Повышение точности идентификации параметров беспилотных летательных аппаратов для синтеза системы автоматической посадки

УДК 629.7.052

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ СИНТЕЗА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ

В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, П. Д. Зиновьев, Е.В. Шевцова

Рассматривается способ увеличения точности идентификации параметров БЛА за счет высокоточной регистрации положения аэродинамических рулей с учетом реальных переходных процессов в электромеханическом приводе.

Ключевые слова: рулевой привод, идентификация аэродинамических характеристик, БЛА, микроконтроллер.

В условиях современного мира трудно переоценить актуальность задачи разработки беспилотных подвижных объектов различного назначения и летательных аппаратов в частности. Процесс модернизации существующих и тем более появления новых аэродинамических типов беспилотных летательных аппаратов (БЛА) наряду с усложнением задач, стоящих перед авторами, обусловливает необходимость перманентных исследований в области систем полностью автоматического управления, в том числе в условиях воздействия внешних возмущающих факторов. Для БЛА, как правило, ставится задача возврата их в точку старта с посадкой, обеспечивающей максимальную сохранность как бортового оборудования, так и непосредственно воздушного судна с целью дальнейшей эксплуатации.

Как известно, решение задач захода на посадку и посадки любого воздушного судна сопряжено со значительными трудностями ввиду необходимости оперативного и адекватного реагирования на возмущения, т.к. в отличие от полетов на больших высотах значительные отклонения от требуемой траектории могут привести к необратимым последствиям (удару о поверхность, потере аэродинамической устойчивости и пр.). Таким образом, синтез алгоритмов автоматической посадки БЛА является особо ответственной задачей, для решения которой требуется информация об аэродинамических характеристиках БЛА. Общая методика идентификации аэродинамических характеристик ЛА по результатам летных испытаний известна [1]:

1. Подготовка ЛА для регистрации параметров движения.

2. Летный эксперимент, в котором выполняется перечень управляющих воздействий.

3. Обработка измерений, зафиксированных аппаратурой, подготовленной на 1-м этапе.

Методика корректируется под особенности конкретного применения. Различными могут быть: конструкции ЛА, режим полета, набор датчиков, точность регистрируемых параметров движения и др.

12

Суть методики заключается в определении взаимосвязи между сигналом, поступающим на исполнительный механизм, углом отклонения управляющей поверхности с учетом запаздывания и непосредственным изменением параметров движения БЛА. Первая составляющая известна, т.к. она формируется в бортовой системе управления БЛА, последняя измеряется датчиками первичной информации (инерциальными, барометрическими и др.) из состава пилотажно-навигационного комплекса БЛА, а для определения реальных углов отклонения управляющих поверхностей необходим комплекс специального оборудования, результатам разработки которого и посвящена данная работа.

БЛА можно представить в виде динамического звена с передаточными функциями, входными параметрами которых являются управляющие и внешние возмущающие воздействия, а выходными - параметры движения. Для восстановления причинно-следственной связи в процессе обработки входные и выходные параметры должны быть зарегистрированы в процессе летного эксперимента. Для малых БЛА самолетного типа к процессам, задающим динамику управляющим воздействиям, можно отнести отклонения аэродинамических рулей и изменение частоты вращения винта силовой установки. В отличие от внешних возмущений, которые могут быть исключены из расчетов, в случае если на экспериментальном этапе они были минимизированы путем выбора благоприятных погодных условий, управляющие воздействия при поставленной задаче являются средством создания требуемых измерений.

Органы управления малого БЛА. Наиболее распространенный способ создания нормальных управляющих сил для малых ЛА - рули, расположенные вдоль задней кромки неподвижных несущих поверхностей -крыльев, стабилизаторов, килей. При дозвуковых скоростях полета отклонение руля приводит к появлению подъемной силы не только на самом руле, но и на расположенном перед ним несущей поверхности [2].

