автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Автономная бортовая система управления посадкой беспилотного летательного аппарата самолётного типа на движущееся судно

005059262

Петухова Елена Сергеевна

АВТОНОМНАЯ БОРТОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОСАДКОЙ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА САМОЛЁТНОГО ТИПА НА ДВИЖУЩЕЕСЯ СУДНО

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

16 МАЯ Ш

Санкт-Петербург-2013

005059262

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете "Военмех" им. Д.Ф. Устинова и ОАО «Концерн «Гранит - Электрон»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Шаров Сергей Николаевич.

Официальные оппоненты:

Толпегин Олег Александрович, доктор технических наук, профессор, БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, заведующий кафедрой

Мамаев Виктор Яковлевич, кандидат технических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, доцент

Ведущая организация ОАО «НПП «Радар ММС»

Защита диссертации состоится «23» мая 2013 г. в 1400 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.010.03 в Балтийском государственном техническом университете "Военмех" им. Д.Ф. Устинова по адресу 190005, Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская ул., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Балтийского государственного технического университета "Военмех" им. Д.Ф. Устинова.

Автореферат разослан «23» апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Ю.В. Петров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Необходимость решения задач непрерывной оценки и прогнозирования развития военно-политической обстановки и связанной с ней военно-морской деятельности иностранных государств в Мировом океане, а также поддержания Военно-Морского Флота в заданной степени готовности к боевому применению в Мировом океане закреплена основами государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности. Решение в рамках этого задач разведки, целеуказания для комплексов ударного высокоточного оружия, ретрансляции связи, оценки нанесённого ранее ущерба при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в том числе судового базирования, сопряжено с множеством преимуществ по сравнению со средствами пилотируемой авиации. Это, например, небольшие размеры и заметность, отсутствие потерь личного состава, сравнительно малая стоимость. Также БПЛА могут быть использованы и для решения различных гражданских задач, сохраняя при этом все названные преимущества их использования. Из таких задач, например, можно назвать: мониторинг линейных объектов энергетической инфраструктуры, аэрофотосъемочные и сканирующие работы для решения кадастровых и маркшейдерских задач, обеспечение связи и управления в зоне ликвидации чрезвычайной ситуации, экологический контроль. При этом для решения различных задач иногда БПЛА являются единственным возможным вариантом, поскольку такие аппараты приспособлены для полета через радиационно, химически или бактериологически зараженные зоны.

По данным ведущей международной ассоциации беспилотных систем UVS International количество наименований БПЛА самолётной схемы по миру имеет существенный перевес перед аппаратами всех прочих схем. Это подтверждается большой представительностью парка аппаратов самолётной схемы, предлагаемых российскими производителями. Эти аппараты имеют большую грузоподъемность, радиус действия и продолжительность полета. Однако применение БПЛА самолётной схемы на судах без взлётно-посадочной полосы затруднено тем, что их посадка с пробегом может осуществляться только на воду, что спряжено с трудностью последующего поиска и извлечения аппарата, необходимостью качественной его герметизации.

Решению вопроса посадки БПЛА самолётного типа на суда, не оснащённые взлётно-посадочной полосой, уделяется особенно большое внимание за рубежом, а также в России. Среди зарубежных предприятий можно назвать такие известные компании как Boeing Company, Lockheed Martin, British Aircraft Corporation. В России проработкой данного вопроса занимаются на предприятиях судостроительной и авиастроительной отрасли, военных научно-исследовательских институтах и ВУЗах (БГТУ, ГУАП, МАИ и МГТУ им. Н.Э.Баумана и др.). В поиске путей решения этой задачи важное место занимают работы

научных работников и инженеров Концерна «Гранит-Электрон». Их работы основаны на схожести бортовой аппаратуры БПЛА и противокорабельных крылатых ракет (ПКР).

Использование существующих БПЛА самолётного типа на судах и кораблях, не оснащённых взлётно-посадочной полосой (а их подавляющее большинство), сдерживается отсутствием приемлемых для эксплуатации технических средств «сухой посадки». В связи с этим, разработка системы управления посадкой беспилотного летательного аппарата самолётного типа на движущееся судно, не оснащённое взлётно-посадочной полосой, является актуальной задачей.

В диссертационной работе рассматриваются БПЛА, где в качестве целевой аппаратуры мониторинга (в связи с его сравнительно малыми массогабаритными характеристиками и потребляемой мощностью, отработанной системой связи с оператором) используется телевизионный канал. С целью минимизации дополнительно бортового оборудования БПЛА, а также в связи с хорошей разрешающей способностью по углу телевизионный канал в диссертационной работе выбран и как средство информационного обеспечения бортовой системы автономного управления посадкой.

При построении системы управления посадкой БПЛА с использованием телевизионного координатора (TBK) возможны несколько альтернативных вариантов. В диссертационной работе рассматривается автономное управление БПЛА с бортовым телевизионным координатором. Это достаточно сложный вариант с точки зрения реализации, но и наиболее заманчивый для судна-носителя, так как основная часть информационного обеспечения посадки БПЛА должна обеспечиваться его бортовой аппаратурой.

Целью диссертационной работы является доказательство возможности и определение технического пути создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна, не оснащённого взлётно-посадочной полосой, с необходимой точностью.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- определение способа посадки и структуры автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА;

- формирование вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя, а также повышение точности её отработки;

- разработка информационно-технического обеспечения самонаведения БПЛА на захватное приспособление при помощи бортового TBK, включая исследование особенностей наведения БПЛА на захватное приспособление в условиях качки судна;

- экспериментальные оценки точности определения параметров объектов, наблюдаемых бортовым TBK.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- доказана возможность и найден новый технический путь создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна с необходимой точностью;

- разработана новая методика формирования вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя;

- предложен новый способ уменьшения влияния качки судна на точность приведения БПЛА к устройству зацепления.

Методы исследования базируются на системном анализе, динамике полета, математическом моделировании, теории автоматического управления, теории локации, статистическом моделировании и экспериментальных исследованиях.

Достоверность научных исследований и практических рекомендаций базируется на корректной постановке общих и частных, поставленных выше, задач, использовании известных фундаментальных теоретических положений технической кибернетики, достаточном объёме статистического моделирования и экспериментальном материале исходных данных для численных оценок достижимых качественных показателей.

