Архитектура построения навигационного комплекса беспилотных летательных аппаратов может быть различной, в зависимости от требований и выполняемой задачи, ниже рассмотрены основные из них.

Как показывает опыт разработки беспилотных летательных аппаратов, в контуре управления БЛА существуют два основных элемента. Первый - исполнительный, т.е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы. Второй - командный. Это тот элемент, который ставит задачу на полёт, принимает решение в случае необходимости изменить программу полёта, выполняет коррекцию движения летательного аппарата при его отклонениях от заданной траектории движения.

При построении комплекса управления БЛА командный элемент или его часть выносится за пределы аппарата и связывается с исполнительным элементом линией передачи.

Наибольшие трудности возникают при разработке системы управления (СУ). Это связано с тем, что БЛА должен выполнять задачи в условиях автономного полёта, следовательно, иметь полную функционально замкнутую СУ. Кроме того, малые размеры и масса БЛА приводят к увеличению количества и диапазона внешних воздействий на данные объекты по сравнению с существующими летательными аппаратами, и, следовательно, ужесточают требования к элементной базе СУ. В связи с этим СУ должна решать следующие задачи:

стабилизация параметров движения объекта применительно к внешним помехам различной природы;

анализ внешних данных бортовыми средствами и определение приоритетной цели в зависимости от поставленной перед БЛА задачи;

расчет оптимальной траектории движения с целью уменьшения времени движения и расхода ресурсов БЛА;

контроль правильности удержания траектории;

обеспечение отказоустойчивости объекта управления или компенсация изменений его характеристик бортовыми средствами;

выполнение вычислительных операций большого объема в реальном масштабе времени для реализации алгоритмов управления БЛА.

Следует подчеркнуть, что основной функцией, решаемой СУ, является управление движением центра масс (три канала управления) и угловыми движениями БЛА относительно центра масс (три канала управления). Если не нужно точно выдерживать движение летательного аппарата по заданной траектории, то управляют только его угловыми движениями. Управление угловыми движениями обеспечивает вполне определенное положение БЛА в пространстве по отношению к вектору скорости центра масс. Управление движением центра масс обеспечивает полёт по наилучшей (оптимальной) траектории, например, по кратчайшему пути за кратчайшее время.

Таким образом, управление полетом БЛА сводится к управлению параметрами его движения: угловыми координатами, угловыми скоростями и ускорениями, линейными координатами (дальностью, высотой, боковым перемещением) и т. д.

Существующие СУ подразделяют на автономные и неавтономные. Кроме того, в отдельную группу могут быть выделены комбинированные СУ. Особенностью автономных СУ является то, что сигналы управления движением вырабатываются аппаратурой, целиком расположенной на борту, причем эта аппаратура после запуска не получает никакой информации из пункта управления. Автономные СУ действуют по заранее определенной программе.

При использовании автономных систем существует два метода получения управляющих сигналов. Можно заранее перед стартом рассчитать, как должны изменяться во времени основные параметры движения БЛА (скорость, угол и т.д.), определяющие траекторию движения. Полученные функции времени вводятся в специальные устройства СУ в качестве заданных величин или программ. После старта в процессе полета БЛА соответствующими устройствами непрерывно изменяются текущие (действительные) значения указанных параметров. СУ осуществляет сравнение расчетных значений параметров с текущими значениями и при их неравенстве вырабатывает соответствующие сигналы управления. Если на БЛА установлена аппаратура, позволяющая вести непрерывное измерение её координат в пространстве, то автономное управление можно осуществить по-другому. Координаты, получаемые от аппаратуры, автоматически вводятся в бортовое вычислительное устройство, которое в соответствии с заранее заложенной программой вычисляет величину сигналов управления. Следовательно, заранее не задается определенная траектория, а каждый раз вычисляется в зависимости от текущих координат. При этом предполагается, что координаты объекта предварительно заложены в вычислительное устройство. На работу таких СУ не оказывают влияние искусственно создаваемые помехи. Это основное их достоинство. Кроме того, эти системы можно применять для управления БЛА с большой дальностью полета.

Определение собственных координат воздушным судном происходит ежесекундно при стандартной работе приёмника спутниковой навигационной системы (СНС). При перенастройке приемника частота определения собственных координат может быть увеличена. Практически же увеличение частоты не дает выигрыша в точности определения координат, так как скорость изменения координат накладывает ограничения на маневренность БЛА. Характер движения в течение одной секунды меняется мало, и положение БЛА можно достаточно точно рассчитать по его предыдущему положению, динамике полета и текущему маневру. В реальности стоит задача не только знать, где и в какое время находится объект, но и в зависимости от его местоположения выработать ответную реакцию.

Итак, ситуацию можно разделить на три условные категории. Первая - простейший случай мониторинга. Задача системы состоит в фиксации местоположения объекта с привязкой ко времени. Вторая - это расширение первой. Причем, в добавление к наблюдению, система вырабатывает внутри себя ответную реакцию (сигнализацию, набор вычислительных процедур, выработку внутренней команды). В этом случае время на выработку ответной реакции и на ее исполнение ничтожно мало по сравнению с дискретностью отсчета местоположения объекта. Третья категория - передача вычисленных во втором случае данных обратно на борт летательного аппарата. Например, с целью коррекции его движения. Здесь складываются времена передачи координат с летательного аппарата на пункт наблюдения, выработки команды и передачи команды обратно на борт аппарата.

Рассмотрим расположение командного элемента на пункте управления.

Одним из методов управления БЛА является пилотажный (рисунок 1.2).

Видеоинформация

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет Аэрокосмический

Кафедра Летательные аппараты и управление

по истории аэрокосмической техники

Описание систем управления беспилотными летательными аппаратами

Челябинск 2009

Введение

Сам по себе БЛА - лишь часть сложного многофункционального комплекса. Как правило, основная задача, возлагаемая на комплексы БЛА, – проведение разведки труднодоступных районов, в которых получение информации обычными средствами, включая авиаразведку, затруднено или же подвергает опасности здоровье и даже жизнь людей. Помимо военного использования применение комплексов БЛА открывает возможность оперативного и недорогого способа обследования труднодоступных участков местности, периодического наблюдения заданных районов, цифрового фотографирования для использования в геодезических работах и в случаях чрезвычайных ситуаций. Полученная бортовыми средствами мониторинга информация должна в режиме реального времени передаваться на пункт управления для обработки и принятия адекватных решений. В настоящее время наибольшее распространение получили тактические комплексы микро и мини-БЛА. В связи с большей взлетной массой мини-БЛА их полезная нагрузка по своему функциональному составу наиболее полно представляет состав бортового оборудования, отвечающего современным требованиям к многофункциональному разведывательному БЛА. Поэтому далее рассмотрим состав полезной нагрузки мини-БЛА.

