автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная и управляющая система малоразмерного беспилотного летательного аппарата повышенной точности

На правах рукописи

Машнин Максим Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА МАЛОРАЗМЕРНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (авиационная, ракетно-космическая техника и кораблестроение)

ноя да

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537266

Тула-2013

005537266

Работа выполнена

в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Тульский государственный

университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный

деятель науки РФ Распопов Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты: Солдаткин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Приборы и информационно-измерительные системы» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева -КАИ», г. Казань

Черноморский Александр Исаевич кандидат технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации», ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», г. Москва.

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское бюро

аппаратостроения» (ЦКБА).

Защита диссертации состоится «28» ноября 2013 года, в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.11 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП -3, Волоколамское ш., д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (125993, г. Москва, А-80, ГСП -3, Волоколамское ш., д.4).

Автореферат разослан « ¿У» ¿Ьпй^/А 20 Ученый секретарь

диссертационного совета

Горбачев Юрий Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с каждым годом становится все более распространенным. Значительный интерес представляют БПЛА массой около 10 кг, которые успешно решают задачи гражданского и военного назначения и получили наименование малоразмерные БПЛА (МБПЛА). ^ р

МБПЛА решают задачи разведки и наведения, а также выполняют роль подвижной мишени на учениях. Благодаря высоким тактико-техническим характеристикам и низкой стоимости в гражданском применении МБПЛА эффективно решают широкий круг задач, среди которых можно выделить контроль систем коммуникаций нефтегазовой промышленности, картография, гравиметрия, а также проведение мониторинга сельхозугодий и чрезвычайных техногенных ситуаций.

Решение перечисленных задач наиболее эффективно обеспечивается МБПЛА, функционирующими в автоматическом режиме. Это обеспечивается системой автоматического управления (САУ), необходимыми элементами которой являются информационно-измерительная (ИИС) и управляющая системы (УС). ИИС включает навигационную систему и систему ориентации, УС - вычислительное, преобразующее и исполнительные устройства. Ввиду жестких ограничений на массу полезной нагрузки, ИИС МБПЛА, как правило, строится на микромеханических гироскопах (ММГ) и акселерометрах (ММА), магниторезистивных датчиках магнитного поля, баровысотомере, датчике воздушной скорости, приемнике вРЗ/ГЛОНАСС, которые обладают приемлемыми массогабаритными характеристикам.

УС обеспечивает: автоматический полет по заданному маршруту: взлет и заход на посадку; поддержание заданной высоты и скорости полета; стабилизацию углов ориентации, программное управление бортовыми системами (стабилизация видеокамеры, синхронизированное по времени и координатам срабатывание затвора фотоаппарата, сброс груза или физико-химический анализ атмосферы и земной поверхности и др.). Для обеспечения автоматического полета по заданной траектории УС снабжено устройством памяти, в которую заносят параметры поворотных пунктов маршрута (ППМ): координаты, высота прохождения и скорость полета, регистрируемые ИИС. УС обеспечивает также передачу телеметрической информации на наземные пункты контроля и управления.

На сегодняшний день существующие информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) не позволяют обеспечить необходимую точность движения МБПЛА при решении целевой задачи из-за несогласованности характеристик ИИС и МБПЛА. Более того, не существует опубликованной методики разработки ИИиУС МБПЛА, охватывающей необходимые проектные процедуры и проектные решения. Зачастую, подобная информация является коммерческой тайной, недоступной для разработчиков новых типов ИИиУС МБПЛА, что определяет актуальность разработки методики системного проектирования ИИиУС целевых МБПЛА.

Разработкой и производством ИИиУС МБПЛА в России занимаются ряд предприятий гражданской и военной направленности, например ФГУП ОКБ «Электроавтоматика им. П.А. Ефимова» (г. Санкт-Петербург), ЗАО «НТЦ Рисса» (г. Москва), ОАО «ОКБ «Сокол» (г. Казань), ЗАО «Эникс» (г. Казань), ООО «Беспилотные аппараты» (г. Ижевск) и др.

Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: A.B. Бабиченко, В.А. Боднера, В.Н. Бранца, A.B. Валиева, К.К. Веремеенко, A.B. Корнушенко, М.Н. Красильникова, Д.П. Лукьянова, Л.П. Несенюка, Б.Н. Окоемова, П.П. Парамонова, В.Г. Пешехонова, П.К. Плотникова, И.И. Помыкаева, В.Я. Распопова, Ю.И. Сабо, О.С. Салычева, Л.А. Северова, В.М. Солдаткина, O.A. Степанова, С.П. Тимошенкова, А.И. Черноморского, Н.В. Чистякова, Е.А. Чуманкина, И.П. Шмыглевского, M.J. Caruso, T.R. Fried, J.E. Lenz и др.

Объектом исследования является ИИиУС МБПЛА.

Предметом исследования являются математические модели каналов ИИиУС, алгоритмы их работы, способы повышения их точности и проектные процедуры САУ МБПЛА.

Целью работы является разработка ИИиУС МБПЛА повышенной точности, а также методики проектирования САУ МБПЛА.

Методы исследований: В работе использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением теории случайных процессов, теории оптимальной фильтрации, теории систем, математического моделирования с применением ЭВМ, физического моделирования в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна работы:

1. Математическая модель погрешностей ИИС, позволяющая проводить анализ влияния погрешностей каналов ИИС на результирующую погрешность системы.

2. Способ повышения точности ИИС за счет компенсации линейных ускорений, возникающих в процессе движения МБПЛА.

3. Методика проектирования ИИиУС МБПЛА.

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее оптимизировать проектные процедуры САУ, подтвержденные результатами имитационного моделирования, лабораторных и летных испытаний опытных образцов.