Практическая ценность работы состоит в том, что все полученные результаты и рекомендации могут быть использованы, а ряд из них уже используется на практике. Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенная автономная бортовая система управления БПЛА самолётного типа, имеющая в своём составе TBK переднего обзора, обеспечивает приведение аппарата к захватывающему устройству движущегося судна без дополнительных аппаратурных затрат, только за счёт дополнительного программного обеспечения бортовой цифровой вычислительной системы;

- показана возможность использования бортового TBK для измерения параметров колебаний захватного устройства в условиях качки судна для прогнозирования его положения в момент сцепления с БПЛА;

- разработаны практические рекомендации по приближённому и уточнённому расчёту параметров оптимальной траектории возвращения БПЛА на движущееся судно;

- на основании экспериментальных исследований точностей определения параметров объектов, наблюдаемых TBK, подтверждена возможность с высокой точностью определять координаты центров сигнальных маяков и положение границы разделения областей разного цвета на наблюдаемом объекте (судно, кран-балка, захватное устройство).

На защиту выносятся:

- методика определения оптимальной траектории манёвра БПЛА при сближении с судном, а также способы повышения точности её отработки;

- управление полем зрения бортового TBK, позволяющее повысить точности оценки координат посадочного устройства и дистанции до него;

- способ коррекции автономного управления посадкой БПЛА в условиях качки судна с прогнозированием координат захватного устройства на момент стыковки;

- экспериментальные оценки отношения сигнал/фон, погрешности измерения координат и размеров объектов, погрешности измерения расстояния между объектами.

Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы использовались в:

- ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», ОКР «Дозор БПЛА», проведенная в рамках Федеральной целевой программы развития гражданской морской техники, 2009 -2011.

- ООО «СЭТЭЛ», ОКР по созданию аппаратуры технического зрения для подвижного объекта, 2011.

- ЗАО «МИКАРД-ЛАНА», НИР «Испытания специального устройства анализа объёмных объектов фоно-целевой обстановки в реальном масштабе времени», 2011.

Апробация. Результаты работы обсуждались на научно-технических и научно-практических конференциях, научно-технических советах и научно-техническом семинаре:

- Международная научно-техническая конференция «Пятые Уткинские Чтения» (СПб, БГТУ «Военмех», 2010).

- XX научно-практическая конференция НТО судостроителей им. А.Н. Крылова (СПб, ФГУП «ЦНИИ технологии судостроения», 2010).

- Научно-практическая конференция «ВОКОР-2010» (СПб, 1 ЦНИИ МО РФ, 2010).

- Четырнадцатая всероссийская научно-практическая конференция РАРАН «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (СПб, ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова», 2011).

- Научно-техническая конференция молодых специалистов (СПб, ОАО «Концерн «НПО «Аврора», 2011).

- Секция №5 НТС ОАО «Концерн «Гранит-Электрон». Технические предложения, включённые в Программу инновационного развития и План фонда научно-технического развития предприятия по темам «Стенд ФЦО», «Зацеп» и «КАСУ БПЛА» (2012).

- Научно-технический семинар секции научно-технического обществе судостроителей им. академика А.Н. Крылова «Радиоэлектронное оборудование и вооружение кораблей» (СПб, ОАО «Концерн «Гранит-Электрон», 2013).

- Научно-технический совет ОАО «Концерн «Гранит-Электрон» (СПб, 2013).

- XV Юбилейная конференция молодых учёных «Навигация и управление движением» (СПб, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2013)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 статей, из них 6 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, 1 тезисы доклада, выпущен один отчёт, получено 2 патента на полезные модели.

Структура и объём диссертационной работы.

Поставленные задачи определили структуру работы, которая состоит из введения, 4-х основных разделов, заключения, списка используемой литературы из 78 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 117 страницах машинописного текста и содержит 61 рисунок.

В приложения вынесены примеры расчётно-моделирующих программ (по разделу 2 работы) и численные оценки результатов измерения параметров объектов, наблюдаемых телевизионным координатором (по разделу 4).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даётся обоснование актуальности темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования.

В разделе 1 проводится сравнительный анализ существующих способов посадки БПЛА на судно при помощи специализированных устройств механического захвата. Это, например, способ посадки БПЛА с использованием улавливающей сети, способ, основанный на бортовом захватном устройстве типа «роботизированная рука» и другие. Эти способы обладают рядом общих недостатков, среди которых можно назвать: необходимость значительного времени для развертывания и свертывания системы; большие габариты захватного устройства, снижающие мобильность всего комплекса и повышающие уровень демаскирующих признаков; необходимость значительного свободного пространства на палубе судна; опасность, в случае неудачного сцепления, нанести серьёзные повреждения надстройкам судна. С целью избежания указанных недостатков, предпочтение отдается способу, предполагающему посадку с помощью посадочного устройства, установленного на вынесенной за пределы контура судна кран-балке (рисунок 1). При этом приведение БПЛА к точке прицеливания посадочного устройства может осуществляться различными способами, например, при помощи устанавливаемых на судне световых маяков. Этот способ свободен от перечисленных недостатков.

Кроме того, в разделе 1 осуществляется выбор структуры автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА в виде, аналогичном автономным бортовым системам управления ПКР. Такой вид обеспечивает минимальные габариты бортовой аппаратуры и максимальную автономность БПЛА исходя из существующего опыта предприятий-разработчиков этих аппаратов.