История

В 1898 г. Никола Тесла разработал и продемонстрировал миниатюрное радиоуправляемое судно. В 1910 г., вдохновлённый успехами братьев Райт, молодой американский военный инженер из Огайо Чарльз Кеттеринг предложил использовать летательные аппараты без человека. По его замыслу управляемое часовым механизмом устройство в заданном месте должно было сбрасывать крылья и падать как бомба на врага. Получив финансирование армии США, он построил, и с переменным успехом испытал несколько устройств, получивших названия The Kattering Aerial Torpedo, Kettering Bug (или просто Bug), но в боевых действиях они так и не применялись. В 1933 г. в Великобритании разработан первый БПЛА многократного использования Queen Bee. Были использованы три отреставрированных биплана Fairy Queen, дистанционно управляемые с судна по радио. Два из них потерпели аварию, а третий совершил успешный полёт, сделав Великобританию первой страной, извлёкшей пользу из БПЛА. Эта радиоуправляемая беспилотная мишень под названием DH82A Tiger Moth использовалась на королевском Военно-морском флоте с 1934 по 1943 г. Армия и ВМФ США с 1940 года использовали ДПЛА Radioplane OQ-2 в качестве самолёта-мишени. На несколько десятков лет опередили своё время исследования немецких учёных, давших миру на протяжении 40-х годов реактивный двигатель и крылатую ракету. Практически до конца восьмидесятых, каждая удачная конструкция БПЛА «от крылатой ракеты» представляла собой разработку на базе «Фау-1», а «от самолёта» - «Фокке-Вульф» Fw 189. Ракета Фау-1 была первым применявшимся в реальных боевых действиях беспилотным летательным аппаратом. В течение второй мировой войны немецкие учёные вели разработки нескольких радиоуправляемых типов оружия, включая управляемые бомбы Henschel Hs 293 и Fritz X, ракету Enzian и радиоуправляемый самолёт, заполненный взрывчатым веществом. Несмотря на незавершённость проектов, Fritz X и Hs 293 использовались на Средиземном море против бронированных военных кораблей. Менее сложным и созданным скорее с политическими, чем с военными целями самолёт V1 Buzz Bomb с реактивным пульсирующим двигателем, который мог запускаться как с земли, так и с воздуха. В СССР в 1930-1940 гг. авиаконструктором Никитиным разрабатывался торпедоносец-планер специального назначения (ПСН-1 и ПСН-2) типа «летающее крыло» в двух вариантах: пилотируемый тренировочно-пристрелочный и беспилотный с полной автоматикой. К началу 1940 г. был представлен проект беспилотной летающей торпеды с дальностью полёта от 100 км и выше (при скорости полёта 700 км/ч). Однако этим разработкам не было суждено воплотится в реальные конструкции. В 1941 году были удачные применения тяжёлых бомбардировщиков ТБ-3 в качестве БПЛА для уничтожения мостов. Во время второй мировой войны ВМС США для нанесения ударов по базам германских подводных лодок пытались использовать дистанционно пилотируемые системы палубного базирования на базе самолёта B-17. После второй мировой войны в США продолжились разработки некоторых видов БПЛА. Во время войны в Корее для уничтожения мостов успешно применялась радиоуправляемая бомба Tarzon. 23 сентября 1957 г. КБ Туполева получил госзаказ на разработку мобильной ядерной сверхзвуковой крылатой ракеты среднего радиуса действия. Первый взлёт модели Ту-121 был осуществлён 25 августа 1960 г., но программа была закрыта в пользу Баллистических ракет КБ Королёва. Созданная же конструкция нашла применение в качестве мишени, а также при создании беспилотных самолётов разведчиков Ту-123 «Ястреб», Ту-143 «Рейс» и Ту-141 «Стриж», стоявших на вооружении ВВС СССР с 1964 по 1979 г. Ту-143 «Рейс» на протяжении 70-х годов поставлялся в африканские и ближневосточные страны, в том числе и в Ирак. Ту-141 «Стриж» состоит на вооружении ВВС Украины и поныне. Комплексы «Рейс» с БРЛА Ту-143 эксплуатируются до настоящего времени, поставлялись в Чехословакию (1984 г.), Румынию, Ирак и Сирию (1982 г.), использовались в боевых действиях во время Ливанской войны. В Чехословакии в 1984 г. были сформированы две эскадрильи, одна из которых в настоящее время находиться в Чехии, другая - в Словакии. В начале 1960-х годов дистанционно-пилотируемые летательные аппараты использовались США для слежения за ракетными разработками в Советском Союзе и на Кубе. После того, как были сбиты RB-47 и два U-2, для выполнения разведывательных работ была начата разработка высотного беспилотного разведчика Red Wadon (модель 136). БПЛА имел высоко расположенные крылья и малую радиолокационную и инфракрасную заметность. Во время войны во Вьетнаме с ростом потерь американской авиации от ракет вьетнамских ЗРК возросло использование БПЛА. В основном они использовались для ведения фоторазведки, иногда для целей РЭБ. В частности, для ведения радиотехнической разведки применялись БПЛА 147E. Несмотря на то что, в конечном счёте, он был сбит, беспилотник передавал на наземный пункт характеристики вьетнамского ЗРК C75 в течение всего своего полёта. Ценность этой информации была соизмерима с полной стоимостью программы разработки беспилотного летательного аппарата. Она также позволила сохранить жизнь многим американским лётчикам, а также самолёты в течение последующих 15 лет, вплоть до 1973 г. В ходе войны американские БПЛА совершили почти 3500 полётов, причём потери составили около четырёх процентов. Аппараты применялись для ведения фоторазведки, ретрансляции сигнала, разведки радиоэлектронных средств, РЭБ и в качестве ложных целей для усложнения воздушной обстановки. Но полная программа БПЛА была окутана тайной настолько, что её успех, который должен был стимулировать развитие БПЛА после конца военных действий, в значительной степени остался незамеченным. Беспилотные летательные аппараты применялись Израилем во время арабо-израильского конфликта в 1973 г. Они использовались для наблюдений и разведки, а также в качестве ложных целей. В 1982 г. БПЛА использовались во время боевых действий в долине Бекаа в Ливане. Израильский БПЛА AI Scout и малоразмерные дистанционно-пилотируемые летательные аппараты Mastiff провели разведку и наблюдение сирийских аэродромов, позиций ЗРК и передвижений войск. По информации, получаемой с помощью БПЛА, отвлекающая группа израильской авиации перед ударом главных сил вызвала включение радиолокационных станций сирийских ЗРК, по которым был нанесён удар с помощью самонаводящихся противорадиолокационных ракет, а те средства, которые не были уничтожены, были подавлены помехами. Успех израильской авиации был впечатляющим - Сирия потеряла 18 батарей ЗРК. СССР ещё в 70-е-80-е годы был лидером по производству БПЛА, только Ту-143 было выпущено около 950 штук. Дистанционно-пилотируемые летательные аппараты и автономные БПЛА использовались обеими сторонами в течение войны в Персидском заливе 1991 г., прежде всего как платформы наблюдения и разведки. США, Англия, и Франция развернули и эффективно использовали системы типа Pioneer, Pointer, Exdrone, Midge, Alpilles Mart, CL-89. Ирак использовал Al Yamamah, Makareb-1000, Sahreb-1 и Sahreb-2. Во время операции «Буря в пустыне» БПЛА тактической разведки коалиции совершили более 530 вылетов, налёт составил около 1700 часов. При этом 28 аппаратов были повреждены, включая 12, которые были сбиты. Из 40 БПЛА Pioneer, используемых США, 60 процентов были повреждены, но 75 процентов оказались ремонтопригодными. Из всех потерянных БПЛА только 2 относились к боевым потерям. Низкий коэффициент потерь обусловлен вероятнее всего небольшими размерами БПЛА, в силу чего иракская армия сочла что они не представляют большой угрозы. БПЛА также использовались и в операциях по поддержанию мира силами ООН в бывшей Югославии. В 1992 г. Организация Объединённых Наций санкционировала использование военно-воздушных сил НАТО, чтобы обеспечить прикрытие Боснии с воздуха, поддерживать наземные войска, размещённые по всей стране. Для выполнения этой задачи требовалось ведение круглосуточной разведки.

В августе 2008 года ВВС США завершили перевооружение беспилотными летательными аппаратами MQ-9 Reaper первой боевой авиачасти - 174-го истребительного авиакрыла Национальной гвардии.Перевооружение происходило в течение трёх лет. Ударные БПЛА показали высокую эффективность в Афганистане и Ираке. Основные преимущества перед заменёнными F-16: меньшая стоимость закупки и эксплуатации, большая продолжительность полёта, безопасность операторов.

