СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ

Полезная модель относится к системам автоматического управления беспилотными летательными аппаратами (БЛА), обладающим статической продольной и боковой устойчивостью, позволяющим стабилизировать углы положения летательного аппарата, курс, скорость, высоту, скороподъемность. Система автоматического управления БЛА позволяет выполнять полет по заданной траектории с точной привязкой к географическим координатам, производить автоматический взлет и посадку летательного аппарата с высокой точностью стабилизации аппарата в пространстве, прохождения по маршруту и высокой надежностью к сбоям, и высокой электромагнитной совместимостью.
Известна система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (патент РФ на полезную модель №106971, МГЖ G05D 1/02, дата публ. 27.07.2011), содержащая датчики угловых скоростей (ДУС) по крену и курсу, датчики дифференциального и полного давления, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), вычислитель для программной обработки сигналов с датчиков и выработки управляющих сигналов, блоки формирования сигналов управления исполнительными механизмами, исполнительные механизмы, приемник глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и модуль энергонезависимой памяти для введения в систему информации о географических координатах местоположения летательного аппарата, при этом для вычисления углового положения БЛА система использует только два датчика угловых скоростей и датчики полного и дифференциального давления, выходы которых подсоединены к входам соответствующих АЦП, которые подсоединены к вычислителю. Вычислитель содержит программные блоки, позволяющие корректировать сигналы с ДУС и обеспечивать оценку углового положения БЛА без использования сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Вычислитель содержит программные модули, содержащие вычитатели, пропорциональные и изодромные звенья, соединенные с блоками формирования сигналов ШИМ и исполнительными механизмами, позволяющими производить управление БЛА в каналах крена, курса и тангажа.
Недостатками известной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом являются низкая точность системы, в частности, низкая точность определения барометрической высоты из-за отсутствия аналоговой обработки сигнала датчика абсолютного давления при непосредственном подключении его к АЦП, а также ограниченные функциональные возможности системы: невозможность анализа работы оператора и БЛА в случае аварийной ситуации, низкая электромагнитная совместимость, невозможность анализа разряда батареи и питания САУ, невозможность управления приемником ГНСС (переход с GPS на ГЛОНАСС в полете).
Известна система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (патент РФ на полезную модель №137814, МПК G05D 1/00, дата публ. 27.02.2014), взятая в качестве прототипа, содержащая датчики угловой скорости (ДУС) по осям X, Y, Z, акселерометры по осям X, Y, Z, магнетометр по осям X, Y, Z, датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), приемник глобальной навигационной спутниковой системы, интерфейсный модуль, вычислитель системы автоматического управления (САУ), подключенный к источнику питания вычислителя САУ, при этом вычислитель САУ включает блок термокомпенсации кодов ДУС, акселерометров и магнетометра, первый выход блока термокомпенсации подключен к входу блоку вычисления вертикали, блок хранения полетного задания, вход-выход которого соединен с интерфейсным модулем, блок навигации и управления полетом, первый вход которого подключен к выходу блока хранения полетного задания, второй вход подключен к первому выходу блока вычисления вертикали, третий вход - к выходу АЦП, выход блока навигации и управления полетом соединен с входом блока формирования управляющих сигналов, выход которого подключен к исполнительным механизмам, управляемыми сигналами ШИМ, отличающаяся тем, что в нее введены источник опорного напряжения, два выхода которого подключены к входам питания датчиков абсолютного давления и дифференциального давления соответственно, аналоговый вычислитель, первый вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу датчика абсолютного давления, модуль датчиков тока и напряжения, подключенный к четвертому входу блока навигации и управления полетом, съемная энергонезависимая память, вычислитель контролирующий для восстановления работы вычислителя САУ в случае сбоя, включающий блок анализа работы вычислителя САУ, вход которого соединен с цифровой шиной выходов датчиков ДУС по осям X, Y, Z и акселерометров по осям X, Y, Z, блок восстановления работы вычислителя САУ и блок управления питанием вычислителя САУ, входы которых подключены к выходу блока анализа работы вычислителя САУ, выход блока управления питанием вычислителя САУ подключен к управляющему входу источника питания вычислителя САУ, выход блока восстановления работы вычислителя САУ подключен к пятому входу блока навигации и управления полетом, при этом вычислитель САУ дополнительно снабжен блоком управления приемником ГНСС, вход-выход которого подключен к приемнику ГНСС, а выход - к шестому входу блока навигации и управления полетом, блоком управления аналоговым вычислителем, вход которого соединен с выходом аналогового вычислителя, первый и второй выходы блока управления аналоговым вычислителем подключены соответственно к седьмому входу блока навигации и управления полетом и к третьему входу аналогового вычислителя, блоком «черного ящика», четыре входа которого подключены соответственно к выходу модуля датчиков тока и напряжения, выходу блока термокомпенсации кодов датчиков, второму выходу блока вычисления вертикали, второму выходу блока навигации и управления полетом, выход блока «черного ящика» подключен к входу съемной энергонезависимой памяти, при этом вход-выход блока формирования управляющих импульсов подключен к исполнительным механизмам управляемыми потенциальными сигналами.