Для малых БЛА в качестве исполнительных устройств применяются электромеханические рулевые машинки (РМ), содержащие в своем корпусе двигатель постоянного тока, редуктор, потенциометр и плату управления (рис. 1). Рулевые машинки разделяются по размеру, создаваемому на выходном валу моменту, материалу изготовления шестерней редуктора (пластик/металл), схемотехнической части платы управления (аналоговые/цифровые).

Подключение РМ происходит посредством трехпроводного кабеля, по двум жилам которого осуществляется питание, а третья служит для передачи управляющего сигнала. Несмотря на широкое разнообразие сервоприводов, представленных на рынке, для большинства из них управляющим сигналом служит ШИМ (исключением является линейка рулевых машинок фирмы Б^аЬа, использующих цифровой интерфейс 8.Ьш) с периодом 10...20 мс и длительностью положительного импульса от 0.8 до 2.2 мс. Последний непосредственно служит мерой заданного углового положения выходного вала.

Рис. 1. Конструкция сервопривода: ДПТ - двигатель постоянного тока; П - потенциометр; ПУ - плата управления

На выходной вал рулевой машинки крепится поворотный рычаг (рис. 2), который позволяет настроить момент на валу и диапазон перемещения тяги, регулируя плечо между точкой крепления тяги и осью выходного вала машинки. Крепление тяги на другом конце имеет подобную схему регулировки.

Рис. 2. Конструкция привода руля: АР - аэродинамический руль

При выполнении заданных маневров в полете на бортовом вычислителе, через который проходит сигнал с пульта дистанционного управления или формируется закон управления по заранее заданной программе содержатся значения управляющего сигнала, пропорционального углу, который стремится занять аэродинамический руль.

Как известно, реальное положение руля соответствует заданному не в любой момент времени в результате запаздывания и перерегулирования (рис. 3). Кроме этого, в случае превышения момента на выходном валу двигателя при внешнем возмущающем воздействии и неизменном управляющем сигнале может произойти непроизвольное изменение положения руля, что также никак не будет отражено в зарегистрированных параметрах.

100

0_

40

20

80

60

0

О

0.2

0.4 Ате, эес

0.6

0.8

Рис. 3. Переходной процесс отклонения руля: оранжевый - заданный угол поворота; синий - истинный угол поворота

Способ регистрации действительного отклонения положения органа управления. Если пренебречь люфтом в местах крепления рулевой тяги, а также нежесткостью всех элементов, рассмотренной на рис. 2 конструкции, измерив напряжение на выводных контактах потенциометра из состава контура обратной связи рулевой машинки, можно однозначно определить положение ее выходного вала, а соответственно и угловое положение руля.

Таким образом, при наличии четырех отклоняемых рулевых поверхностей и при условии, что на каждой поверхности расположена индивидуальная РМ, понадобится четыре (или один) четырехканальный АЦП. Преимущество четырех АЦП состоит в том, что каждый преобразователь можно расположить в непосредственной близости с РМ и тем самым уменьшить длину сигнальной линии, на которой может находиться помеха.

Однако для их подключения понадобится задействовать 4 порта на вычислителе, либо, чтобы не быть ограниченным в длине цифровой шины, ставить преобразователи на интерфейс, который позволяет параллельное включение нескольких устройств на расстоянии порядка нескольких метров. Кроме того, придется синхронизировать опрос между отдельными рулями, а также с другими подсистемами, с которыми взаимодействует вычислитель. Поэтому на первых этапах было решено создать автономную систему регистрации параметров отклонения рулей, которая не подразумевает вмешательства в программную часть бортового вычислителя.

Для объединения сигнальных линий в одну шину был выбран интерфейс Я8-485, который позволяет на одной линии размещать до 32 приемо-передатчиков. Работа на линии постоянно синхронизируется блоком регистрации отклонений (БРО), не допуская одновременного вещания нескольких устройств. Выбранный интерфейс может использоваться в полудуплексном режиме что позволяет применять двухжильный кабель вместо четырехжильного, что обеспечивает снижение массы всей системы регистрации.