Состав бортового оборудования современных БЛА

Для обеспечения задач наблюдения подстилающей поверхности в реальном масштабе времени в процессе полета и цифрового фотографирования выбранных участков местности, включая труднодоступные участки, а также определения координат исследуемых участков местности полезная нагрузка БЛАдолжна содержать в своем составе:

Устройства получения видовой информации:

Спутниковую навигационную систему (ГЛОНАСС/GPS);

Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации;

Устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством;

Устройство обмена командной информацией;

Устройство информационного обмена;

Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);

Устройство хранения видовой информации.

Современные телевизионные (ТВ) камеры обеспечивают представление оператору в реальном времени картины наблюдаемой местности в формате наиболее близком к характеристикам зрительного аппарата человека, что позволяет ему свободно ориентироваться на местности и при необходимости выполнять пилотирование БЛА. Возможности по обнаружению, и распознаванию объектов определяются характеристиками фотоприемника и оптической системы телевизионные камеры. Основным недостатком современных телевизионных камер является их ограниченная чувствительность, не обеспечивающая всесуточности применения. Применение тепловизионных (ТПВ) камер позволяет обеспечить всесуточность применения БЛА. Наиболее перспективным представляется применение комбинированных теле-тепловизионных систем. При этом оператору представляется синтезированное изображение, содержащее наиболее информативные части, присущие видимому и инфракрасному диапазонам длин волн, что позволяет существенно повысить тактико-технические характеристики системы наблюдения. Однако подобные системы сложны технически и достаточно дороги. Применение РЛС позволяет получать информацию круглосуточно и при неблагоприятных метеоусловиях, когда ТВ и ТПВ каналы не обеспечивают получение информации. Применение сменных модулей, позволяет снизить стоимость и реконфигурировать состав бортового оборудования для решения поставленной задачи в конкретных условиях применения. Рассмотрим состав бортового оборудования мини-БЛА.

▪ Обзорное курсовое устройство закрепляется неподвижно под некоторым углом к строевой оси летательного аппарата, обеспечивающим необходимую зону захвата на местности. В состав обзорного курсового устройства может входить телевизионная камера (ТК) с широкопольным объективом (ШПЗ). В зависимости от решаемых задач может быть оперативно заменена или дополнена тепловизионной камерой (ТПВ), цифровым фотоаппаратом (ЦФА) или РЛС.

▪ Устройство детального обзора с поворотным устройством состоит из ТК детального обзора с узкопольным объективом (УПЗ) и трехкоординатного поворотного устройства, обеспечивающего разворот камеры по курсу, крену и тангажу по командам оператора для детального анализа конкретного участка местности. Для обеспечения работы в условиях пониженной освещенности ТК может быть дополнена тепловизионной камерой (ТПВ) на микроболометрической матрице с узкопольным объективом. Возможна также замена ТК на ЦФА. Подобное решение позволит использовать БЛА для проведения аэрофотосъемки при развороте оптической оси ЦФА в надир.

▪ Устройства радиолинии видовой и телеметрической информации (передатчик и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать передачу видовой и телеметрической информации в реальном или близком к реальному масштабе времени на ПУ в пределах радиовидимости.

▪ Устройства командно-навигационной радиолинии (приемник и антенно-фидерное устройство) должны обеспечивать прием в пределах радиовидимости команд пилотирования БЛА и управления его оборудованием.

▪ Устройство обмена командной информацией обеспечивает распределение командно и навигационной информации по потребителям на борту БЛА.

▪ Устройство информационного обмена обеспечивает распределение видовой информации между бортовыми источниками видовой информации, передатчиком радиолинии видовой информации и бортовым устройством хранения видовой информации. Это устройство также обеспечивает информационный обмен между всеми функциональными устройствами, входящими в состав целевой нагрузки БЛА по выбранному интерфейсу (например, RS-232). Через внешний порт этого устройства перед взлетом БЛА проводится ввод полетного задания и осуществляется предстартовый автоматизированный встроенный контроль на функционирования основных узлов и систем БЛА.

▪ Спутниковая навигационная система обеспечивает привязку координат (топопривязку) БЛА и наблюдаемых объектов по сигналам глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (GPS). Спутниковая навигационная система состоит из одного или двух приемников (ГЛОНАСС/GPS) с антенными системами. Применение двух приемников, антенны которых разнесены по строительной оси БЛА, позволяет определять помимо координат БЛА значение его курсового угла.

▪ Бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ) обеспечивает управление бортовым комплексом БЛА.

▪ Устройство хранения видовой информации обеспечивает накопление выбранной оператором (или в соответствии с полетным заданием) видовой информации до момента посадки БЛА. Это устройство может быть съемным или стационарным. В последнем случае должен быть предусмотрен канал съема накопленной информации во внешние устройства после посадки БЛА. Информация, считанная с устройства хранения видовой информации, позволяет проводить более детальный анализ при дешифрировании полученной в полете БЛА видовой информации.

▪ Встроенный блок питания обеспечивает согласование по напряжению и токам потребления бортового источника питания и устройств, входящих в состав полезной нагрузки, а также оперативную защиту от коротких замыканий и перегрузок в электросети. В зависимости от класса БЛА полезная нагрузка может дополняться различными видами РЛС, датчиками экологического, радиационного и химического мониторинга. Комплекс управления БЛА представляет собой сложную, многоуровневую структуру, основная задача которой – обеспечить вывод БЛА в заданный район и выполнение операций в соответствии с полетным заданием, а также обеспечить доставку информации, полученной бортовыми средствами БЛА, на пункт управления.

Бортовой комплекс навигации и управления БЛА

Бортовой комплекс "Аист" является полнофункциональным средством навигации и управления беспилотного летательного аппарата (БЛА) самолетной схемы. Комплекс обеспечивает: определение навигационных параметров, углов ориентации и параметров движения БЛА (угловых скоростей и ускорений); навигацию и управление БЛА при полете по заданной траектории; стабилизацию углов ориентации БЛА в полете; выдачу в канал передачи телеметрической информации о навигационных параметрах, углах ориентации БЛА. Центральным элементом БК "Аист" является малогабаритная инерциальная навигационная система (ИНС), интегрированная с приемником спутниковой системы навигации. Построенная на базе микроэлектромеханических датчиков (МЕМS гироскопов и акселерометров) по принципу бесплатформенной ИНС, система является уникальным высокотехнологичным изделием, гарантирует высокую точность навигации, стабилизации и управления ЛА любого класса. Встроенный датчик статического давления обеспечивает динамичное определение высоты и вертикальной скорости. Состав бортового комплекса: блок инерциальной навигационной системы; приемник СНС; блок автопилота; накопитель Летных Данных; датчик воздушной скорости В базовой конфигурации управление осуществляется по каналам: элероны; руль высоты; руль направления; контроллер двигателя. Комплекс совместим с радиоканалом РСМ (импульсно-кодовая модуляция) и позволяет управлять БЛА как в ручном режиме со стандартного пульта дистанционного управления, так и в автоматическом, по командам автопилота. Управляющие команды автопилота генерируются в форме стандартных широтно-импульсно-модулированных (ШИМ) сигналов, подходящих к большинству типов исполнительных механизмов. Физические характеристики:

размеры, мм: блок автопилота - 80 х 47 х 10; ИНС – 98 х 70 х 21; приемник СНС - 30 х 30 х 10; вес, кг: блок автопилота - 0,120; ИНС - 0,160; приемник СНС - 0,03. Электрические характеристики: напряжение питания, В - 10...27; потребляемая мощность (макс.), Вт - 5. Окружающая среда: температура, град С - от –40 до +70; вибрация/удар, g - 20.