Недостатками известной системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом являются низкая точность системы, в частности, низкая точность стабилизации БЛА в пространстве, так как вычислитель выполняет обработку датчиков и выполняет все остальные функции, нет возможности подключить гироскоп по курсу повышенной точности, низкая надежность системы, в частности; низкая надежность определения навигационных координат, так как используется один навигационный приемник, низкая электромагнитная совместимость по причине гальванической связи вычислителя с прочим электрооборудованием БЛА, а также ограниченные функциональные возможности системы: нет возможности подключиться к бортовой сети Ethernet.
Задача полезной модели - создание системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом, обеспечивающей точность стабилизации БЛА в пространстве, надежность определения навигационных координат, эксплуатационную надежность при электромагнитных помехах, расширение функциональных возможностей.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, - повышение точности стабилизации БЛА в пространстве за счет разделения функции стабилизации и навигации по разным вычислителям, повышение точности стабилизации БЛА по курсу за счет введения гироскопа по курсу повышенной точности, повышение надежности определения навигационных координат путем введения системы навигации, повышение эксплуатационной надежности работы устройства за счет введения модуля развязки гальванической и гальванически развязанного источника питания, расширение функциональных возможностей за счет введения приемопередатчика Ethernet.
Указанный технический результат достигается тем, что в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом, содержащую датчики угловой скорости по осям X, Y, Z, акселерометры по осям X, Y, Z, магнетометр по осям X, Y, Z, датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления, подключенный к аналого-цифровому преобразователю, последовательно соединенные аналоговый вычислитель и блок управления аналоговым вычислителем, источник опорного напряжения, питающий датчик абсолютного давления, датчик дифференциального давления и подающий напряжение на первый вход аналогового вычислителя, на второй вход аналогового вычислителя поступает аналоговый сигнал с датчика абсолютного давления, на третий вход поступает аналоговый сигнал с блока управления аналоговым вычислителем, приемник ГНСС, блок управления приемником ГНСС, интерфейсный модуль, блок термокомпенсации кодов датчиков, выход которого подключен к блоку вычисления вертикали, блок навигации и управления полетом, блок «черного ящика» входа которого подключены соответственно ко второму выходу блока навигации и управления полетом, выходу блока термокомпенсации кодов датчиков, выход блока «черного ящика» подключен к входу съемной энергонезависимой памяти, датчики тока и напряжения, выходы которых соединены с входом блока навигации и управления полетом и блоком «черного ящика», блок навигации и управления полетом, вход которого соединен с выходом блока хранения полетного задания, следующий вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, при этом выход блока навигации и управления полетом подключен к входу блока формирования управляющих сигналов, исполнительные механизмы, согласно полезной модели, введены вычислитель стабилизации, включающий в себя блок стабилизации, первый вход которого подключен к выходу блока вычисления вертикали, второй вход-выход подключен через модуль развязки гальванической к гироскопу по курсу повышенной точности, третий вход подключен к блоку управления аналоговым вычислителем, выход подключен через модуль развязки гальванической к исполнительным механизмам (элеронам, элевонам, рулям высоты), вход-выход соединен с входом-выходом блока навигации и управления полетом, вычислитель навигации, включающий в себя блок управления системой навигации подключенный через модуль развязки гальванической к системе навигации, блок вычисления совмещенного решения координат, первый вход которого подключен к блоку управления приемником ГНСС, второй к блоку управления системой навигации, выход подключен ко второму входу блока навигации и управления полетом, гальванически развязанный источник питания, питающий вычислитель стабилизации и вычислитель навигации, модуль развязки гальванической, блок управления приемником ГНСС подключен к приемнику ГНСС через модуль развязки гальванической, блок хранения полетного задания подключен к модулю интерфейсному через модуль развязки гальванической, блок формирования управляющих сигналов подключен к исполнительным механизмам через модуль развязки гальванической, сеть бортовая Ethernet подключена через модуль развязки гальванической к приемопередатчику Ethernet, который подключен к блоку навигации и управления полетом и к блоку черного ящика, гальванически развязанный источник питания подает питание на вычислитель стабилизации и вычислитель навигации.
Введение в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом вместо вычислителя САУ двух отдельных вычислителей: вычислителя стабилизации и вычислителя навигации, позволяет повысить частоту опроса датчиков в реальном режиме времени через равные промежутки времени, что существенно повышает точность вычисления углов Эйлера и точность стабилизации БЛА в пространстве, введение в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом гироскопа по курсу повышенной точности и блока стабилизации, позволяет удерживать курс при пропадании сигналов ГНСС.