Зона сцепления зацепов БПЛА

/

! и посадочного устройства

Кран-балка с зацепом посадочного устройства

б)

Рисунок 1

В разделе 2 предлагается методика формирования вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя. Оптимальная траектория сближения рассматривается как расширение на пространственный случай плоских кратчайших траекторий перехода из начального положения в конечное при заданных начальных и конечных координатах и направлениях движения, а также заданном минимальном радиусе разворота. Эти плоские кривые известны как кривые Дубинса, которым было доказано, что такая плоская кратчайшая траектория в общем случае состоит из двух дуг окружностей заданного радиуса и участка прямой линий или же из трёх дуг окружностей. Кроме перехода к пространственному случаю, отличие решаемой в диссертации задачи от задачи Дубинса в отсутствии закреплённости конечной точки - точки выхода БПЛА на направление движения судна. Первоначально предполагается, что пространственная траектория сближения лежит в одной плоскости. В таком случае, если выполнить такое преобразование исходной системы координат, что горизонтальная плоскость и плоскость в которой лежит траектория сближения совместятся, исходная пространственная задача может быть сведена к плоской. Пример плоской траектории сближения приведён на рисунке 2, где введены следующие обозначения: А0 (хА0,гЛ0) - точка местонахождения БПЛА в момент начала манёвра сближения; Уд(0 - вектор скорости движения БПЛА; Уп(0 - вектор скорости судна; Пт(хпх, гщ-) - прогнозируемое положение судна в момент посадки БПЛА, в этом положении судно окажется при движении с постоянным модулем вектора скорости УП(Х) в неизменном направлении трпо начиная от точки П0(Хпо<2по) своего местонахождения в момент начала манёвра сближения; А.1(.хм, гА1) - точка

окончания БПЛА первого разворота вдоль траектории сближения; А.2(хА2,2А2) - точка начала БПЛА второго разворота вдоль траектории сближения для выхода на курс судна; А3(хаз, гАЗ) - точка выхода БПЛА на курс движения судна; С1(хс1,7,С1) и С2(хс2,2с2) -центры окружностей радиуса Д первого и второго разворотов БПЛА соответственно. За Ь,, и на рисунке 2 обозначены длины первого, второго, третьего и четвёртого

характерных участков оптимальной траектории сближения соответственно.

Рисунок 2

Для аналитического решения задачи построения оптимальной траектории сближения в таком виде, она может быть формализована как задача Лагранжа на условный экстремум с ограничениями на переменные состояния в виде равенств и неравенств и с незакреплённым правым концом. Однако аналитическое решение такой задачи при помощи вариационного исчисления оказалось затруднительным. К тому же такой подход аналитического построения оптимальной траектории на основе вариационного исчисления не позволяет определить оптимальных направлений разворотов БПЛА. В связи с чем, предложено определение оптимальной траектории сближения численным методом. При этом для определения оптимальных направлений разворотов БПЛА предлагается использовать методику, которая состоит в следующем: - Определяется направление 1ркр

на такую точку ^зО^-дзкр'^лзкр) окончания второго разворота выхода БПЛА на курс судна, что первый разворот не требуется (критическое направление):

гркр = агад гАЗкр = гС2кр + Я5т(1/>По - п/2)>

ХАЗкр = хС2кр + ЙС05(1/1ПО - П¡2)■

Здесь координаты центра второй окружности разворота хС2кр, гС2кр определяются

как:

2С2кр = Л *С2кр = % - ))'% = *П0 + ¡¿мЬ

- Определяется расчётное направление на точку Аэ(хАЗ,гАЗ) окончания второго разворота грАЗ:

Фаз = агсЬд хАЗ = хпо + УпТтсо5(хрпо), гАЗ = гпо + УпТтсоз(грпо).

3'

Здесь для расчёта неизвестного времени Тт выхода БПЛА в точку А3 используется первое к нему приближение (временя достижения аппаратом судна при учёте прямолинейности траектории плюс время совершения разворота длиной в полкруга):

Т _ |По-Ло| . яя

т (^Ш^п!) Уа '

где знак «+» соответствует движению БПЛА по направлению к судну, а знак «-»

обратной ситуации. Ошибка первого приближенияДГт не будет превосходить времени

, як

совершения разворота данной в полкруга в ту или иную сторону:ДТт = ± —.

- Определяется направление первого разворота в зависимости от результата сравнения критического направленшп/>кр с расчётным направлением!/)^:

= 51дп(хП0)Б1дп(УА)з1дп(тркр - грАЗ).

- Определяется направление <12 второго разворота БПЛА в зависимости от местонахождения судна относительно БПЛА и направления его движения:

й2 = б ¡дп (*по)5 (Упг) •

Здесь Уц2 - проекция вектора скорости судна на боковую ось.

Более точная оценка времени Тт совершения БПЛА манёвра выхода в точку А3 осуществляется используя уже известные направления разворотов в окрестности начального приближения к этой величине в результате минимизации невязки между координатами точки А2 начала второго разворота для выхода БПЛА на курс судна, вычисленными начиная от точки начального нахождения судна П0 и координатами этой же точки А2, вычисленными начиная от точки начального нахождения БПЛА А0. При известной величине времени совершения манёвра БПЛА выхода в точку А3, координаты характерных точек оптимальной траектории определяются на основе простых геометрических соотношений. Пользуясь полученными характерными координатами точек оптимальной траектории, можно производить расчёт длины кратчайшей траектории сближения Ь = Ь/ + Ьп + Ьш + ¿¡у, а также расчёт самой этой траектории. Расчёт длины позволит контролировать возможность возвращения БПЛА на судно-носитель посадочного устройства - если оставшийся запас горючего на борту уменьшился до величины Мкр, необходимой для пролёта вдоль текущей траектории кратчайшей длины, то нужно начинать манёвр возвращения БПЛА. При формировании траектории сближения в

плоском виде имеет место линейное снижение БПЛА. В результате чего, на момент его окончания, вертикальная составляющая вектора скорости оказывается ненулевой. Последнее приводит к просадке аппарата. В связи с этим, а также с тем, что формирование траектории сближения в плоском виде в принципе является частным случаем, построение оптимальной программной траектории необходимо осуществлять раздельно для двух плоскостей. При этом для боковой плоскости принцип формирования траектории совпадает с изложенным, а в продольной плоскости для обеспечения близкой к нулю вертикальной составляющей вектора скорости БПЛА на момент окончания снижения необходимо осуществлять смену закона снижения с линейного на экспоненциальный.