Согласно структуре разрабатываемого комплекса, изображенной на рис. 4, заданное отклонение руля в формате ШИМ сигнала передается по отдельным линиям с бортового вычислителя на рулевые приводы. Плата преобразования (ПП) производит съем как поступившего управляющего сигнала, так и сигнала о положении выходного вала сервопривода, преобразуя эти величины в цифровой код. БРО выдает на информационную линию запрос сигналов от ПП об отклонении с заранее заданной частотой. Каждая ПП фиксирует момент прихода запроса и начинает обратный отсчет до отправки ответа, причем

л I -1

Iоб.отс г ,

/ • П

где / - порядковый номер РМ, / - частота регистрации данных, п - количество РМ.

Таким образом, данные о величине отклонения каждого рулевого привода поступают в свой отведенный промежуток времени.

Синхронизация записей бортового вычислителя и БРО выполняется за счет «привязки» всех данных к единой шкале времени - иТС, получаемой от приемника СНС. Бортовой вычислитель штатно оснащен приемником СНС, а на БРО был дополнительно установлен аналогичный. При выдаче модулями СНС данных с частотой 10 Гц синхронизация может быть произведена с точностью 0,1 с. Уточнение синхронизации вплоть до 1 рабочего такта системы может быть произведено по регистрируемому обеими системами значению заданного отклонения одного из аэродинамических рулей.

Рис. 4. Структурная схема системы регистрации отклонения рулей: БВ - бортовой вычислитель; РМ - рулевая машинка; ПП - плата преобразования; БРО - блок регистрации отклонений; АКК - аккумуляторная батарея; СНС - спутниковая навигационная система; красный - питание; черный - общий провод; зеленый - информационная линия

Рассмотрим более детально внутреннюю структуру ПП и БРО. Плата преобразователя основана на микроконтроллере семейства СоЛех-МО, который, кроме всего прочего, имеет в своем составе 12-разрядный АЦП,

аппаратный таймер и последовательный порт с логическим уровнем 3,3 В. Данный перечень аппаратных средств позволяет обеспечить выполнение рассмотренных выше задач с достаточной точностью, а миниатюрный форм-фактор микроконтроллера (корпус Т880Р-20) - создать печатную плату, не превышающую габариты сервопривода (рис. 5). Диапазон входных напряжений АЦП сверху ограничен 3,3 В, поэтому на плате предусмотрена возможность размещения делителя напряжения в случае использования рулевой машинки, плата управления которого оперирует логическим уровнем 5 В. Выбор в качестве интерфейса внешней передачи данных Я8-485 требует размещения на плате преобразователя иАЕТ-Я8485 (например, «МАХ-3485»). На ПП размещается преобразователь напряжения, что диктуется следующим фактором: питание исполнительных органов малых БЛА осуществляется напряжением от 4,5 до 6 В, тогда как максимум питающего напряжения выбранных микросхем не превышает 3,5 В (рис. 5 и 6).

Разрешение определения угла отклонения руля можно рассчитать в зависимости от используемых АЦП, РМ по формуле

Vдифф

а разреш = н макс ,7 минЛ ,

2 "

где УАЦП - диапазон входных напряжений АЦП; N - эффективная разрядность АЦП; авых - угол поворота выходного вала РМ; Уос - напряжение обратной связи РМ.

Рис. 5. Внешний вид образца ПП, установленного на РМ

Рис. 6. Структурная схема платы преобразования

Для опроса 6 рулевых поверхностей с частотой 50 Гц имеем 20 мс на регистрацию отклонений на одном такте и по 3 мс - на ответ от каждого модуля. При настройке последовательного порта на скорость передачи 115200 бод и пакет данных длиной не более 10 байт передача данных легко укладывается в заданный временной интервал.