Введение в систему автоматического управления беспилотным летательным аппаратом системы навигации, блока управления системой навигации и блока вычисления совмещенного решения координат позволяет дублировать расчет координат в пространстве при отказе датчиков или приемника ГНСС, что повышает надежность позицирования при выполнении полетного задания.
Введение в систему автоматического управления БЛА модуля развязки гальванической и гальванически развязанного источника питания, обеспечивает высокую электромагнитную совместимость, что повышает эксплуатационную надежность при электромагнитных помехах.
Введение приемопередатчика Ethernet и бортовой сети Ethernet расширяет функциональные возможности САУ
Заявленная система автоматического управления беспилотным летательным аппаратом позволяет высокоточно стабилизировать БЛА по углам тангажа, крена, курса, поддерживать заданный курс, скорость, высоту, выполнять полет по заданному маршруту с привязкой к географическим координатам. Система управляет БЛА в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах. Система самостоятельно выполняет алгоритм спасения при аварийных ситуациях. Система может выполнять задание при отказе приемника ГНСС и при высоких электромагнитных помехах. Система может быть подключена к бортовой сети Ethernet.
Сравнение заявленного решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что изложенная совокупность признаков не известна из существующего уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о его соответствии критерию полезной модели «новизна».
Соответствие заявленной полезной модели критерию «промышленная применимость» показано на примере конкретного выполнения системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
На фигуре изображена блок-схема системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
1 - Датчик угловой скорости по оси X
2 - Датчик угловой скорости по оси Y
3 - Датчик угловой скорости по оси Z
4 - Акселерометр по оси X
5 - Акселерометр по оси Y
6 - Акселерометр по оси Z
7 - Магнетометр по осям X, Y, Z
8 - Источник опорного напряжения
9 - Датчик абсолютного давления
10 - Аналоговый вычислитель
11 - Датчик дифференциального давления
12 - Аналого-цифровой преобразователь
13 - Модуль датчиков тока и напряжения
14 - Гальванически развязанный источник питания
15 - Блок термокомпенсации кодов датчиков
16 - блок управления аналоговым вычислителем
17 - Блок управления приемником ГНСС
18 - Блок управления системой навигации
19 - Блок хранения полетного задания
20 - Блок навигации и управления полетом
21 - Блок вычисления вертикали
22 - Блок стабилизации
23 - Блок вычисления совмещенного решения координат
24 - Блок формирования управляющих сигналов
25 - Блок «черного ящика»
26 - Съемная энергонезависимая память
27 - Приемопередатчик Ethernet
28 - Модуль развязки гальванической
29 - Гироскоп по курсу повышенной точности
30 - Исполнительные механизмы (элероны, элевоны, рули высоты,)
31 - Приемник ГНСС
32 - Система навигации
33 - Модуль интерфейсный
34 - Исполнительные механизмы (регуляторы хода, выброс парашюта, надув подушки) потенциальные входы/выходы (фотоаппарат, тепловизор, видеокамера, бортовые огни)
35 - Сеть бортовая Ethernet
Описание работы системы автоматического управления беспилотного летательного аппарата.
Датчики 1, 2, 3 угловых скоростей по осям X, Y, Z измеряют угловые скорости по осям связанной системы координат. Акселерометры 4, 5, 6 по осям X, Y, Z измеряют ускорение по осям связанной системы координат. Магнетометр 7 по осям X, Y, Z измеряет напряженность магнитного поля Земли в проекции на оси связанной системы координат. Датчики 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 оснащены встроенными датчиками температуры и имеют цифровой выход, что позволяет непосредственно подключить их по шине SPI к вычислителю стабилизации. Коды с датчиков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 поступают на вход блока 15 термокомпенсации кодов датчиков, где происходит коррекция значения кода в зависимости от текущей температуры конкретного датчика.