Изложенным образом определяется оптимальная программная траектория приведения БПЛА к участку самонаведения (в точку А3) на точку прицеливания посадочного устройства. Она будет иметь место для модели системы управления БПЛА не учитывающей инерционность. Для определения траектории сближения БПЛА с судном при учёте инерционности и оценки начального рассогласования системы самонаведения БПЛА проводилось имитационное моделирование движения БПЛА по программной траектории, в результате которого, для рассмотренного примера, были получены следующие отклонения БПЛА от программной траектории в точке начала участка самонаведения по всем трём координатам: АХ = 33.7 м, ДZ = 34.45 м, ДУ = 23.83 м. Повысить качество отработки программной траектории сближения можно при помощи введения упреждение при расчете программных значений углов поворота и наклона вектора скорости аппарата, а также введения контура управления высотой аппарата. На рисунке 3 для рассматриваемого случая приведены зависимости ошибок по всем координатам, а также суммарная ошибка в зависимости от количества шагов упреждения п при введении контура управления высотой. Из рисунка 3 видно, что подбирая оптимальное значение упреждения п, можно снизить суммарную ошибку Д5 приведения БПЛА в точу А3 до Д5 = 14.2 м., то есть более чем в 3.5 раза.

В разделе 3 рассмотрены особенности информационно-технического обеспечения самонаведения БПЛА на захватное приспособление при помощи бортового TBK. На участке самонаведения необходимо обеспечить приведение аппарата к захватному устройству. Траектория этого участка соответствует наведению на точку прицеливания, расположенную на известном расстоянии относительно элементов кран-балки с захватным устройством, наблюдаемых TBK. Это известная задача корреляционно-экстремальной обработки наблюдаемого изображения. Однако точность определения направления на точку прицеливания здесь существенно зависит от освещённости объекта и фона. Большая точность определения местоположения точки прицеливания достигается при использовании световых маяков. В таком случае, оценки угловой ошибки приведения аппарата к точке прицеливания в горизонтальной Alp и вертикальной Ди плоскостях определяются разностью измеряемого углового положения центра пятна засветки каждого

маяка и его углового положения, соответствующего движению БПЛА точно в цель. При наличии в поле зрения TBK трёх маяков ошибки углового рассогласования определяются усреднёнными значениями:

&№ = ^3=iOoi(t) - ДКО = fS-iMt) -

Здесь Iр01, voi - угловые координаты /-го маяка в горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно при движении БПЛА точно в цель, ipt,vt- измеряемые угловые координаты /-го маяка в горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно. Управление БПЛА на участке самонаведения осуществляется таким образом, чтобы эти угловые ошибки были компенсированы.

Рисунок 3

С целью минимизации дополнительного оборудования БПЛА и носителя посадочного устройства, дальность до цели D предлагается определять расчётным путём как отношение известного расстояния, на котором маяки устанавливаются друг относительно друга аг в горизонтальной плоскости, к измеряемому при помощи TBK угловому расстоянию между ними ф0: D = 71. Ошибка измерения дальности ДD в таком

Wo

случае зависит от ошибки измерения углового расстояния между маяками Атр0 и ошибки расстояния между маяками Да1; обусловленной разностью курсовых углов носителя посадочного устройства и БПЛА Агрл:

AD = " Wf + f' ЛЯ1 = ~

Величина ошибки измерения углового расстояния между маяками Аф0 для моделирования принимается равной двум элементам разрешения приёмной системы TBK. Эта величина должна быть подтверждена на основе экспериментальных исследований точностей определения объектов при помощи TBK. Увеличить точность такого способа измерения дальности, а также точность измерения углового положения маяков

относительно БПЛА можно используя в TBK объектив с переменным фокусным расстоянием. Наивысшая точность измерения угловых координат маяков достигается, если поле зрения приёмного устройства согласовано с угловым расстоянием между наблюдаемыми маяками. При таком условии, погрешность измерения угловых величин минимальна и примерно равна угловому размеру одного элемента разрешения приёмной системы TBK. В связи с этим, логика управления полем зрения TBK предлагается следующей. После выхода БПЛА в расчётную точку начала самонаведения поле зрения TBK должно обеспечить наблюдение маяков с учётом всех возможных ошибок. Здесь требуется максимальное поле зрения. После обнаружения сигналов маяков БПЛА разворачивается в их направлении. Таким образом, изображения маяков устанавливаются приблизительно в центр поля зрения. С этого момента, при помощи трансфокатора, поле зрения начинает сужаться до величины близкой к величине углового расстояния между маяками. Далее, по мере приближения БПЛА к посадочному устройству, система управления трансфокатором увеличивает поле зрения таким образом, чтобы сохранялось заданное его превышение над величиной углового расстояния между маяками. При управлении полем зрения TBK в горизонтальной плоскости 0ф изложенным образом и его сужении с 10 до 0.5 градусов в процессе подлёта к цели, ошибка определения угловых координат маяков Дф составляет менее сотой доли градуса, а точность измерения дальности ДО по сравнению со случаем неизменного поля зрения возрастает в разы (рисунок 4).

э-

с

Q

<

200 400

Дм.

Рисунок 4

В этом разделе также проводятся исследования особенностей наведения БПЛА на захватное приспособление в условиях качки судна. В результате моделирования влияния качки на промах БПЛА, было получено, что допустимая величина промаха (определяемая зоной зацепления выбранного посадочного устройства и составляющая не более чем 0.1 м) имеет место только если стыковка приходится на определённые значения фазы колебаний

посадочного устройства вследствие качки судна. Таким образом, обеспечить зацепление БПЛА можно, например, регулируя скорость сближения. Без регулирования скорости сближения уменьшить промах БПЛА в условиях качки судна в работе предлагается путём коррекции автономного управления посадкой БПЛА на конечном участке приведённой далее для примера бортовой качки судна и её компенсации в боковой плоскости. Указанная коррекция заключается в прогнозировании величины смещения точки прицеливания ZCM посадочного устройства в момент íq стыковки БПЛА с посадочным устройством как:

Здесь А2Гкч - амплитуда колебаний точки прицеливания в горизонтальной плоскости, Гкч - период бортовой качки судна; t(0) - момент измерения текущей фазы (р^ колебаний точки прицеливания. Момент времени, соответствующий стыковке БПЛА с посадочным устройством íq может быть вычислен следующим образом: tg = +1(0), где D-

дальность на момент измерения текущей фазы ср(0^ колебаний, Vcb - скорость сближения. После такого прогнозирования управления БПЛА на участке самонаведения осуществляется с учётом компенсирующей прогнозируемое смещение точки прицеливания