В структуру БРО кроме перечисленных элементов ПП входят упомянутый выше приемник СНС и карта флэш-памяти. Для того чтобы сохраненные данные можно было легко анализировать на ПК при записи на карту памяти используется специальная библиотека для малых встраиваемых систем «Еа1Б8». Операции передачи данных между периферийными устройствами приема-передачи и внутренней памятью МК автоматизированы с помощью встроенного модуля прямого доступа к памяти, что позволяет отреагировать на моменты получения данных и зафиксировать их максимально быстро (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема блока регистрации отклонений

Оценка точности съема данных. Для проверки качества работы системы был произведен съем данных с ненагруженной РМ в лабораторных условиях. При этом управляющий сигнал подавался в полном диапазоне, что соответствует углу поворота на 90 град (рис. 8). На рис. 8 отчетливо видно запаздывание и небольшое перерегулирование, которые будут усилены при воздействии внешней силы на рычаг рулевого привода.

time, ms

Рис. 8. Съем данных с РМ в эксперименте

18

Качество рассмотренного управляющего сигнала характерно для маневров, производимых при летных экспериментах, целью которых является идентификация аэродинамических характеристик ЛА, тогда как диапазон поворота выходного вала РМ на практике обычно ограничен меньшими углами - 45.. .60 град.

Заключение.

Авторами статьи разработана специальная система определения реальных отклонений аэродинамических поверхностей БЛА с учетом переходных процессов. Кроме этого проведены тестовые испытания созданного макета, продемонстрировавшие состоятельность предложенных технических решений. Следующим этапом представляется проведение калибровки данной системы в реальных условиях эксплуатации и использование ее результатов для идентификации параметров малого БЛА с повышенной точностью.

Список литературы

1. Пашковский И.М., Леонов В.А., Поплавский Б.К. Летные испытания самолетов и обработка результатов испытаний: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1985.

2. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.

Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. науч.-техн. отделения, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаб., cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО ««Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Зиновьев Петр Дмитриевич, инженер, cniiag@cniiag.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Шевцова Екатерина Викторовна, канд. техн. наук, доц., catrin victoramail.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана

IMPROVING THE ACCURACY OF UAV PARAMETER IDENTIFICATION FOR THE A UTOMA TIC LANDING SYSTEM SYNTHESIS

V. V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, P.D. Zinovyev, E. V. Shevtsova

An aproach to improve parametric identification of an UA V is considered by applying flight control actuator position precision measurements taking the real transient process of an electromechanic actuator into account.

Key words: flight control actuator, aerodynamic parameter identification, UA V, microcontroller.

Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",

Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiag,cniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",

Zinovyev Petr Dmitrievich, engineer, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, JSC "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",

Shevtsova Ekaterina Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, catrin victora mail. ru, Russia, Moscow, Bauman 's Moscow State Technical University

УДК 629.7.058

ФОРМИРОВАНИЕ МАРШРУТА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, С УЧЕТОМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОРРЕКЦИИ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Е.В. Помазков

Описан алгоритм автоматической прокладки маршрута, обеспечивающий минимальную длину и работу ИНС с заданной точностью.

Ключевые слова: формирование маршрута, инерциальная навигационная система, корреляционно-экстремальная навигационная система.

Введение

В задачах, решаемых с помощью беспилотных летательных аппаратов, при отсутствии гарантированной работы спутниковой навигационной системы (СНС) коррекция инерциальной навигационной системы (ИНС) осуществляется с помощью корреляционно-экстремальной навигационной системы (КЭНС).

Для решения задач автоматическими беспилотными летательными аппаратами характерно наличие этапа подготовки полетного задания (ПЗ), которое перед запуском аппарата передается на его борт для дальнейшего выполнения. В комплексе средств подготовки полетных заданий (КСАППЗ) маршрут БПЛА в горизонтальной плоскости хранится в виде списка широт и долгот, именуемых пунктами поворота маршрута (ППМ), при этом дуги, соединяющие соседние ППМ, в общем случае являются ортодромиями.