Управление: порты RS-232 (2) - прием/передача данных; порты RS-422 (5) – связь с внешними устройствами; каналы ШИМ (12) - управляющие устройства; программируемые ППМ (255) - поворотные пункты маршрута. Рабочие диапазоны: крен - ±180°; тангаж - ±90°; курс (путевой угол) - 0...360; ускорение - ±10 g; угловая скорость - ±150°/сек

Система управления пространственным положением остронаправленных антенных систем в комплексах БЛА

Сам по себе беспилотный летательный аппарат (БЛА) – лишь часть сложного комплекса, одна из основных задач которого – оперативное доведение полученных сведений до оперативного персонала пункта управления (ПУ). Возможность обеспечения устойчивой связи является одной из важнейших характеристик, определяющих эксплуатационные возможности комплекса управления БЛА и обеспечивает доведение сведений, полученных БЛА, в режиме «реального времени» до оперативного персонала ПУ. Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) как на ПУ, так и на БЛА. Функциональная схема системы управления пространственным положением остронаправленной АС, обеспечивающая оптимизацию процесса вхождения в связь в комплексах управления БЛА, приведена на рис. 1.

Система управления остронаправленной АС (см. рис. 1) включает в себя:

Собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии.

Сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи.

Систему автоматического сопровождения по направлению (АСН), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН.

Радиоприемного устройства, обеспечивающего формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством.

Процессор управления антенной системой, обеспечивающий анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования, анализ наличия связи, анализ возможности перевода сервопривода АС из режима «Внешнее управление» в режим «Автосопровождение», формирование сигнала перевода сервопривода АС в режим «Внешнее управление».

Рис. 1. Функциональная схема системы управления пространственным положением остронаправленной АС в комплексах управления БЛА

Основная задача, выполняемая системой управления пространственным положением остронаправленной АС, – обеспечить устойчивое вхождение в связь с объектом, заданным полетным заданием.

Эта задача распадается на ряд подзадач:

Обеспечение пространственной ориентации ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи и ее пространственной стабилизации для случая расположения АС на борту летательного аппарата.

Расширение зоны устойчивого захвата излучения объекта связи за счет применения дискретного алгоритма пространственного сканирования с детерминированной пространственно-временной структурой.

Переход в режим устойчивого автосопровождения объекта связи системой АСН при обнаружении объекта связи.

Обеспечение возможности повторного вхождения в связь в случае ее срыва. Для дискретного алгоритма пространственного сканирования с детерминированной пространственно-временной структурой можно выделить следующие особенности:

Сканирование ДН АС осуществляется дискретно во времени и в пространстве. Пространственные перемещения ДН АС при сканировании осуществляются таким образом, чтобы не оставалось пространственных зон, которые не перекрываются зоной уверенного захвата система АСН за весь цикл сканирования (см. рис.2).

Рис.2. Пример организации дискретного пространственного сканирования в азимутальной и угломестной плоскостях

Для каждого конкретного пространственного положения, определяемого алгоритмом сканирования, можно выделить две фазы: «Автосопровождение» и «Внешнее управление».

В фазе «Автосопровождение» система АСН осуществляет оценку возможности приема излучения объекта связи для выбранного пространственного положения РСН.

В случае положительного результата оценки: Пространственное сканирование прекращается. Система АСН продолжает осуществлять автосопровождение излучения объекта связи по своему внутреннему алгоритму. На вход сервопривода АС поступают сигналы пространственной ориентации АС по данным текущего пеленга объекта связи от системы АСН X АСН (t). В случае отрицательного результата оценки: Осуществляется пространственное перемещение РСН АС в следующее пространственное положение, определяемое алгоритмом сканирования.

В фазе «Внешнее управление» на выходе процессора управления антенной системой формируются сигналы управления сервоприводом АС. Компоненты сигнала управления сервоприводом обеспечивают:

X 0 – первоначальную пространственную ориентацию ДН АС в направлении на объект связи; ∆X ЛА (t)–парирование пространственных эволюций летательного аппарата; X АЛГ (t) – расширение зоны устойчивого захвата излучения объекта связи системы АСН в соответствии с дискретным алгоритмом пространственного сканирования с детерминированной пространственно-временной структурой.

В случае срыва связи, начиная с момента времени Т СВ=0 (пропадание сигнала «СВЯЗЬ»), сигнал X АСН (Т СВ=0) запоминается в устройстве «Вычисления и хранения», и используется в дальнейшем процессором управления АС в качестве значения ожидаемого пеленга объекта связи. Процесс вхождения в связь повторяется как описано выше. В режиме «Внешнее управление» сигнал управления сервоприводом остронаправленной АС по каналам «курс», «тангаж» и «крен» может быть записан

(1)

В режиме «Автосопровождение» сигнал управления сервоприводом остронаправленной АС может быть записан

(2)

Конкретный вид сигналов управления определяется конструктивными особенностями сервопривода антенной системы.

Инерциальная система БЛА

Ключевым моментом в упомянутой цепочке является «измерение состояния системы».То есть координат местоположения, скорости, высоты, вертикальной скорости, углов ориентации, а также угловых скоростей и ускорений. В бортовом комплексе навигации и управления, разработанном и производимым ООО «ТеКнол», функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС). Имея в своем составе триады инерциальных датчиков микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. МИНС разработки ТеКнола – это полная Инерциальная система, в которой реализован алгоритм бесплатформенной ИНС, интегрированной с приемником системы спутниковой навигации. Именно в этой системе содержится «секрет» работы всего комплекса управления БЛА. По сути, одновременно работают три навигационных системы в одном вычислителе по одним и тем же данным. Мы их называем «платформами». Каждая из платформ реализует свои принципы управления, имея свои «правильные» частоты (низкие или высокие). Мастер-фильтр выбирает оптимальное решение с любой из трех платформ в зависимости от характера движения. Этим обеспечивается устойчивость системы не только в прямолинейном движении, но и при виражах, некоординированных разворотах, боковом порывистом ветре. Система никогда не теряет горизонт, чем обеспечиваются правильные реакции автопилота на внешние возмущения и адекватное распределение воздействий между органами управления БЛА.

Бортовой комплекс управления БЛА

В состав Бортового Комплекса Навигации и Управления БЛА входят три составных элемента (Рисунок 1).

1. Интегрированная Навигационная Система;

2. Приемник Спутниковой Навигационной системы

3. Модуль автопилота.__

Модуль автопилота осуществляет выработку управляющих команд в виде ШИМ (широтно-импульсно-модулированных) сигналов, сообразно законам управления, заложенным в его вычислитель. Помимо управления БЛА, автопилот программируется на управление бортовой аппаратурой:

Стабилизация видеокамеры,

Синхронизированное по времени и координатам срабатывание затвора

фотоаппарата,

Выпуск парашюта,

Сброс груза или отбор проб в заданной точке

и другие функции. В память автопилота может быть занесено до 255 поворотных пунктов маршрута. Каждая точка характеризуется координатами, высотой прохождения и скоростью полета.

В полете автопилот также обеспечивает выдачу в канал передачи телеметрической информации для слежения за полетом БЛА (Рисунок 2).

А что же тогда представляет собой «квазиавтопилот»? Многие фирмы сейчас декларируют, что обеспечивают своим системам автоматический полет с помощью «самого маленького в мире автопилота».

Наиболее показательный пример такого решения - продукция канадской фирмы “Micropilot”. Для формирования сигналов управления здесь используют «сырые» данные – сигналы от гироскопов и акселерометров. Такое решение по определению не является робастным (устойчивым к внешним воздействиям и чувствительным к условиям полета) и в той или иной степени работоспособно только при полете в стабильной атмосфере.

Любое существенное внешнее возмущение (порыв ветра, восходящий поток или воздушная яма) чревато потерей ориентации летательного аппарата и аварией. Поэтому все, кто когда-либо сталкивался с подобной продукцией, рано или поздно понимали ограниченность таких автопилотов, которые никак не могут быть использованы в коммерческих серийных системах БЛА.

Более ответственные разработчики понимая, что необходимо настоящее навигационное решение, пытаются реализовать навигационный алгоритм с применением известных подходов Калмановской фильтрации.