поправкой Д1/»ц(0 к сигналу бортового TBK: Aip^(t) = ^ = sin — ?>(о))-

При допущении точного определения параметров колебаний точки прицеливания захватного устройства, коррекция управления БПЛА изложенным образом для рассмотренного в работе примера снизила величины локальных максимумов промаха во всем заданном диапазоне скоростей сближения до не более, чем 0.04 м., что является допустимым для благополучной стыковки БПЛА с посадочным устройством судна. Необходимые для прогнозирования величины смещения точки прицеливания в момент стыковки параметры колебаний точки прицеливания (период, амплитуда и начальная фаза) могут быть вычислены автономно на борту БПЛА на основе информации о колебаниях сигнальных маяков, получаемой посредством бортового TBK. Для рассмотренного способа коррекции управления БПЛА, существует методическая погрешность прогнозирования величины смещения точки прицеливания, которая обусловлена непрямолинейностью траектории самонаведения. По результатам моделирования в работе показано, что эта погрешность может быть компенсирована за счёт пересчёта значения величины смещения точки прицеливания в момент стыковки в процессе подлета БПЛА к судну (даже однократный пересчёт снижает максимальную величину методической погрешности до 0.01 м). На величину промаха БПЛА также оказывает влияние точность определения бортовым TBK объектов, на основе которых осуществляется самонаведение.

В разделе 4 проводятся экспериментальные оценки точности определения параметров объектов, наблюдаемых бортовым TBK. При проведении экспериментальных

исследований в качестве телевизионного канала использовалось видеоконтролыюго устройство Wonwoo WCM-101 Rugged Mini PTZ Camera, в качестве имитатора светового маяка посадочного устройства - светодиод GNL-5012, устанавливаемый в центре чёрного картонного щита заданных размеров. В результате анализа интенсивностей всех трех цветовых составляющих (R, G, В) сигналов строки и столбца пикселей, проходящих через центр изображения имитатора светового маяка, получены зависимости интенсивностей сигналов относительно центра светового пятна. Пример таких зависимостей интенсивностей для сигнала строки приведён на рисунке 6. Полученные зависимости подтверждают возможность определять с точностью до 1 элемента разрешения координаты центров сигнальных маяков при большой (более 200%) погрешности измерения их геометрических размеров. Также было получено, что для увеличения контрастности наблюдаемых объектов целесообразно использовать R составляющую спектра для световых маяков, а для посадочного устройства, окрашенного светлой краской - В составляющую спектра.

Рисунок 6 Рисунок 7

В случае отсутствия видимости сигнальных маяков бортовым TBK, также можно осуществлять определение точки прицеливания и приведение БПЛА к зацепу посадочного устройства. Для подтверждения возможности такого определения проводилась оценка погрешности измерения координат границы разделения областей разного цвета бортовым TBK на примере границы чёрного щита стенда экспериментальных исследований. В результате было получено, что наблюдаемая граница по яркости изображения изменяется приблизительно линейно на протяжении 5 элементов разрешения (рисунок 7). В предположении симметричности «размыва» границы щита, положение границы с точностью до 1 элемента разрешения определяется по амплитуде сигнала, соответствующей середине между средним значением сигнала от щита и средним значением сигнала от фона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

- Определён способ посадки и новая структура автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающие высокоточное приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна малого водоизмещения.

- Разработана методика формирования вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя.

- Предложены меры повышения качества отработки программной траектории сближения БПЛА и судна-носителя (введение упреждения в программные значения углов поворота и наклона вектора скорости и добавления в систему управления БПЛА контура управления высотой), позволяющие снизить ошибку приведения аппарата к участку самонаведения для рассматриваемых условий в 3.5 раза.

- Для информационно-технического обеспечения самонаведения БПЛА на захватное приспособление при помощи бортового TBK предложены меры повышения точности измерения дальности и точности измерения углового положения маяков, которые заключаются в использовании в телевизионном координаторе объектива с переменным фокусным расстоянием и обеспечения согласования поля зрения приёмного устройства телевизионного координатора с угловым размером расстояния между наблюдаемыми маяками. Такие меры для рассматриваемого случая позволили получить ошибку определения углового положения маяков не превышающую 0.01 градуса и снизили ошибку измерения дальности в разы.

- Предложен новый способ коррекции автономного управления БПЛА на конечном участке, позволяющий снизить влияние качки на точность приведения БПЛА в конечную точку и не предусматривающий регулирования скорости БПЛА, который заключается в прогнозировании величины смещения посадочного устройства в момент подлёта к нему БПЛА и последующем учёте этого смещения при формировании точки прицеливания.

- Предложены меры повышения точности при использовании предложенного способа компенсации влияния качки, состоящие в периодическом пересчете величины смещения посадочного устройства в процессе полета.

- На основании экспериментальных исследования точности определения параметров объектов, наблюдаемых TBK:

о Получено, что интенсивность сигнала изображения имитатора светового маяка относительно центра падает примерно одинаково в ту, и в другую

сторону, что дает возможность определять координаты центров сигнальных маяков с точностью до 1 элемента разрешения, о При анализе границы разделения областей разного цвета показано, что наблюдаемая граница по яркости изменяется приблизительно линейно на протяжении 5 элементов разрешения. В предположении симметричности «размыва» границы щита, положение границы с точностью до 1 элемента разрешения определяется по амплитуде сигнала, соответствующей середине между средним значением сигнала от щита и средним значением сигнала от фона.

о Показано, что при определении цены пикселя кадра по известным размерам наблюдаемого объекта достигается точность измерения угловых и линейных расстояний до 2-х элементов разрешения.

Полученные результаты показывают возможность и определяют технический путь создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна с необходимой точностью.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Шаров С.Н., Петухова Е.С. Особенности траектории возвращения беспилотного летательного аппарата на движущийся носитель // Известия PAP АН. - 2010. -Выпуск 4(66). - С. 40-48.

Шаров С.Н., Петухова Е.С. Особенности траектории возвращения беспилотного летательного аппарата для посадки на движущееся судно // Морские интеллектуальные технологии. Специальный выпуск. Труды конференции судостроителей ЕНП 2010. - СПб., 2010. - С. 239-243. Шаров С.Н., Дворяшин М.С., Петухова Е.С. Судовая информационно-управляющая система для посадки беспилотного летательного аппарата // Морской вестник. - 2011. - Выпуск №3(39). - С. 65-72.