2. Разработан способ виртуальной продувки, позволяющий определять значения аэродинамических коэффициентов МБПЛА.

3. Разработан способ оценки влияния линейных ускорений на точность ИИС, основанный на применении передаточных функций линеаризованной модели системь1 при движении на эталонных режимах полета.

4. Разработан способ определения оптимальных значений коэффициентов автопилота в виде функционалов, зависящих от воздушной скорости.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования реализованы при выполнении грантов: №130903 «Разработка учебного БЛА», №131002 «Анализ функционирования микромеханических гироскопов и акселерометров в контуре информационно-вычислительной системы беспилотного летательного аппарата» и программы УМНИК -2011, договор №10022р/16818, а также внедрены при разработке систем стабилизации обзорно-прицельных систем для объектов с линейным перемещением центра тяжести, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в учебно-методический комплекс «Расчетный и лабораторный практикум по микросистемной авионике» и использованы в коллективной монографии «Микросистемы ориентации беспилотных летательных аппаратов».

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах конференциях и выставках: XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», (март 2010, г. С.-Петербург), на которой бьш отмечен дипломом II степени; Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», (2011, г. Тула), на которой бьш отмечен дипломом И степени; У-ой молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации», (2010, г. Тула), на которой бьш отмечен дипломом I степени; XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», (март 2012, г. С.-Петербург), на которой бьш отмечен дипломом III степени, У1-ои молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации», (2011, г. Тула); 1У-ой общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», (2012 г. С.-Петербург); IV - ой магистерской научно-технической конференции Тульского государственного университета, (2009, г. Тула); Научно-технической выставке «Творчество молодежи» (2010, г. Тула); а также основные результаты диссертации были удостоены следующих поощрений: благодарственная грамота от Института высокоточных систем им. В. П. Грязева за высокие результаты в науке, (2010 г Тула); проект, основанный на результатах работы, был удостоен благодарственного письма от Тульской Областной Думы за высокие результаты в науке, (2012, г. Тула)

Проект, основанный на результатах диссертации, стал призером регионального конкурса УМНИК 2011.

Содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах в том числе в 5 периодических изданиях рекомендованных ВАК, а также в патенте РФ на полезную модель.

Достоверность теоретических положений и разработанных математических моделей подтверждена согласованностью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований МБПЛА в лабораторных и летных условиях на опытных образцах ИИиУС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и восьми приложений'

Основная часть изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 25 таблиц. Список используемой литературы содержит 63 наименования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель погрешностей ИИС, позволяющая проводить анализ влияния погрешностей каналов ИИС на результирующую погрешность системы.

2. Способ повышения точности ИИС за счет компенсации линейных ускорений, возникающих в процессе движения МБПЛА.

3. Методика проектирования ИИиУС МБПЛА, представляющая собой единую систему проектных процедур.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении рассмотрены актуальность и практическая ценность работы, сформулированы цель работы, задачи и методы исследований, научная новизна, результаты апробации и внедрения данной работы, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрен МБПЛА как объект контроля и управления ИИиУС. При этом были приняты следующие допущения: конструкция МБПЛА является абсолютно жесткой, масса и инерционные характеристики МБПЛА на рассматриваемых интервалах времени остаются постоянными, полет происходит при углах тангажа не превышающих ± 90°. Математическую модель движения МБПЛА принято представлять в виде:

~ + I = У;

т\ + | = Z;

(1)

Jх ~+(л - J у К®* = мх;

dcо

J у ~ + {Jx - Jz = Му;

J.

у dt dm.

(2)

dt

где X, У, 2, Мх, Му, М-, Ух, Уу, V-, тх, ау, ю, - проекции вектора сил,

моментов, скорости центра масс и угловой скорости соответственно на оси связанной системы координат; т > -¡х' у > " масса и главные моменты инерции;

Проекции вектора сил (3) и главного момента внешних сил (4) представлены

в виде:

X = Px-cxqS-Gsm Э; Y = Ру+ cyqS — G cos 3 cos у; Z = Pz +c.^5 + Gcos9siny,

(3)

Mx = mxqSlx + М^, My = myqSly + Mdy, M: = m:qSL + Md:,

(4)

где G = mg — сила тяжести, P

сила тяги, cx, Су.

с. — аэродинамические

коэффициенты сил, g - ускорение силы тяжести, д = ^р V2 - скоростной напор, р

массовая плотность воздуха, V - скорость набегающего потока, тх, т , т, -аэродинамические коэффициенты моментов, Мв - возмущающий момент, lx, L - характерные длины.

Основной целью исследования МВПЛА как объекта автоматического управления является определение аэродинамических характеристик, влияющих на качество управления. Получение их в аэродинамической трубе сопряжено с большими финансовыми, временными и административными затратами.

Для избежания указанных затрат применен способ виртуальной продувки для определения аэродинамических характеристик МБПЛА с использованием модуля Floworks пакета Solid Works.

Строительные оси ЗЕ>-моделей МБПЛА связываются с осями системы координат (СК) области вычислений (рис.1), для ячеек которой рассчитываются параметры потока, обтекающего модель. Для изменения угла атаки изменяются проекции скорости потока на координатные оси области вычислений.

В качестве примера результатов использования способа виртуальной продувки, на рис. 2. приведены зависимости

Рис. 1. SD-модель с областью вычислений

0 05 «.< ад а.Фад

Рис. 2. Зависимости коэффициентов Сха и Суа от угла атаки коэффициентов Ст лобового сопротивления Ха = схаБ^, и Суа подъемной силы

Ya - cyaS

PV2

(S

площадь крыльев) для МБПЛА самолетной схемы с размахом крыла 1,56 м и профилем крылаЫАСА-0016.