К сожалению, и здесь не все так просто. Калмановская фильтрация - это всего лишь вспомогательный математический аппарат, а не решение задачи. Поэтому невозможно создать робастную устойчивую систему, просто перенося на MEMS интегрированные системы стандартный математический аппарат. Требуется тонкая и точная настройка на конкретное приложение. В данном случае – для маневренного объекта крылатой схемы. В нашей системе реализован более чем 15-ти летний опыт разработки инерциальных систем и алгоритмов комплексирования ИНС и GPS. К слову сказать, в мире только несколько стран обладают ноу-хау инерциальных систем. Это

Россия, США, Германия, Франция и Великобритания. За этим ноу-хау стоят научные, конструкторские и технологические школы, и по меньшей мере

наивно думать, что такую систему можно разработать и изготовить «на коленке» в институтской лаборатории или в ангаре аэродрома. Дилетантский подход здесь, как и во всех прочих случаях, чреват в конечном счете финансовыми потерями и потерей времени. Почему столь важен автоматический полет применительно к задачам, решаемым предприятиями топливно-энергетического комплекса? Понятно, что сам воздушный мониторинг не имеет альтернативы. Контроль за состоянием трубопроводов и других объектов, задачи охраны, мониторинга и видеонаблюдения лучше всего решаются с применением летательных аппаратов. А вот снижение издержек, обеспечение регулярности полетов, автоматизация сбора и обработки информации - здесь, совершенно справедливо уделяется внимание беспилотной технике, что и доказывает высокий интерес специалистов к проходящей выставке и форуму. Однако, как мы видели на выставке, беспилотные системы также могут представлять собой сложные и дорогие комплексы, требующие поддержки, обслуживания, создания наземной инфраструктуры и служб эксплуатации. В наибольшей степени это относится к комплексам, изначально созданным для решения военных задач, а теперь спешно адаптируемым к хозяйственным применениям. Отдельно остановимся на вопросах эксплуатации. Управление БЛА - задача для хорошо подготовленного профессионала. В армии США операторами БЛА становятся действующие пилоты ВВС после годовой подготовки и тренинга. Во многих аспектах это сложнее, чем пилотирование самолета, и, как известно, большинство аварий беспилотных ЛА вызваны ошибками пилота-оператора. Автоматические системы БЛА, оснащенные полноценной системой автоматического управления требуют минимальной подготовки наземного персонала, при этом решают задачи на большом удалении от места базирования, вне контакта с наземной станцией, в любых погодных условиях. Они просты в эксплуатации, мобильны, быстро развертываются и не требуют наземной инфраструктуры. Можно утверждать, что высокие характеристики систем БЛА, оснащенных полноценной САУ, снижают эксплуатационные издержки и требования к персоналу.

Системы автоматических БЛА

Каковы же практические результаты применения бортового комплекса с настоящей инерциальной системой? Компания «ТеКнол» разработала и предлагает заказчикам системы автоматических БЛА быстрого развертывания для решения задач мониторинга и воздушного наблюдения. Эти системы представлены на нашем стенде на выставке.

Автопилот в составе бортового комплекса навигации и управления обеспечивает

Автоматический полет по заданному маршруту;

Автоматический взлет и заход на посадку;

Поддержание заданной высоты и скорости полета;

Стабилизацию углов ориентации;

Программное управление бортовыми системами.

Оперативный БЛА.

Система многоцелевого БЛА разрабатывается компанией «Транзас» и оснащается комплексом навигации и управления «ТеКнола».

Поскольку управление БЛА малого размера представляет наиболее трудную задачу, приведем примеры работы бортового комплекса навигации и управления для оперативного мини-БЛА взлетным весом 3,5 кг.

При проведении аэросъемки местности БЛА совершает полет по линиям с интервалом 50-70 метров. Автопилот обеспечивает следование по маршруту с отклонением, не превышающим 10-15 метров при скорости ветра 7 м/с (Рисунок 5).

Понятно, что самый опытный пилот-оператор не в состоянии обеспечить такую точность управления.

Рис. 5: Маршрут и траектория полета мини БЛА при съемке местности

Поддержание заданной высоты полета также обеспечивается МИНС, которая вырабатывает комплексное решение по данным GPS, барометрического высотомера и инерциальных датчиков. При автоматическом полете по маршруту бортовой комплекс обеспечивает точность поддержания высоты в пределах 5 метров (Рисунок 6), что позволяет уверенно летать на малых высотах и с огибанием рельефа.

Рисунок 7 показывает, как САУ выводит БЛА из критического крена в 65º, в результате воздействия порыва бокового ветра при совершении маневра. Только настоящая ИНС в составе бортового комплекса управления в состоянии обеспечить динамичное измерение углов ориентации БЛА, не «потерять горизонт». Поэтому в процессе испытаний и эксплуатации наших БЛА ни один самолет не был потерян при полете под управлением автопилота.

Еще одной важной функцией БЛА является управление видеокамерой. В полете стабилизация камеры переднего обзора обеспечивается отработкой колебаний БЛА по крену по сигналам автопилота и данным МИНС. Таким образом картинка видео изображения оказывается стабильной, несмотря на колебания ЛА по крену. В задачах аэрофотосъемки (например, при составлении аэрофотоплана предполагаемого района проведения работ) точная информация об углах ориентации, координатах и высоте БЛА совершенно необходима для коррекции аэрофотоснимков, автоматизации сшивки кадров.

Беспилотный комплекс аэрофотосъемки также разрабатывается ООО «ТеКнол». Для этого производится доработка цифрового фотоаппарата и его включение в контур управления автопилотом. Первые полеты намечено провести весной 2007 года. Помимо упомянутых систем БЛА быстрого развертывания Бортовой Комплекс Навигации и Управления БЛА эксплуатируется СКБ «Топаз» (БЛА «Ворон»), устанавливается на новом БЛА разработанном компанией «Транзас» (многоцелевой комплекс БЛА «Дозор»), проходит испытания на мини БЛА компании Global Teknik (Турция). Ведутся переговоры с другими российскими и зарубежными клиентами. Изложенная выше информация и, главное, результаты летных испытаний, со всей очевидностью свидетельствуют, что без полноценного бортового комплекса управления, оснащенного настоящей инерциальной системой, невозможно построение современных коммерческих систем БЛА, которые могут решать задачи безопасно, оперативно, в любых погодных условиях, с минимальными издержками со стороны эксплуатирующих служб. Такие комплексы серийно выпускаются компанией «ТеКнол».

Выводы

Рассмотренный состав бортового оборудования БЛА позволяет обеспечить решение широкого круга задач по мониторингу местности и труднодоступных для человека районов в интересах народного хозяйства. Применение в состав бортового оборудования телевизионных камер позволяет в условиях хорошей метеовидимости и освещенности обеспечить высокое разрешение и детальный мониторинг подстилающей поверхности в режиме реального времени. Применение ЦФА позволяет использовать БЛА для проведения аэрофотосъемки в заданном районе с последующей детальной дешифровкой. Использование ТПВ аппаратуры позволяет обеспечить круглосуточность применения БЛА, хотя и с меньшим разрешением, чем при использовании телевизионных камер. Наиболее целесообразно применение комплексных систем, например ТВ-ТПВ, с формированием синтезированного изображения. Однако такие системы пока еще достаточно дороги. Наличие на борту РЛС позволяет получать информацию с меньшим разрешением, чем ТВ и ТПВ, но круглосуточно и при неблагоприятных метеоусловиях. Применение сменных модулей устройств получения видовой информации, позволяет снизить стоимость и реконфигурировать состав бортового оборудования для решения поставленной задачи в конкретных условиях применения. Возможность обеспечения устойчивой связи является одной из важнейших характеристик, определяющих эксплуатационные возможности комплекса управления БЛА. Предложенная система управления пространственным положением остронаправленной АС в комплексах управления БЛА обеспечивает оптимизацию процесса вхождения в связь и возможность восстановления связи в случае ее потери. Система применима для использования на БЛА, а также на пунктах управления наземного и воздушного базирования.