Шаров С.Н., Петухова Е.С. Принципы построения траектории возвращения беспилотного летательного аппарата на судно // Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды Четырнадцатой Всероссийской научно-практической конференции PAP АН. - СПб., 20 И. Т. 4. - С. 294-298.

Шаров С.Н., Соловьёва В.В., Петухова Е.С. Экспериментальные исследования точности определения угловых координат и размеров объектов, наблюдаемых телевизионным каналом // Известия PAP АН.- 2012,- Выпуск 2(72). - С. 45-57. Шаров С.Н., Андриевский Б.Р., Дворяшин М.С., Петухова Е.С. Технические пути обеспечения посадки беспилотного летательного аппарата на судно // Известия PAP АН. - 2012. - Выпуск 4(74). - С. 58-77.

7 Петухова Е.С. Особенности траектории возвращения беспилотного летательного аппарата для посадки на движущееся судно // Проблемы посадки беспилотных летательных аппаратов на движущееся судно и технические пути их решения: Сб. статей / Под ред. С.Н. Шарова. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2010. - С. 21-29.

8 Шаров С.Н., Петухова Е.С. Расчёт траектории возвращения беспилотного летательного аппарата на движущийся носитель // Проблемы посадки беспилотных летательных аппаратов на движущееся судно и технические пути их решения: Сб. статей / Под ред. С.Н. Шарова.-СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2010. - С. 29-37.

9 Шаров С.Н., Петухова Е.С. Автономное управление посадкой на движущееся судно беспилотного летательного аппарата с бортовым телевизионным датчиком // Проблемы посадки беспилотных летательных аппаратов на движущееся судно и технические пути их решения: Сб. статей / Под ред. С.Н. Шарова. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т., 2010. - С. 38-54.

10 Шаров С.Н., Петухова Е.С. Траектория возвращения беспилотного летательного аппарата на движущееся судно // Пятые Уткинские чтения: труды международной научно-технической конференции (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ», №12). - СПб., 2011.- С. 175-176.

11 Петухова Е.С. Автономная система посадки беспилотного летательного аппарата на движущееся судно // Корабельные системы управления и обработки информации. Проектирование и изготовление. Сборник тезисов докладов научно-технической конференции молодых специалистов 24 ноября 2011 года. -СПб., 2011.-С. 86-87.

12 Шаров С.Н., Соловьёва В.В., Петухова Е.С. Экспериментальные исследования точности определения угловых координат и размеров объектов, наблюдаемых телевизионным каналом: Отчёт / ОАО «Концерн «Гранит-Электрон»; Научный рук. С.Н. Шаров; Уч. № 64/5030. - СПб., 2011. - 39 с. - Отв. исполн. Е.С. Петухова; Соисп. Соловьева В.В.

13 Пат. 110070 Россия, МКП B64F 1/18, В64С 13/18, G05D 1/10. Система автономной посадки беспилотного летающего аппарата на движущееся судно/ С.Н. Шаров, Е.С. Петухова, М.С. Дворяшин, В.В. Каманин, А.Г. Юрескул -№2011126289/11; Заявлено 28.06.2011; Опубл. 10.11.11// Бюл. №31.

14 Пат. 109096 Россия, МКП B64F 1/18, В64С 25/32. Система управления посадкой беспилотного летательного аппарата/ С.Н. Шаров, Е.С. Петухова, В.В. Соловьёва, М.С. Дворяшин, В.В. Каманин, А.Г. Юрескул - №2011118162/11; Заявлено 10.05.2011; Опубл. 10.10.11//Бюл. №28.

Подписано в печать 22.04.13 Формат 60х84'/16 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 17/04 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"ВОЕНМЕХ" ИМ.Д.Ф.УСТИНОВА ОАО «КОНЦЕРН «ГРАНИТ-ЭЛЕКТРОН»

На правах рукописи

04201357534

Петухова Елена Сергеевна

Автономная бортовая система управления посадкой беспилотного летательного аппарата самолётного типа на движущееся судно

Специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шаров С.Н.

Санкт-Петербург-2013 г.

Содержание

Введение...............................................................................................................4

Общая характеристика работы............................................................................9

1 Определение структуры системы управления посадкой БПЛА на суда, не оснащённые взлётно-посадочной полосой.......................................................13

1.1 Сравнительный анализ способов посадки БПЛА на суда, не оснащённые взлётно-посадочной полосой.............................................................................13

1.20пределение структуры автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА..................................................................................................................25

Выводы по разделу 1..........................................................................................26

2 Траектория сближения БПЛА и судна-носителя...........................................27

2.1 Формирование вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя.....................................................................................27

2.2 Оценка начального рассогласования системы самонаведения БПЛА......44

2.2.1 Моделирование оптимальной программной траектории сближения БПЛА и судна-носителя................................................................................................44

2.2.2 Имитационное моделирование движения БПЛА вдоль оптимальной программной траектории сближения................................................................46

2.3 Повышение качества отработки оптимальной программной траектории сближения...........................................................................................................50

Выводы по разделу 2..........................................................................................53

3 Управление посадкой беспилотного летательного аппарата на участке самонаведения при использовании TBK...........................................................54

3.1 Принципы определения величины промаха БПЛА при управлении на конечном участке управления на основе TBK..................................................54

3.2 Измерение дальности от БПЛА до посадочного устройства.....................58

3.3 Оценка точности приведения БПЛА к посадочному устройству при равномерном прямолинейном движении носителя..........................................63

3.4 Особенности наведения БПЛА на посадочное устройство при качке судна-носителя ..............................................................................................................67

Выводы по разделу 3..........................................................................................74

4 Экспериментальные исследования точности определения объектов, наблюдаемых телевизионным координатором................................................77

4.1 Технические средства и объекты экспериментальных исследований......77

4.2 Методика обработки видеоматериала испытаний.....................................83

4.2.1 Измерение отношения сигнал/фон имитатора светового маяка.............83

4.2.2 Измерение угловых и линейных размеров малоразмерных объектов.... 85

4.2.3 Оценка погрешности измерения координат границы разделения областей разного цвета......................................................................................................94