Адекватность математической модели движения МБПЛА проверяется проведением летных испытаний, в результате которых выполняется сравнение реакции «свободного» (без использования автопилота) МБПЛА по координатам К„ (у, у, Я, У), зарегистрированных в полете, и реакций математической модели МБПЛА - Км по тем же координатам на отклонение 5К рулевых поверхностей.

7

Оценка соответствия параметров математической модели и реального БПЛА выполняется по относительным погрешностям ек измерений и по осредненным погрешностям ък, вычисленным для пК контрольных временных отсчетов в устано-

вившемся режиме: гк = —--

Кг

1

■100%, гк =--

пк ¡'=1

а)

На рис. 36 показан переходный процесс для авиамодели Тшг^агП (рис. За) по угловой координате на примере тангажа, а в табл. 1 — погрешности их определения.

б)

Рис. 3. Результаты летных экспериментов: а - МБПЛА Т\¥т81аг11 в воздухе; б - переходные процессы математической модели и авиамодели Тумп^агП по углу тангажа при скорости 18 м/с: Км — переходный процесс математической модели; Кр — переходный процесс авиамодели; 1 — входное воздействие в виде отклонения соответствующих рулевых органов;

Таблица 1. Погрешности определения параметров полета по математическим

Параметр полета («координата» К) Погрешности

шах ек, % ч,%

Угол курса, ф 22 9,5

Угол тангажа, 0 19 10

Угол крена у 14 10

Из таблицы 1 видно, что гк не превышает 10%. Это свидетельствует об адекватности математической модели движения МБПЛА реальному движению МБПЛА и об эффективности использованных методик исследования.

Во второй главе рассмотрена УС МБПЛА, построенная на основе алгоритмов терминальной навигации.

Для управления углами курса, тангажа и крена МБПЛА в УС используется следующий закон управления:

и = ку(ч>3 -<у)-кусц, (5)

где ф3, <р - заданное и текущее значения регулируемого параметра; ку, кус -

коэффициенты передачи по регулируемому параметру и скорости его изменения.

Для улучшения качества автоматического полета МБПЛА постоянные коэффициенты УС предложено заменить выражениями, зависящими от параметров полета, контролируемых ИИС:

ку{у) = к,У" +к2У"-1+... + кт; кус(У) = Ь1Уп+Ь2Уп-1+... + Ьт, (6)

где ку(у), кус(V) -коэффициенты УС по углу и угловой скорости; кик2 ...,кти Ьх,Ь2 ...,Ьт-коэффициенты аппроксимирующих полиномов (рис.4); п - степень аппроксимирующего полинома.

Ко эффициент по углу

Коэффициент по угловой скорости

ю

X

4«,

-е-

м И ■

15 и « И « ' Я Скорость, м/с

■ УС Ч /\ I---/ ~«. ии^шаип

площадь „ оТ Я Т ~ДеЛИ °ЕВАМ ^са 2,4 кг; размах .,63 м;

аппршссимация ' " * ' " КРИВЗЯ' П0ЛуЧеННМ ЛОДб°Р0М коэффициент; 2 -

Зависимости (6) коэффициентов УС от воздушной скорости МБПЛА Гоис 41

о~НеГеГГтГ^а ЗНаЧеНИЙ СК0Р0С™ °Т —-ной до ма« но^ качества I 'Х ЗНаЧеН™ коэФФиЧие™в> «сходя из необходимого

качества переходного процесса (минимизация времени отсутствие колебательности) для каждого из значений воздушной скорости отсутствие

Алгоритмы терминальной навигации включают: алгоритм канала тяги лля стабилизации заданной скорости полета, алгоритм идштиАи™ крупномасштабных ветровых возмущений, алгоритм выхода БПлТ™ФцелГв

Гз;Г».ВРеМЯ ° 3адаНШЙ ПУТСВ0Й ' —ритм аварийного ре7има

1. Алгоритм канала тяги

Изменение путевой скорости У„ МБПЛА с автоматом тяги описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений: описывается

,1

К (0 = -(/>- с,5 - сзт 3); т 2

а)

где Т- постоянная времени двигателя; текущая и заданная частоты вращения

двигателя; К - функционал связи параметров V,, п3 с тягой Р.

На данном этапе задача сводится к определению функционала „, (г), которое

обеспечит полет БПЛА с заданной скоростью Ут(0 с ограничением V (!) - V Л) -п при минимизации функционала Речением уп(() - ут(г) -О

о

В соответствии с (7,8) заданные значения тяги Р3 и частоты вращения вала п3(С) определяются выражениями:

п3 (/) =

= _ АУ+ cxSq +G sin S;

т т т С^)

—-m А V +-cxqS + (1--)n(t),

ТуТ„ K(V3,п3) T„K{V3,n3) Т„

1

h

-■■m

где AV-Vn3-Vn\ TVT„ - постоянные времени переходного процесса по скорости МБПЛА и частоте вращения вала двигателя.

Для МБПЛА - Tn«Tv, а максимальные перерегулирования по скорости и частоте вращения вала двигателя не должны превышать 10%.

На рисунке 5 приведены тяговые характеристики винта с фиксированным шагом АРС 7x5 для различных скоростей полета, полученные с помощью программы PropCaic 3.0.

На рисунке 6 приведены графики различных скоростей переходных процессов для МБПЛА при потока стабилизации скорости полета V=20m/c (при t=0c) и V= 15м/с (при t=25c).

а)

Рис. 5. Тяговые характеристики трехлопастного винта АРС 7x5 для набегающего

б)

Рис. 6. Переходные процессы МБПЛА при стабилизации воздушной скорости по частоте вращения вала двигателя (а) и скорости (б): Уз — заданная скорость; V —

воздушная скорость 2.Алгоритм идентификации ветровых возмущении.