Используемая литература

1. http://www.airwar.ru/bpla.html

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/UAV

3. http://www.ispl.ru/Sistemy_upravleniya-BLA.html

4. http://teknol.ru/products/aviation/uav/

5. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю., Рейдель А.Л., Степанов М.Н., Топчеев Ю.И. - Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей для беспилотных летательных аппаратов.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

1.1. Области использования и задачи, выполняемые БПЛА в интересах рыночной экономики.

1.2. Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве.

1.3. Классификация беспилотных летательных аппаратов.

1.4. Методы управления БПЛА.

Выводы по первому разделу.

2. МЕТОДОЛОГИЯ НАБЛЮДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.1 Техническая реализация принципов автоматического зависимого наблюдения в вещательном режиме.

2.2 Обеспечение целостности при использовании АЗН.

2.3. Проблемы безопасности полетов.

2.4. Теоретическое обоснование использования АЗН.

2.5. Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА.

2.5.1. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в горизонтальной плоскости.

2.5.2. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в вертикальной плоскости.

Выводы по второму разделу.

3. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ БПЛА

3.1. Разработка состава оборудования системы управления и навигации для БПЛА.

3.2. Основные принципы функционирования системы управления БПЛА

3.3. Применение линии передачи данных АЗН-В режима 4 для управления БПЛА в общем воздушном пространстве.

3.4. Требования по назначению к модулю автопилота при управлении БПЛА.

Выводы по третьему разделу.

4. КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ БПЛА.

4.1. Назначение, функции и состав комплекса.

4.2. Организация контроля и управления БПЛА.

4.3. Назначение, состав и работа бортовой аппаратуры контроля и управления БПЛА.

4.4. Структура интерфейса оператора комплекса контроля и управления БПЛА.

Выводы по четвертому разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему "Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении"

Заключение диссертации по теме "Навигация и управление воздушным движением", Токарев, Юрий Петрович

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Токарев, Юрий Петрович, 2011 год

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

И. В. Макаров, В. И. Кокорин (научный руководитель)

ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы – ГеоСервис»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Работа отражает один из подходов к созданию программно-аппаратного комплекса управления беспилотными летательными аппаратами, как совокупности бортового и наземного сегментов. Для управления бортовым сегментом разработан блок автопилота. Контроль наземного сегмента комплекса выполняет управляющая электронная вычислительная машина, функционирующая по унифицированному программному обеспечению с блоком автопилота. Предложенный подход позволяет минимизировать затраты по проектированию системы и разработке программного обеспечения при обеспечении масштабируемости системы.

При проектировании систем гражданского назначения ключевым является соотношение функциональности, надёжности и цены. Обеспечение функциональности на начальных этапах жизненного цикла комплексов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) осложняется слабым развитием методик их применения в хозяйственной деятельности предприятий-потребителей. Это связано с тем, что направление гражданских БПЛА в России находится на начальном этапе своего развития. Возможно, поэтому активное применение БПЛА в настоящее время сводится к методически простым задачам визуального наблюдения и аэрофотосъёмки.

Для построения комплексов БПЛА для широкого круга задач: аэроэлектроразведка, аэромагнитометрия, аэрофотосъёмка, газоанализация, патрулирование и т.д. требуется сформировать комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих на уровне комплектации и настройки интегрировать систему с различными полезными нагрузками на базе планеров БПЛА различных массогабаритных характеристик.

Комплекс управления БПЛА по назначению разделяется на два сегмента: бортовой комплекс управления (БКУ) и наземный комплекс управления (НКУ).

Задачами БКУ является:

• Решения задачи навигации и автоматического управления летательным аппаратом (ЛА);
• Обеспечения командно-телеметрического взаимодействия с НКУ;
• Обеспечение функционирования полезной нагрузки;
• Обеспечение самодиагностики ЛА.

Основными задачами НКУ является:

• Обеспечение командно-телеметрического взаимодействия с БКУ;
• Обеспечение ручного управления в реальном времени;
• Предоставление элементов программирования и управления БПЛА;
• Представление телеметрической информации в графическом виде;
• Отражение результатов функционирования полезной нагрузки.

По перечисленным основным задачам НКУ одним из очевидных и дешёвых решений является система рабочего места оператора на базе портативной персональной электронной вычислительно машины (ППЭВМ), подключённой к приёмо-передающей аппаратуре командно-телеметрического канала. Графическое управляющее программное обеспечение (ПО) осуществляет программирование маршрута и отображение параметров полёта. При этом остаётся нерешённой задача обеспечения ручного управления БПЛА. Задачи поддержания управляющего графического интерфейса и управления в реальном времени (передача управляющих сигналов по штатному радиоканалу) на одной ЭВМ являются несовместимыми. Это связано с требованием обеспечения надёжности и детерменированности времени прохождения сигналов ручного управления. Кроме этого централизация НКУ на базе графической системы требует дополнительных технических средств для обеспечения её автономности в течение длительного времени.

Предлагается в качестве центрального элемента НКУ использовать встраиваемую управляющую электронную вычислительную машину (УЭВМ) под управлением операционной системы реального времени (рис. 1). В то время как обеспечение рабочего места оператора с задачами отображения параметров полёта и программирования маршрута остаются под управлением ППЭВМ, но уже подчинённого системно УЭВМ НКУ. Задача доступа к управлению БПЛА и получения его телеметрии на ПЭВМ реализуется клиент-серверным взаимодействием через Socket интерфейс по каналам Ethernet. Таким образом, рабочее место оператора является графическим управляющим терминалом к УЭВМ НКУ. В данном случае не требуется обеспечение автономности рабочего места оператора в течение длительного времени.

При предложенной схеме организации НКУ система обеспечивает решение задач ручного управления в реальном времени с разделением приоритетов доступа к вычислительным ресурсам и к радиоканалу. Это гарантирует доставку пакетов ручного управления с минимальной задержкой вне зависимости от загрузки радиоканала и процессора УЭВМ.

Рисунок 1. Структурная схема наземного комплекса управления

Кроме обеспечения независимого канала ручного управления, централизация на базе УЭВМ НКУ позволяет интегрировать в состав НКУ дополнительные системы в зависимости от решаемых задач. Например, для решения задачи высокоточного пилотирования и автоматической посадки в НКУ интегрируется аппаратура формирования дифференциальных поправок (ДП) к сигналам спутниковых навигационных систем (СНС), в данном случае УЭВМ НКУ выполняет доставку на БКУ информацию ДП по выставленным приоритетам.

Для обеспечения автономности НКУ от рабочего места оператора в систему НКУ включается пульт индикации и выбора режимов, который с минимальным энергопотреблением отражает ключевые параметры жизнеобеспечения БПЛА, а так же ретранслирует основные команды выполнения задания (например «взлёт», «возврат», «посадка», «прекратить задание»). Данное решение сводит задачи рабочего места оператора к программированию маршрута, настройкам БПЛА, расширенному исследованию полётных параметров. Это позволяет не только увеличить продолжительность автономного функционирования НКУ, но и сократить затраты на заимствуемое оборудование. Например, отсутствует необходимость приобретения ПЭВМ для работы в зимних условиях на регулярной аэрофотосъёмке, где маршрут может быть запрограммирован на ПЭВМ в помещении, а обслуживающему персоналу БПЛА достаточно обеспечить взлёт и контроль полёта.

Клиент – серверная модель взаимодействия рабочего места оператора с УЭВМ НКУ позволяет строить систему с распределёнными рабочими местами оператора, имеющие доступ к НКУ через любую локальную вычислительную сеть (ЛВС) и интернет. В составе сервера настраиваются права доступа к комплексу для каждого пользователя. Таким образом, в системе предусмотрен режим удалённого информационного обеспечения потребителя или диспетчерских служб о параметрах функционирования БПЛА, его местоположении. Эта возможность обеспечивает потребителю в реальном времени удалённый доступ к результатам работы комплекса. Для диспетчерских служб эта функция позволяет контролировать полёты комплексов БПЛА.

