамическом режиме и могут быть использованы на этапах разработки и отладки СУ, а также при контроле изготовляемых и принятых на эксплуатацию ОУ.

Модель БПЛА была использована в стенде имитационного моделирования на этапах построения логики функционирования и отладки работы стенда, как комплекса функциональных, логических, аппаратных, программных, информационных взаимодействий различного характера. Применение модели позволило в короткие сроки произвести разработку, отладку и ввод стенда в эксплуатацию.

Литература:

1. Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1987.

2. www.aerosonde.com

3. Челноков Ю.Н. Кватернионные и бикватернионные модели и методы механики твёрдого тела и их приложения. Г еометрия и кинематика движения. - М.: физ.-мат.лит., 2006.

4. Rauw M. FDC 1.2 - A Simulink Toolbox for Flight Dynamics and Control Analysis. 2nd edition. 2001.

5. Артамонов Д.В., Семёнов А.Д. Основы теории систем

автоматического управления. - Пенза.: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2003.