Алгоритм идентификации ветровых возмущений, в предположении подразумевает определение двух составляющих ветра , й^, направленных

соответственно по меридиану на север и по широте на восток.

При малых значениях углов тангажа и крена, а также зная угол курса, выражения для определения ветрового возмущения имеют следующий вид: = К, СОЯ 1|/+^5111 у, (10)

(К = У^ - Ух Бшу- V, сову. Воздушные скорости Ух и У2 в уравнениях (10) определяются с помощью датчиков воздушной скорости, установленных на МБПЛА по осям ОХ и 02 связанной СК.

3. Алгоритм выхода к цели Алгоритм выхода к цели сводится к решению следующих задач:

- пролет ППМ на необходимой высоте Ь3 (стабилизация высоты);

- пролет от ППМ,., до ППМ; по заданной траектории (обычно прямая линия);

- возврат в точку старта в случае обнаружения ошибки систем навигации;

- выход МБПЛА к цели за заданное время.

Стабилизация высоты обеспечивается автопилотом высоты, закон управления которого имеет следующий вид: и = Ав(*л(й,

Коэффициенты кА и к^ выбираются из условия обеспечения необходимого качества переходного процесса

Пролет МБПЛА по заданной траектории связан с вычислением необходимого угла курса: у, = 9 + р + К ■ А£,

где 0 — угол наклона траектории, К — коэффициент, зависящий от динамических свойств ЛА,

2ЛА -2ппм1

Д£ =

в—агс1ап

.7

Р = штат

^ V(ХЛА ~Х ППМ, )2 + ЛА~2ППМ, )

*ЛА-ХППМХ)У

(-№„„) (~№,со$в + №х$твЛ Ш-— = агйац-=--- .

I У ) I У8 ) Задача определения заданной скорости движения сводится к минимизации коэффициента/, определяемого выражением:

где Ь, Г - текущий пройденный путь и время.

Выражение (11) представляет собой текущую разность требуемого пути £, и пути, который МБПЛА пролетел бы, двигаясь со скоростью Упз в течение времени, оставшегося до выхода в заданную точку.

В случае отказа ОРБ/ГЛОНАСС алгоритм аварийного возврата примет вид закона выхода в ППМ (в качестве ППМ выступает точка старта) за исключением составляющей К ■ АЬ, так как отсутствует информация о текущих координатах:

у3=е + р. .

На рис. 7 показана траектория полета МБПЛА при аварийном возвращении в точку ППМ!. Ошибка Д ~ 40 м.

С учетом указанных алгоритмов и замены коэффициентов автопилота функционалами (6) было проведено математическое моделирование

На рисунках 8, 9 приведены результаты математического моделирования системы «МБПЛА-УС» на примере модели ТадипБ^гП, при полете через четыре контрольные точки (ППМ! ••• ППМ4) с возвратом в точку старта (ППМО.

Суммарная длина маршрута Ъ3 = 3200м, заданное время полета ^ = 140 с, путевая скорость прибытия Упз = 23 м/с (82

км/ч). Скорость ветра в западном »«ч™.»™, ипл.-ллст«,-.*

направлении \Узапал = 2 м/с, скорость ветра Рис. 7. Траектория полета МБПЛА в в северном направлении \Усевер = 2 м/с. режиме аварийного возвращения

шм ППХ12

> тсигея «лева

ППМ4 ППМ>

-¿00..................<

-»оо ья

- 1 1 I

(_____ Г".......... 1 1 : : ! :............'! ------- /

—'.....- 1 ! ' 1

; ; < | I 1 : 1 т™;

1__О._______ | ; Н--«

Рис.8. Траектория полета МБПЛА в режиме терминальной навигации с учетом влияния ветровых возмущений

а)

но по Та»......(?!>* П;......

б)

В)

г) Д)

р. МО» -

- а 20,..........

н е- (>

>11 40 50 ы) "><> КО <л) )о Г. С

110 12*» 134 14" 150

О 10 20 То........40........<п.........60

са %

- 3 21'г а. Ц "«Г

70 80 чо 100 110 120 130 140 Ко (, с

10 2<).......".ад40 50......."II 70 ко <т що ¡1.'. Гг.- ПО 140 1!"

С

Рис.9. Графики переходных процессов системы «МБПЛА-УС» в режиме терминальной навигации: а - путевая скорость, б - высота, в,г,д - углы курса, тангажа и крена

В третьей главе рассматривается ИИС, в которой для повышения точности определения параметров ориентации датчиков угловых скоростей (ДУС), в роли которых выступают ММГ, используется акселерометрическая коррекция. Повышение точности ИИС включает в себя решение двух вопросов: формирование требований к датчикам и устранение влияния постоянных или медленноменяющихся ускорений на точность определения параметров ориентации.

Так как значение систематической погрешности остается постоянным или закономерно изменяющимся при повторных измерениях, то большинство систематических погрешностей возможно компенсировать или свести к минимуму путем калибровки, введением термокомпенсации и т. д.

В качестве погрешностей датчиков рассматриваются случайные составляющие (шум и нестабильность нулевого сигнала).

Требования к датчикам формируются исходя из следующей зависимости: да = £д (12)

где Да,- погрешность определения углов ИИС по одному из каналов; 1Уииа-передаточная функция ИИС по погрешности одного из каналов от каждого датчика; Д,- суммарная погрешность измерительного датчика (состоит из шума и нестабильности нуля).

В соответствии с зависимостью (12) задача сводится к определению передаточных функций 1УИИСЛ для каждого датчика.