Система БКУ строится на базе блока автопилота, объединяющего в своём составе следующие системы:

• Вычислитель;
• Микромеханическая инерциальная навигационная система;
• Спутниковая навигационная система;
• Абсолютный и дифференциальный манометры.

Вычислитель имеет следующие характеристики и особенности:

Производительность 400MIPS;

• Объём оперативной памяти 64Мб;
• Объём энергонезависимой памяти от 256Мб;
• Управление осуществляется операционной системой реального времени (ОСРВ) QNX Neutrino.

В составе блока автопилота находятся следующие интерфейсы:

• 5 последовательных портов в зависимости от аппаратной конфигурации представляемые в виде: RS-232, RS-485 или RS-422;
• 100Мбит Ethernet;
• USB Host.

Программное обеспечения блока автопилота на базе существующих ОСРВ позволяет концентрировать усилия по разработке на решении ключевых задач блока. Операционная система QNX является мультиплатформенной, это обстоятельство позволяет сохранять масштабируемость блока автопилота не только по функциональности, но и производительности за счёт использования других архитектур процессора.

ОСРВ QNX Neutrino позволяет без ограничений выполнять НИОКР. Приобретение лицензии необходимо только на этапе коммерциализации.

Ethernet интерфейс необходим для интеграции с высокопроизводительными полезными нагрузками, такими как фотокамеры высокого разрешения. Кроме этого в составе БКУ автопилот может быть дублирован, канал перекрёстного резервирования образуется по Ethernet за счёт использования специализированного сетевого стека QNX – QNET.QNET позволяет получать доступ к ресурсам удалённой машины теми же программными механизмами, что и к локальным ресурсам. Под ресурсом понимается блочное, символьное или специализированное устройство, с точки зрения программиста – файл, зарегистрированный в дереве каталогов .Так как базовое программное обеспечение строится на основании администраторов ресурсов – фактически драйверов, основной блок автопилота может считывать информацию, например, по показаниям инерциальных датчиков с резервного блока. Таким же образом резервный блок может использовать приёмо-передающую аппаратуру, подключённому к основному блоку.

УЭВМ НКУ функционирует также, под управлением ОСРВ QNX Neutrino, это позволяет использовать для ряда задач унифицированное программное обеспечение, общее для НКУ и БКУ. Например: ПОкомандно-телеметрического обмена и драйверы устройств и подсистем.

Доступ к исполнительным устройствам (электроприводам, контроллерам полезной нагрузки) комплекса осуществляется по магистральным интерфейсам RS-485, RS-422 специализированным протоколом с адресацией устройств и контролем канальных ошибок.

На рисунке 2 представлена структура БКУ БПЛА взлётной массой до 4кг (тип «Дельта»), так как планер выполнен по аэродинамической схеме «бесхвостка», для управления аэродинамическими поверхностями используются два электропривода: по одному налевый и правый элевоны. Магистрали RS-485 разделены для электроприводов и вспомогательных систем: контроллера полезной нагрузки, системы автоматического спасения. Это сделано для специализации канала электроприводов, исключая дополнительные задержки прохождения управляющего сигнала в случае если канал занимается низкоприоритетным процессом. Система автоматического спасения контролирует выпуск парашюта для штатной посадки и является «сторожевым таймером» комплекса, осуществляя выброс парашюта, если нет сигнала сброса таймера от блока автопилота.

Рисунок 2. Структурная схема БКУ БПЛА DELTA

На рисунке 3 представлена блок-схема информационной структуры БПЛА максимальной взлётной массой 20-25 кг (тип «Гамма»). Электроприводы унифицированы для обоих типов БПЛА: «Дельта» и «Гамма». Аппарат «Гамма» выполнен по классической аэродинамической схеме и имеет 3 секции флаперонов на каждом крыле, так же имеются дублированные электроприводы для руля направления и высоты, функционирующие через дифференцирующий механизм. В данном случае подключение электроприводов осуществляется по двум независимым магистралям RS-485, для левой и правой стороны летательного аппарата. Это исключает необратимые последствия от замыканий в магистрали от механического повреждения или выгорания драйверов интерфейса. Функции по управлению выполняют в ограниченном режиме электроприводы противоположной стороны. При этом БПЛА «Гамма» так же может оборудоваться парашютной аппаратурой системы автоматического спасения. Как и для типа «Дельта» оборудование вспомогательных систем вынесено на отдельную магистраль.

Отсутствие необходимости выполнения гальванической развязки и использования специализированных контроллеров, например, мультиплексного канала обмена, позволяет интегрировать комплекс БПЛА более оптимальным по цене и массо-габаритным характеристикам.

Рисунок 3. Структурная схема БКУ БПЛА GAMMA

Унификация элементов комплекса управления беспилотными летательными аппаратами в области исполнительных устройств, программного обеспечения позволяет с минимальными затратами конфигурировать БКУ и НКУ в зависимости от решаемых задач.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Макаров И.В. Создание блока автопилота малого беспилотного летательного аппарата. //Современные проблемы радиоэлектроники: сб.науч.тр. / науч.ред.: А.И.Громыко, А.В.Сарафанов; отв. за вып.: А.А.Левицкий. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 465 с. - Стр. 56–59

2. Writing a Resource Manager[Электронный ресурс]: тех.документация / QSSI-QNX Documentation Library.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ НА БАЗЕ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Лесиканич Алексей Александрович,

Наумов Денис Николаевич,

Шехирев Виталий Иванович,

Григорьев Иван Викторович

Аннотация

В статье рассмотрен способ применения мобильных устройств на базе операционной системы Android в автоматизированной системе управления беспилотными летательными аппаратами, в частности раскрывается пример реализации управления БПЛА через цифровую мобильную сотовую связь стандарта GSM посредством клиент-серверного программного обеспечения развернутого на смартфоне, установленном на летательном аппарате.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, БПЛА, система автоматизированного управления

Бытует мнение, что беспилотные летательные аппараты имеют лишь военное предназначение. В России до недавнего времени возможность использования БПЛА, действительно, была только у армии. Беспилотники выполняли задачи по аэросъемке (фото, видео), радиоразведке, обнаружению объектов и прочее. Однако сегодня сфера разработки и создания беспилотных систем вышла далеко за эти пределы. В настоящее время БПЛА применяются по пяти гражданским направлениям помимо ВПК. А именно: чрезвычайные ситуации (поиск людей, предупреждение ЧС, спасательные операции и т. д.); безопасность (охрана объектов и людей, а также их обнаружение); мониторинг (АЭС, ЛЭП, земельные, лесные, нефтегазовые, водные ресурсы, сельское хозяйство и пр.); аэрофотосъемка (геодезия, картография, авиаучет); наука (исследования Арктики, исследование оборудования, НИОКР). С ростом популярности БПЛА растут и требования к системам управления, требования диктуются все новыми областями применения и развитием науки и техники. На данный момент существует множество решений для управления беспилотными летательными аппаратами. В мире представлено большое количество гражданских БПЛА классификации «микро» и «мини», различающихся по своим спецификациям и набору характеристик. Стоит отметить, что в мире наблюдается тенденция развития спроса на гражданские БПЛА. Данная работа посвящена разработке системы управления беспилотным летательным аппаратом широкого радиуса действия. На данном этапе развития гражданские беспилотники имеют малый радиус действия, в отличии от военных аппаратов, так как гражданским нет доступа дорогостоящему спецоборудованию и каналам передачи данных. Разработчикам и моделистам гражданских БПЛК приходится использовать только доступные радио каналы и набирающую популярность Wi-Fi сеть. Увеличение дальности полета дронов и доступности технологии на данный момент актуальная тема для разработчиков. мобильный беспилотный летательный серверный

Наша система управления основана на популярной, доступной и многофункциональной, созданной компанией Google, ОС Android. Устройства на данной операционной системе позволят построить доступную систему управления широкого радиуса действия. Мобильной платформой для нашей системы управления мы выбрали смартфон на базе операционной системы Android. Смартфон обладает высокой производительностью, имеет в своем составе модуль GSM, GPS, WIFI, Bluetooth, камеру, USB интерфейс для подключения внешней периферии. На рынке существует масса производителей смартфонов, это доступная, дешёвая мобильная платформа и как говорится, есть у каждого современного человека под рукой.