4.2.4 Оценка погрешности измерения линейного и углового расстояния между наблюдаемыми объектами...................................................................96

4.2.5 Оценка погрешности наблюдения объектов с плавным изменением контраста изображения......................................................................................98

Выводы по разделу 4........................................................................................102

Заключение.......................................................................................................105

Список использованных источников..............................................................107

Приложение А..................................................................................................118

Приложение Б...................................................................................................130

Введение

Необходимость решения задач непрерывной оценки и прогнозирования развития военно-политической обстановки и связанной с ней военно-морской деятельности иностранных государств в Мировом океане, а также поддержания Военно-Морского Флота в заданной степени готовности к боевому применению в Мировом океане закреплена основами государственной политики Российской Федерации в области военно-морской деятельности [1]. Решение в рамках этого задач разведки, целеуказания для комплексов ударного высокоточного оружия, ретрансляции связи, оценки нанесённого ранее ущерба при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в том числе судового базирования, сопряжено с множеством преимуществ по сравнению со средствами пилотируемой авиации. Это, например, отсутствие потерь в личном составе, небольшие размеры и заметность, сравнительно малая (на порядок-два дешевле пилотируемого) стоимость [2].

Необходимость БПЛА судового базирования, которые могли бы решать задачу разведки и доразведки целей в интересах корабельных комплексов ракетно-артиллерийского вооружения хорошо осознаётся на предприятиях военно-промышленного комплекса: «На сегодня в России налицо сложная проблема - у высокоточного оружия, прежде всего морского базирования, слабо развиты системы целеуказания, которые позволяли бы эффективно решать вопросы доразведкии выдачи данных ЦУ на комплексы оружия», -подчеркивает генеральный директор ОАО «Радар ММС» [3]. А начальник департамента государственного оборонного заказа Объединенной судостроительной корпорации (ОСК) заявляет, что «...все перспективные корабли, проекты которых разрабатываются под требования ВМФ, должны быть предназначены для базирования беспилотников разного назначения - и ударных, и разведывательных, и целеуказания. Это требование Минобороны, и оно полностью поддерживается ОСК» [4]. Также он подчеркнул, что БПЛА для ВМФ активно разрабатываются Объединённой авиастроительной корпорацией (OAK).

Беспилотные летательные аппараты также могут быть использованы и для решения различных гражданских задач, сохраняя при этом все названные преимущества их использования. Из таких задач [5], например, можно выделить: мониторинг линейных объектов энергетической инфраструктуры [6,7,8,9]; аэрофотосъемочные и сканирующие работы для решения кадастровых и маркшейдерских задач [10, 11, 12, 13]; обеспечение связи и управления в зоне ликвидации чрезвычайной ситуации или проведения специальной операции [14, 15,16];авиационные работы в интересах городских и районных органов власти [17, 18, 19];экологический контроль [20,21, 22];авиационные работы в интересах сельхозпроизводителей [23, 24];работы в интересах лесоохраны [25, 26, 27, 28, 29]; правоохранительная деятельность [30, 31].

При этом для решения различных задач иногда БПЛА являются единственным возможным вариантом, поскольку такие аппараты приспособлены для полета через радиационно, химически или бактериологически зараженные зоны.

При разработке БПЛА, предназначенных для базирования на судах без взлётно-посадочной полосы, встаёт вопрос их посадки. Этот вопрос взаимосвязан с предполагаемой конструктивной схемой аппарата. При рассмотрении в этом ключе двух наиболее популярных схем - самолётной и вертолётной, можно отметить следующее. Аппараты самолётной схемы имеют большие радиус действия и продолжительность полета, по сравнению с аппаратами вертолётной схемы[3]. Однако применение БПЛА самолётной схемы на судах без взлётно-посадочной полосы затруднено тем, что посадка с пробегом может осуществляться только на воду, что спряжено с трудностью последующего поиска и извлечения аппарата и необходимостью качественной его герметизации. Вертолётная схема БПЛА позволяет более органично вписать аппарат на судно малого водоизмещения в связи с возможностью такого аппарата выполнять взлет и посадку вертикально, но уступает самолётной по названным причинам и имеет небольшую грузоподъемностью. При этом по данным годового отчёта [32] ведущей международной ассоциации беспилотных

систем UVS International количество наименований беспилотных аппаратов самолётной схемы по миру имеет существенный перевес перед аппаратами всех прочих схем, в том числе и вертолётной. Это подтверждается большей представительностью парка аппаратов самолётной схемы, предлагаемых российскими производителями. Так, при рассмотрении аппаратов взлётной массой до 100 кг как ориентировочно предпочтительных для использования на судах без взлётно-посадочной полосы можно назвать аппараты вертолётной схемы, разработанные предприятиями ОАО «Радар ММС» и ОАО «Горизонт». Из аппаратов самолётной схемы, причём уже готовых для серийных поставок, можно назвать следующие аппараты: ZALA 421-08, ZALA 421-2, ZALA 421-16, ZALA 421-09 (ООО «Зала Аэро»); Т23 «ЭЛЕРОН», Т10 "Элерон-10" (ЗАО "Эникс"); «ИРКУТ-2М», «ИРКУТ-10» (ОАО «НГЖ «Иркут»), «ИНСПЕКТОР 201» (ЗАО «Аэрокон»), ГрАНТ (ОАО «Новик-XXI век»), БЛА-05 «ТИПЧАК» (ОАО "Конструкторское бюро "Луч"), «ДОЗОР-2», «ДОЗОР-4» (ЗАО «Транзас»), а также беспилотные летательные аппараты «Орлан» различных модификаций (ООО «СТЦ»). Кроме этого, проводят разработки БПЛА самолётных схем ряд других российских предприятий. Это, например, ОАО «Туполев», ОСКБЭСМАИ, ОАО «ОКБ им. А. С. Яковлева», ОАО «УЗГА» и другие. Разработками БПЛА вертолётных схем также занимается ОАО «Камов» и другие.

Всё названное множество аппаратов может быть задействовано на судах без взлётно-посадочной полосы при условии решения вопроса посадки.