Задача решена путем линеаризации и перехода от цифровой к аналоговой модели ИИС. Единственным цифровым элементом ИИС является дискретный фильтр Винера (ФВ) (рис. 11), использующий рекуррентную зависимость:

Хм х£2, +Х, + К(АМ-тХ, хП,-X,), (13)

где » е N — шаг работы

ФВ; Х/ оцененных вектора свободного земли; г

Елок ММА

Б.юк ММ ГI------

вектор значений ускорения падения шаг

дискретизации ИИС; О, - показания ДУС на /-ом шаге работы фильтра Винера; К -коэффициент передачи показания акселерометров на /-ом шаге работы ФВ.

Переходя к пределу в выражении (13) при г —>0, дифференциальное уравнение модели ФВ принимает вид:

В соответствии с полученной зависимостью, структурная схема аналоговой ИИС имеет вид, представленный на рис.12, где углы тангажа и крена определяются по известным зависимостям:

Аналоговое цифровое ; преиирагювянне :

Микро контроллер

Дискретный фильтр Вимсра

Го(^гкнггнромннс 1

Блок вычислен и* углов тэипгда II к'рош

&лг>к ви-чнеяенна ?

\ магнитного куры |

лгишнтный *УР?

Рис. 11. Функциональная схема цифровой ИИС ФВ; Д. -

Аналогом» идеиы^вия мо.ie.it* __I ЛВСК(КТИ(НТ> фильтр* Винера

0=(2гс/£

м

Ях

/= -аг^

Рис. 12. Структурная схема аналого-

вой модели ИИС: Г = —; к' = — (1 - К) При движении МБПЛА на К К

эталонных режимах полета (набор высоты, координированный разворот и др.) некоторые угловые скорости и угловые ускорения в связанной системе координат меняются несущественно, поэтому их влияние на gx, gy, & может быть учтено в контуре управления как постоянные множители для каждого режимы полета: %х = ; = £созЗсоз7; ^соБ^ту. В этом случае представляется

возможным заменить нелинейную модель ИИС ее эквивалентной линейной моделью для каждого режима полета.

На рис. 13 приведен фрагмент структурной схемы линеаризованной модели ИИС, иллюстрирующий влияние погрешности ММГ по оси ОХ на погрешность угла крена, передаточная функция которой имеет вид:

IV,

АЯюх ^ Р>--й-(14)

совЭ

Рис.13. Структурная схема линеаризованной модели БГ

где: т - коэффициент аппроксимации тригонометрической функции арксинуса,

Л\РЬ + +С1(иу,и>х)р1 +0^а>>.,(йг)р2 +Е1(ш},,а>:,)р + Ъ(а>у><о2) где А0, 30, С0, П0, Е0; Аи Вь С,, , Еь - коэффициенты передаточной

функции, зависящие от динамических свойств МБПЛА на эталонных режимах полета.

Пример влияния ММГ ЬР¥510АЬ и ММА Ш344АШ на точность угла крена приведен на рис. 14.

а)

б)

ё

5 -«ОС

! ' ? » • ? —-.....4.....................1 1 . - ! -1-

....^Г4^. ц..........

А,«'*"

.........| [ ; ; ■■У.

-IV-А-к-к-А- ^ 1 ? 1

Вуемд. с

Рис. 14. Выходной сигнал ИИС по каналу крена: а - влияние ММГ; б влияние ММА; 1 - погрешность, возникающая в результате влияния шума'; 2 погрешность, возникающая в результате нестабильности нулевого сигнала; 3 результирующая погрешность

Влияние погрешностей датчиков на погрешность системы по одному из каналов можно представить в следующем виде:

Аст/ = к1М • $аммг + к2м • ёммг + к!А " §аА + к2А • еА, (15) где БаА, вА- амплитуда шума и нестабильность нуля акселерометра; 8аммг> еммг- амплитуда шума и нестабильность нуля ММГ.

Согласно рис. 14 коэффициенты в выражении (15) имеют следующие значения: к1М= 6,2° /рад/с, к2м=2,865 °/рад/с,к1А= 25°/& к2А=46°/ё.

Для устранения влияния постоянных или медпенноменя-ющихся ускорений на точность определения параметров ориентации предлагается дополнительно ввести в контур ИИ С блок коррекции (БК) (рис.15).

БК (БК„ БКУ, БК2) представлен тремя передаточными функциями 1¥х.\р), ИУу(р),

Щ(р) с коэффициентами,

Рис. 15. Структурная схема ИИС с БК, пересчитывающим коэффициенты передаточных функций на основании показаний ДУС

пересчитываемыми в каждую единицу времени на основании сигналов ДУС:

А,р + В0 (а)х )р + С0{ах)

АР3 + В1 {сох)р2 + С1{а>х,соу,а:)р + £\ (ах,ау,со:)

_¿2Р2 + В2(а>у)р + С2{а)у)_

А3р3 + В3 (й)у) р2 + С3 (сох, ау, )р + ¿>з (сох, со у,сох)'

А4р2 + В4(со.)р + С4 (а>г)

(16)

(17)

(18)

Р5 + В5 (а>: )р2 + С5 (сох, соу ,со:)р + й5 (тх где Шх(р), ¡Уу(р), ИУг(р) - передаточные функции по каналам проекций &, gz соответственно, Аи Аъ А3, Л4, А5,В0, Вь В2, В3, В4, В5,С0,С, ,С2,С3,

С4,С5,И1 , П3, п5 - коэффициенты передаточных функций, зависящие от динамических свойств МБПЛА.

Результаты моделирования системы без коррекции и с коррекцией при полете по траектории «коробочка» на примере канала крена приведены на рисунках 16 и

17, из которых видно, что погрешность до коррекции достигает примерно 0,3 рад и менее 0,02 рад после нее.

I

OS

I м

й?