(Вычислитель стабилизации выполнен в виде программных блоков 15, 16, 21, 22). Скорректированные коды датчиков поступают в блок 21 вычисления вертикали. Блок 21 вычисления вертикали, применяя алгоритм совместного решения по методу Эйлера-Крылова и с применением кватернионов, рассчитывает углы тангажа, крена, курса (углы Эйлера). Источник 8 опорного напряжения питает датчик 9 абсолютного давления и датчик 11 дифференциального давления. Датчики 9 и 11 давления имеют аналоговый выход. Сигнал с датчика 9 абсолютного давления, определяющий высоту полета поступает на аналоговый вычислитель 10. Аналоговый вычислитель 10 проводит математическую обработку аналогового сигнала с датчика 9 абсолютного давления, а именно компенсирует ошибку, вызванную нестабильностью источника 8 опорного напряжения питающего датчик 9 барометрического давления, интегрирует сигнал с заданной постоянной времени устраняя шум, вызванный нестабильностью воздушного потока возле трубки Пито, с которой снимается абсолютное давление, формирует выходной аналоговый сигнал с заданным коэффициентом усиления, и в зависимости от диапазона заданного блоком управления аналоговым вычислителем 16. Гироскоп 29 по курсу повышенной точности определяет курс, имеет малые уходы с течением времени и позволяет точно удерживать куре, при отказе приемника ГНСС. Гироскоп 29 по курсу повышенной точности передает данные через модуль 28 развязки гальванической в блок 22 стабилизации. Блок 22 стабилизации рассчитывает, какие управляющие воздействия необходимо подать через модуль 28 развязки гальванической на исполнительные механизмы 30 для стабилизации летательного аппарата в диапазоне заданных углов крена и тангажа.
(Вычислитель навигации выполнен в виде программных блоков 17, 18, 19, 20, 23, 24, 25). Аналоговый сигнал с датчика 11 дифференциального давления, зависящий от скорости БЛА, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 12 и в цифровом виде поступает на блок 20 навигации и управления полетом. С приемника ГНСС 31 значения координат, высоты, направления и скорости движения БЛА через модуль 28 развязки гальванической поступают на блок 17 управления приемником ГНСС. Блок 17 управления ГНСС переключает режим работы GPS, совмещенный GPS/ГЛОНАСС или ГЛОНАСС и передает данные на блок 23 вычисления совмещенного решения координат. Система 32 навигации содержит собственные приемники навигации, магнитометр, вычислитель, определяет значения координат, высоты, направления и скорости движения БЛА, направление магнитного поля и через модуль 28 развязки гальванической передает данные на блок 18 управления системой навигации. Блок 18 управления системой навигации переключает режим работы GPS, совмещенный GPS/ГЛОНАСС или ГЛОНАСС и другие режимы системы и передает данные на блок 23 вычисления совмещенного решения координат. Блок 23 вычисления совмещенного решения координат на основании данных с приемника ГНСС 31 и системы 32 навигации вычисляет навигационное решение в зависимости от достоверности данных и передает вычисленное решение на блок 20 навигации и управления полетом. Через интерфейсный модуль 33 через модуль 28 развязки гальванической полетное задание поступает в блок 19 хранения полетного задания. Полетное задание также возможно корректировать в процессе полета. Блок 20 навигации и управления полетом рассчитывает, какие управляющие воздействия необходимо подать на блок 24 формирования управляющих сигналов, для выполнения взлета и выполнения полетного задания, рассчитывает положение БЛА при исчезновении навигационного решения с приемников ГНСС, выполняет режимы посадки аппарата заданный или аварийный или осуществляет режим возврата, выполняет режим планирования при отказе двигателя или при обрыве парашюта. Информация с блока 20 навигации и управления поступает в блок 24 формирования управляющих сигналов, который через модуль 28 развязки гальванической подключен к исполнительным механизмам 34. Блок 24 формирования управляющих сигналов формирует сигналы ШИМ для управления (регуляторами хода, выбросом парашюта, надувом подушки) и потенциальные сигналы управляющими (фотоаппаратом, тепловизором, видеокамерой, бортовыми огнями), а также обрабатывает потенциальные входные управляющие сигналы. Все коды датчиков 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, вычисленные значения навигационных параметров: крена, тангажа, курса, значения управляющих воздействий: коды ШИМ и коды включения, выключения потенциальных выходов, значения поступающие с модуля 13 датчиков тока и напряжения обрабатываются и сжимаются в блоке 25 «черного ящика», и записываются на съемную энергонезависимую память 26 для сохранения. Приемопередатчик 27 Ethernet обеспечивает подключение к сети 35 бортовой Ethernet через модуль 28 развязки гальванической. Гальванически развязанный источник питания 14 и модуль 28 развязки гальванической защищают от электромагнитных помех по цепям питания и управления и обеспечивают высокую электромагнитную совместимость САУ.
Таким образом, предлагаемая система автоматического управления БЛА позволяет, применяя выделенный вычислитель стабилизации, повысить частоту опроса датчиков в реальном режиме времени, что повышает точность вычисления углов Эйлера, применяя гироскоп по курсу повышенной точности и блок стабилизации повысить точность стабилизации БЛА. Наличие системы навигации, блока управления системой навигации и блока вычисления совмещенного решения координат позволяет повысить точность и надежность вычисления координат. Модуль развязки гальванической и гальванически развязанный источник питания, позволяют обеспечить высокую электромагнитную совместимость, повышают надежность системы управления и защищают систему от сбоев.