Решению этого вопроса уделяется особенно большое внимание за рубежом, а также в России. Среди зарубежных предприятий можно назвать компании Boeing Company [33], Lockheed Martin [34, 35], Advanced Aerospace Technologies [36], Mitsubishi Heavy Industries [37], British Aircraft Corporation [38]; компании AAI Corp (Textron) и Insitu, производящие БПЛА с посадкой при помощи судовых захватывающих устройств (БПЛА AerosondeMk 4.7 и БПЛА ScanEagle); образовательные учреждения Naval Postgraduate School [39] и Royal Melbourne Institute of Technology [40].В России проработкой данного вопроса

занимаются на предприятиях судостроительной и авиастроительной отрасли, военных научно-исследовательских институтах (1 ЦНИИ МО, НИЦ-30) и ВУЗах (БГТУ, ГУАП, МАИ и МГТУ им. Н.Э.Баумана).

В поиске путей решения этой задачи важное место занимают работы научных работников и инженеров Концерна «Гранит-Электрон» [41, 42]; докторов технических наук Л.Л. Ташкеева, Е.Т. Липатова, а также кандидатов технических наук И.О. Суханова, А.Г. Елисеенко, Д.Г. Ларионовой [43], В.А. Казачка и др. Их работы основаны на схожести бортовой аппаратуры БПЛА и противокорабельных крылатых ракет (ПКР).

Таким образом, использование существующих БПЛА самолётного типа на судах и кораблях, не оснащённых взлётно-посадочной полосой (а их подавляющее большинство), сдерживается отсутствием приемлемых для эксплуатации технических средств «сухой посадки». В связи с этим, разработка системы управления посадкой беспилотного летательного аппарата самолётного типа на движущееся судно, не оснащённое взлётно-посадочной полосой, является актуальной задачей.

В качестве целевой аппаратуры, как информационного датчика обеспечения мониторинга, в большинстве БПЛА используется телевизионный канал, реже бортовые радиолокационные станции. Преимущественное использование телевизионного канала (TBK) обусловленного сравнительно малыми массово-габаритными характеристиками и потребляемой мощностью [44], отработанной системой связи с оператором, а также представлением результирующей информации в более удобной для оператора форме. В рамках данной работы в качестве целевой аппаратуры также выбран TBK. С целью минимизации дополнительно бортового оборудования БПЛА, а также в связи с его лучшей разрешающей способностью по углу (по сравнению с бортовой радиолокационной станцией) TBK выбран и как средство информационного обеспечения системы управления сближением с судном-носителем и посадкой на него. При построении системы управления посадкой

БПЛА с использованием TBK возможны следующие альтернативные варианты:

- Автономное управление БПЛА с бортовым TBK.

- Автоматизированное управление БПЛА с бортовым TBK (управление осуществляется оператором по телевизионному изображению, получаемому с борта БПЛА).

- Автономное управление БПЛА с судовым TBK.

- Автоматизированное управление БПЛА с судовым TBK (управление осуществляется оператором по телевизионному изображению, получаемому с борта судна).

- Комбинированное управление.

- Резервное ручное управление с визуальным наблюдением оператором движения БПЛА.

В работе рассматривается автономное управление БПЛА с бортовым телевизионным датчиком с целью посадки на движущееся судно малого водоизмещения. Это наиболее сложный вариант с точки зрения реализации, но наиболее заманчивый для судна-носителя, так как основная часть информационного обеспечения посадки БПЛА должна обеспечиваться его бортовой аппаратурой.

Общая характеристика работы

Целью диссертационной работы является доказательство возможности и определение технического пути создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна, не оснащённого взлётно-посадочной полосой, с необходимой точностью.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

- определение способа посадки и структуры автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА;

- формирование вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя, а также повышение точности её отработки;

- разработка информационно-технического обеспечения самонаведения БПЛА на захватное приспособление при помощи бортового TBK, включая исследование особенностей наведения БПЛА на захватное приспособление в условиях качки судна;

- экспериментальные оценки точности определения параметров объектов, наблюдаемых бортовым TBK.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- доказана возможность и найден новый технический путь создания автономной бортовой системы управления посадкой БПЛА самолётного типа, обеспечивающей приведение аппарата к захватному устройству движущегося судна с необходимой точностью;

- разработана новая методика формирования вектора параметров оптимальной траектории сближения БПЛА и судна-носителя;

- предложен новый способ уменьшения влияния качки судна на точность приведения БПЛА к устройству зацепления.

Методы исследования базируются на системном анализе, динамике полета, математическом моделировании, теории автоматического управления,

теории локации, статистическом моделировании и экспериментальных исследованиях.

Достоверность научных исследований и практических рекомендаций базируется на корректной постановке общих и частных, поставленных выше, задач, использовании известных фундаментальных теоретических положений технической кибернетики, достаточном объёме статистического моделирования и экспериментальном материале исходных данных для численных оценок достижимых качественных показателей.

Практическая ценность работы состоит в том, что все полученные результаты и рекомендации могут быть использованы, а ряд из них используется на практике. Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- предложенная автономная бортовая система управления БПЛА самолётного типа, имеющая в своём составе TBK переднего обзора, обеспечивает приведение аппарата к захватывающему устройству движущегося судна без дополнительных аппаратурных затрат, только за счёт дополнительного программного обеспечения бортовой цифровой вычислительной системы;

- показана возможность использования бортового TBK для измерения параметров колебаний захватного устройства в условиях качки судна для прогнозирования его положения в момент сцепления с БПЛА, а также для измерения дальности;

- разработаны практические рекомендации по приближённому и уточнённому расчёту параметров оптимальной траектории возвращения БПЛА на движущееся судно;

- на основании экспериментальных исследований точностей определения параметров объектов, наблюдаемых TBK, подтверждена возможность с высокой точностью определять координаты центров сигнальных маяков и положение границы разделения областей разного цвета на наблюдаемом объекте (судно, кран-балка, захватное устройство).

На защиту выносятся:

- методика определения оптимальной траектории манёвра БПЛА при сближении с судном, а также способы повышения точности её отработки;

- управление полем зрения TBK, позволяющее повысить точности оценки дальности и координат посадочного устройства;

- способ коррекции автономного управления посадкой БПЛА в условиях качки судна с прогнозированием координат захватного устройства на момент стыковки;

- экспериментальные оценки о