I ад

/

I J L

Рис.16 - угол крена для системы без коррекции: 1 - угол МБПЛА; 2 -показания модели ИИС

Рис. 17 - угол крена для системы с коррекцией: I - угол МБПЛА; 2 -показания модели ИИС

Лчррдкиают^клястйм».; «tfuctpimocw«-w vareotmcpwoWMe ЯфАМПры гаикр БШГА

----j-.......

Р»т|>*бо»а САУ ХПЯЛ

г '.юяапчиу.

--

Таким образом, демонстрируется эффективность применения предложенного способа коррекции влияния линейных ускорений для повышения точности определения углов ориентации.

В четвертой главе предлагается методика проектирования ИИиУС МБПЛА, представляющая собой единую систему проектных процедур, реализуемая в соответствии с рис. 18.

Достоинством описанной методики ! Т 1

является сокращение времени при проектировании ИИиУС за счет автоматизации ряда проектных процедур, а также применения способа виртуальной продувки при определении параметров математической модели планера. В рамках методики при разработке ИИС используется новый способ компенсации линейных ускорений, а также применяется математическая модель погрешностей, позволяющая оценить влияние погрешностей датчиков

на погрешность ИИС. Рис. 18-Основные проектные процедуры

при создании САУ МБПЛА

Данная методика подтверждается математическим моделированием и экспериментальными исследованиями макетного образца ИИС и результатами летных испытаний.

Проверка функционирования способа коррекции осуществлялась следующим образом: на багажник автомобиля горизонтально закреплялась ИИС. Автомобиль разгонялся до скорости 20 м/с (72 км/ч, по показаниям GPS) по ровной дороге, после чего производилось резкое торможение до полной остановки. Одновременно с этим на жесткий диск ноутбука записывались показания ИИС.

17

Cr««a»R it .'iraiu« ¡».i n.njf urn

Производилась серия из четырех опытов:

1.Установка ИИС без коррекции. Ось ОХ направлена по ходу движения автомобиля.

2. Установка ИИС без коррекции. Ось Ог направлена по ходу движения автомобиля.

3. Установка ИИС с коррекцией. Ось ОХ направлена по ходу движения автомобиля.

4. Установка ИИС с коррекцией. Ось 07 направлена по ходу движения автомобиля.

Результаты испытаний приведены на рисунках 19, 20. При этом время торможения составляло около 5 с, таким образом ускорение составило 4 м/с2.

30|

8 20

*>? 5

.»»г, Л. 0

\ § { / а

1 / 1 / |.ю

1 / 1 1 Ц- -и

1 -20

\1 ) 10 2 •2! 3 ...................гёг..............й

!5[>е>«1 с

Рис. 19. Выходной сигнал нескорректи- Рис. 20. Выходной сигнал нескорректированной (а) и скорректированной (б) рованной (а) и скорректированной (б) ИИС по каналу крена под действием ИИС по каналу тангажа под действием

ускорения 4 м/с

ускорения 4 м/с

Исходя из рисунков 19, 20 можно сделать вывод, что предложенный метод работоспособен. Погрешность до коррекции составила по тангажу 30°, после коррекции 3°, а по крену до коррекции 20°, после коррекции около 3°.

С целью исследования работы ИИС в составе САУ МБПЛА были произведены экспериментальные полеты (рис. 20) МБПЛА Т\уш81аг11.

В задачу экспериментальных исследований входило изучение полета планера в полуавтоматическом режиме пилотирования при прямолинейном полете с элементами координированного разворота с' целью подтверждения данных моделирования и проверки работоспособности ИИС и контура САУ в целом.

а)

» 4—ь— | 1

А Л р. 1 ■ п-М ! .1 М}Ц

Щь 1 8.1 ¡¡I

• <1 тп »' ии ! 1 'м 7 14 }'ч Ц ю щ ИГ 4 !ШМ! • I!'

1 1

б)

1

--1 У

г И ¡1 ,( .я

. 1 № г И 111 ^ д щ и

1 И { 11 у

Рис. 21. Графики отработки сигналов по каналу тангажа (а) и крена (б): 1 - заданный

угол; 2 - показания ИИС

Исследуемая ИИиУС показала свою работоспособность и обеспечила требуемое безаварийное пилотирование МБПЛА.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приведены акты внедрения и использования результатов исследования, а также вспомогательные математические зависимости и значения их коэффициентов для ряда частных случаев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Математическая модель погрешностей ИИС позволяет проводить анализ влияния первичных измерителей на результирующую погрешность системы.

2. Разработан способ повышения точности ИИС, основанный на компенсации влияния линейных ускорений на ИИС.

3. Приведена методика проектирования ИИиУС МБПЛА, позволяющая сократить время за счет автоматизации ряда проектных процедур, а также применения метода виртуальной продувки при определении параметров математической модели МБПЛА.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее оптимизировать проектные процедуры ИИиУС, подтвержденные результатами имитационного моделирования, лабораторных и полевых испытаний опытных образцов.

5. Разработанный способ «виртуальной продувки» позволяет с достаточной точностью определять значения аэродинамических коэффициентов летательного аппарата и существенно снижает временные и материальные затраты при проектирования УС МБПЛА.

6. Разработан способ оценки влияния линейных ускорений на точность ИИС, основанный на применении передаточных функций линеаризованной модели системы при движении по эталонным режимам полета.

7. Работоспособность предложенных алгоритмов повышения точности ИИС подтверждена математическим моделированием и рядом экспериментов.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО И РАБОТ, ОСНОВНЫМИ ИЗ КОТОРЫХ ЯВЛЯЮТСЯ:

1. Машнин М.Н./ Определение аэродинамических коэффициентов планера беспилотного летательного аппарата методом виртуальной продувки/ С. В. Телухин, В. Я. Распопов, М. Н. Машнин// Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2010. - №2. - С. 17-22.