Система управления данного проекта основана на микроконтроллере фирмы Microchip Technology Inc., который в свою очередь выполнят функцию управления двигателями квадрокоптера (полетный контроллер). Функции приема передачи данных (удаленное управление) выполняет устройство на базе ОС Android, будем называть его «сервер», в своем проекте мы взяли обычный смартфон на операционной системе Android. Как устройство передачи команд на сервер выбрали планшет на Android, в дальнейшем будем называть «клиент». Сервер непосредственно связан с микроконтроллером по шине USB через чип FT232RL фирмы Future Technology Devices International Limited по шине данных UART МК. Эта микросхема по сути является USB - UART преобразователь.

Данные с сервера поступают на микросхему FT232RL, где они преобразуются на TTL уровень, которые считывает наш МК по шине UART. Также был разработан протокол пакетной передачи данных между МК сервером на базе Android. Используя такое схемное решение, мы не нагружаем МК обработкой USB протокола или модуля WI-FI, тем самым выигрываем на производительности (быстродействии МК) и экономим память МК. Также это позволяет отлаживать программное обеспечение МК с персонального компьютера, не используя специализированного программатора для МК.

Так же это позволит при необходимости менять программное обеспечение МК (прошивать) с сервера. Как видно на схеме (рис. 1) передача данных между сервером и клиентом, а также передача видео изображения от сервера к клиенту могут осуществляться как непосредственно по протоколу UDP в WI-FI сети, так и по средствам Internet и GSM сети через VPN соединение.

Ниже приведена схема передачи данных (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема передачи данных

Устройство на базе нашей системы управления по средствам GSM сможет не только получать доступ в Internet и VPN сеть, но обрабатывать команды, полученные по SMS, а также передавать служебные сообщения и данные. Удаленное управление по GSM, а именно с помощью смс сообщение, позволяет экономить интернет трафик и заряд аккумуляторов, так как устройство может находить в режиме ожидания. После получение определенной команды через смс сообщение, сервер запускает протоколы передачи данных и инициализации устройства. При удачном завершение инициализации системы устройство готово к использованию, в противном случае мы получим смс уведомление о причине сбоя инициализации системы.

На данном этапе разработана первая версия приложения, которое реализует данный замысел, так же приложение имеет функцию передачи изображения с камеры сервера на клиент устройство. Это приложение устанавливается как на сервер так и на клиент устройство. Учитывая динамику развития, функционал, популярность и огромный потенциал ОС Android (86 % смартфонов, проданных во втором квартале 2014 года, была установлена операционная система Android. При этом за весь 2014 год было продано более 1 миллиарда Android-устройств), данная система управления будет развиваться и получать новые возможности параллельно развитию самой операционной системы.

Результаты данной работы могут быть применены не только при разработке современных беспилотных летальных аппаратах или радиоуправляемых моделях, но и в любой сфере АСУ, как пример в промышленности в качестве HMI (человеко-машинный интерфейс). Система управления на основе предложенных методов дает возможность выполнять ряд ключевых функций, которые в настоящее время осуществляет дорогостоящего оборудования и тем снизить стоимость конечного продукта

Библиографический список

1. Беспилотные летательные аппараты, bp-la.ru.

2. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) зарубежных стран. Боевое применение, modernarmy.ru

3. Беспилотные летательные аппараты: Методики приближенных расчетов основных параметров и характеристик, http://uav-sam.com

4. Слюсар, Вадим. Передача данных с борта БПЛА: стандарты НАТО.. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010. - № 3. С. 80 - 86. (2010).

5. Слюсар, Вадим. Радиолинии связи с БПЛА: примеры реализации.. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010. - № 5. C. 56 - 60. (2010).

6. П. Дейтел, Х. Дейтел, Э. Дейтел, М. Моргано. Android для программистов. Создаем приложения. - Питер, 2013, ISBN: 978-5-459-016468

7. С. Хашими, С. Коматинени, Д. Маклин. Разработка приложений для Android. - Питер -2011, ISBN: 978-5-459-00530-1.

8. Сатия Коматинени, Дэйв Маклин. Android 4 для профессионалов. Создание приложений для планшетных компьютеров и смартфонов = Pro Android 4. -- М.: Вильямс. -- 880 с. -- ISBN 978-5-8459-1801-7.

9. Коматинэни С., Маклин Д., Хэшими С. Google Android: программирование для мобильных устройств = Pro Android 2. -- 1-е изд. -- СПб.: Питер, 2011. -- 736 с. -- ISBN 978-5-459-00530-1.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

История появления и развитие операционных систем для обеспечения надежной и оптимальной работы мобильных устройств. 10 самых известных мобильных ОС. Windows Phone, Android. iOS - версии и их характеристики. ОS Symbian, Maemo, базирующаяся на Debian Linux.

контрольная работа , добавлен 15.12.2015


Структурная и функциональная схема управления исполнительными устройствами на базе шагового двигателя. Проектирование принципиальной схемы управления шаговым двигателем, описание ее работы и входящих в нее устройств. Составление алгоритма работы системы.

курсовая работа , добавлен 22.09.2012


Состояние проблемы автоматического распознавания речи. Обзор устройств чтения аудио сигналов. Архитектура системы управления периферийными устройствами. Схема управления электрическими устройствами. Принципиальная схема включения электрических устройств.

дипломная работа , добавлен 18.10.2011


Общая характеристика электроэрозионного оборудования. Описание существующего проволочного станка AC Classic V2. Разработка структурной схемы автоматизированной системы управления. Техническая реализация проекта системы управления и диагностики параметров.

дипломная работа , добавлен 05.04.2012


Анализ уязвимостей технологии радиочастотной идентификации и мобильной операционной системы. Разработка рекомендаций при использовании протоколов, технологий, операционных систем и программного обеспечения для передачи данных с мобильного телефона.

курсовая работа , добавлен 23.09.2013


Принципиальные схемы вычислительного канала, устройств сравнения и контроля, безопасного ввода информации. Разработка алгоритма управления состоянием переезда, передачи и программного обеспечения. Расчет показателей безотказности и безопасности системы.

курсовая работа , добавлен 08.02.2014


Разработка системы адаптивного аналого-цифрового преобразования (АЦП) на базе однокристального микроконтроллера. Сравнение АЦП различных типов. Анализ способов реализации системы, описание ее структурной схемы, алгоритма работы, программного обеспечения.

дипломная работа , добавлен 29.06.2012


Принципы обеспечения безопасности частной информации на мобильных устройствах. Анализ существующих программных средств, предназначенных для обмена частной информацией. Разработка программного средства, построенного на отечественных алгоритмах шифрования.

курсовая работа , добавлен 22.09.2016


Основные возможности микропроцессора AT91SAM9260, проектирование на его базе программно-аппаратного комплекса (ПАК) для облегчения процесса отладки устройств. Описание функциональной схемы. Разработка топологии печатной платы и программного обеспечения.

дипломная работа , добавлен 10.09.2011


Расчет и выбор источника питания для электропривода на базе комплектного тиристорного преобразователя. Особенности построения электромеханической характеристики РЭП в замкнутой системе. Проектирование средств сопряжения СЭП и системы управления.