2. Машнин М.Н. Система автоматического управления МБПЛА/ М.Н. Машнин // Гироскопия и навигация №2(69): Материалы докладов XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» / Под общ. ред. Академика РАН В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор»,2010. -С. 103- 104.

3. Машнин М.Н. Проектирование системы автоматического управления малоразмерным беспилотным летательным аппаратом / М.Н. Машнин // Гироскопия и навигация №2(73) / Под общ. ред. Академика РАН В.Г.

Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2011.-С. 102-103.

4. Микросистемы ориентации беспилотных летательных аппаратов. Под редакцией В.Я. Распопова/ Р.В. Алалуев, Р.В. Ершов, A.B. Ладонкин, В.В. Лихошерст, Д.М. Малютин, В.В. Матвеев, М.Н. Машнин, A.B. Никулин, В.Я. Распопов, C.B. Телухин, С.Е. Товкач, А.П, Шведов. - М.: Машиностроение, 2011.-184 е.: ил.

5. Машнин М.Н. Система автоматического управления малоразмерного беспилотного летательного аппарата/ М.Н. Машнин// V молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: сборник докладов/ Под общ. ред. д-ра. техн. наук, проф. Ядыкина Е.А.: в 2 ч. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Ч. I - С. 118 - 120.

6. Машнин М.Н. Система автоматизированного определения и коррекции коэффициентов автопилота беспилотного летательного аппарата / М.Н. Машнин, A.B., Ладонкин // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в двух ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011, Ч 2. - С. 66 - 71.

7. Расчетный и лабораторный практикум по микросистемной авионике. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.Я. Распопова -Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. -211 с.

8. Машнин М.Н. Моделирование оптических систем ориентации в контуре автоматического управления малоразмерного беспилотного летательного аппарата/ М.Н. Машнин, A.B. Ладонкин // VI молодежная научно-практическая конференция Тульского государственного университета «Молодежные инновации»: сборник докладов/ Под общ. ред. д-ра. техн. наук, проф. Е.А. Ядыкина: в 2 ч.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Ч. I-С. 183- 185.

9. Машнин M. Н. Анализ влияния источников первичной информации на контур системы автоматического управления малогабаритного беспилотного летательного аппарата/ М.Н. Машнин, А.П. Шведов// Молодежь. Техника. Космос: труды IV Общероссийской молодежной науч. — техн. Конф./ Под общ. ред. д-ра. техн. наук, проф. К. М. Иванова - Балт. гос. техн. ун-т. - СПб.; 2012-С.292-293.

Ю.Патент на полезную модель №119097 РФ. Бесплатформенная инерциальная гировертикаль/ М.Н. Машнин, А.П. Шведов, Ю.В. Иванов, В.Я. Распопов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», заявл. 07.03.2012, опубл.10.08.12.

11. Машнин M. Н. Терминальная навигация беспилотного летательного аппарата с компенсацией влияния на систему ориентации линейных ускорений/М.Н. Машнин, A.B. Ладонкин, В.Я. Распопов, А.П. Шведов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 7. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012 -С. 140 -155.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 21.10.2013 Формат бумаги 60x84 1/и. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 1,2 Уч.изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 052 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, проспЛенина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 95.

ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

04201364929

МАШНИН Максим Николаевич

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА МАЛОРАЗМЕРНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (авиационная, ракетно-космическая техника и кораблестроение) (технические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. В.Я. Распопов

Тула - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................6

ГЛАВА 1 МАЛОРАЗМЕРНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ-ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ.................................................................. 11

1.1 Системы координат.................................................................................. 12

1.2 Уравнения движения................................................................................13

1.3 Расчет моментов инерции МБПЛА........................................................ 16

1.4 Аэродинамические характеристики МБПЛА........................................ 17

1.5 Анализ движения МБПЛА.......................................................................23

1.6 Значения аэродинамических сил и моментов на примере различных МБПЛА.......................................................................................................................24

1.7 Анализ динамики рулевого привода.......................................................28

1.8 Проверка адекватности математической модели МБПЛА.................. 31

1.9 Выводы по главе.......................................................................................33

ГЛАВА 2 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МБПЛА.......... 34

2.1 Режимы полета и структуры аппаратуры управления МБПЛА.......... 34

2.2 Алгоритмы управляющей системы по каналу курса, крена и тангажа........................................................................................................................36

2.3 Алгоритмы терминальной навигации.....................................................41

2.3.1 Алгоритм автомата тяги...................................................................42

2.3.2 Идентификация крупномасштабных ветровых

воздействий................................................................................................................44

2.3.3 Алгоритм выхода к цели..................................................................45

2.3.3.1 Стабилизация высоты.......................................................... 46

2.3.3.2 Пролет по заданной траектории......................................... 47

г

2.3.3.3 Выход к цели за заданное время.........................................53

2.3.3.4 Возврат в точку старта.........................................................54

2.4 Выводы по главе.......................................................................................59

ГЛАВА 3 СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ МБПЛА.....................................................60

3.1 Бесплатформенные системы ориентации................................................61

3.2 Формирование требований к датчикам ИИС..........................................66

3.2.1 Основные погрешности датчиков первичной

информации................................................................................................................66

3.2.2 Получение аналоговой модели ИИС.............................................. 70

3.2.3 Линеаризация модели ИИС. Получение аналитических зависимостей влияния ММГ и ММА на точность САУ....................................... 74

3.3 Коррекция постоянных или медленно меняющихся линейных ускорений................................................................................................................... 83

3.3.1 Оценка влияния постоянных линейных ускорений на точность измерения углов ориентации ИИС.......................................................................... 83

3.3.2 Метод компенсации влияния постоянных линейных ускорений на точность измерения углов ориентации ИИС..................................................... 87

3.4 Выводы по главе.......................................................................................104

ГЛАВА 4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ САУ МБПЛА......................................................106

4.1 Алгоритм оценки массо-геометрических параметров МБПЛА на основе требований технического задания на этапе предварительного проектирования..........................................................................................................107

4.2 Анализ мотоустановки...............................................................................110

4.3 Подбор коэффициентов автопилота......................................................... 113

4.4 Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов................................................................................................................ 115

4.4.1 Компенсация влияния линейных ускорений на ИИС................... 115

4.4.2 Проведение летных испытаний........................................................ 116

4.5 Выводы по главе........................................................................................ 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................ 121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................................... 122

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................................................... 131

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..................................................................................................... 135

ПРИЛОЖЕНИЕ 4...................................................................................................... 136

ПРИЛОЖЕНИЕ 5...................................................................................................... 138

ПРИЛОЖЕНИЕ 6...................................................................................................... 143

ПРИЛОЖЕНИЕ 7...................................................................................................... 146

ПРИЛОЖЕНИЕ 8...................................................................................................... 147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................149

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

БПЛА - беспилотный летательный аппарат

ДУС - датчик угловой скорости

ИИС - информационно-измерительная система

УС - управляющая система

ФК - фильтр Калмана

СНС - спутниковая навигационная система

ММГ - микромеханический гироскоп

ММА - микромеханический акселерометр

ФВ - фильтр Винера

БК - блок коррекции

САУ - система автоматического управления ЛА - летательный аппарат

ВВЕДЕНИЕ

Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с каждым годом становится все более распространенным. Значительный интерес представляют БПЛА массой около 10 кг, которые успешно решают задачи гражданского и военного назначения и получили наименование малоразмерные БПЛА (МБПЛА) [1].

МБПЛА решают задачи разведки и наведения, а также выполняют роль подвижной мишени на учениях. Благодаря высоким тактико-техническим характеристикам и низкой стоимости в гражданском применении МБПЛА эффективно решают широкий круг задач, среди которых можно выделить контроль систем коммуникаций нефтегазовой промышленности, картография, гравиметрия, а также проводят мониторинг сельхозугодий и чрезвычайных техногенных ситуаций [2, 3].

Решение перечисленных задач наиболее эффективно обеспечивается МБПЛА, функционирующими в автоматическом режиме [4,5]. Это обеспечивается системой автоматического управления (САУ), необходимыми элементами которой являются информационно-измерительная (ИИС) и управляющая системы (УС) . ИИС включает навигационную систему и систему ориентации, УС - вычислительное, преобразующее и исполнительные устройства. Ввиду жестких ограничений на массу полезной нагрузки, ИИС МБПЛА, как правило, строится на микромеханических гироскопах (ММГ) и акселерометрах (ММА), магниторезистивных датчиках магнитного поля, баровысотомере, датчике воздушной скорости, приемнике ОР8/ГЛОНАСС, которые обладают приемлемыми массогабаритными характеристикам.

УС обеспечивает: автоматический полет по заданному маршруту: взлет и заход на посадку; поддержание заданной высоты и скорости полета; стабилизацию углов ориентации, программное управление бортовыми системами (стабилизация видеокамеры, синхронизированное по времени и координатам срабатывание затвора фотоаппарата, сброс груза или физико-химический анализ атмосферы и земной поверхности, др.). Для обеспечения автоматического полета

по заданной траектории УС снабжено устройством памяти, в которую заносят параметры поворотных пунктов маршрута (ППМ): координаты, высота прохождения и скорость полета, регистрируемые ИИС. УС обеспечивает также передачу телеметрической информации на наземные пункты контроля и управления.

На сегодняшний день существующие информационно-измерительные и управляющие системы (ИИиУС) не позволяют обеспечить необходимую точность движения МБПЛА при решении целевой задачи из-за несогласованности характеристик ИИС и МБПЛА. Более того, не существует опубликованной методики разработки ИИиУС МБПЛА, охватывающей необходимые проектные процедуры и проектные решения. Видимо, подобная информация является коммерческой тайной, недоступной для разработчиков новых типов ИИиУС МБПЛА, что определяет актуальность разработки методики системного проектирования ИИиУС целевых МБПЛА.

Разработкой и производством ИИиУС МБПЛА в России занимаются ряд предприятий гражданской и военной направленности, например ФГУП ОКБ «Электроавтоматика им. П.А. Ефимова» (г. Санкт-Петербург), ЗАО «НТЦ Рисса» (г. Москва), ОАО «ОКБ «Сокол» (г. Казань), ЗАО «Эникс» (г. Казань), ООО «Беспилотные аппараты» (г. Ижевск) и др. [6, 7, 8, 9,10]

Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: A.B. Бабиченко, В.А. Боднера, В.Н. Бранца, A.B. Валиева, К.К. Веремеенко, A.B. Корнушенко, М.Н. Красильникова, Д.П. Лукьянова, Л.П. Несенкжа, Б.Н. Окоемова, П.П. Парамонова, В.Г. Пешехонова, П.К. Плотникова, И.И. Помыкаева, В.Я. Распопова, Ю.И. Сабо, О.С. Салычева, Л.А. Северова, В.М. Солдаткина, O.A. Степанова, С.П. Тимошенкова, А.И. Черноморского, Н.В. Чистякова, Е.А. Чуманкина, И.П. Шмыглевского, M.J. Caruso, T.R. Fried, J.E. Lenz и др.

Объектом исследования является ИИиУС МБПЛА.

Предметом исследования являются математические модели каналов ИИиУС, алгоритмы их работы, способы повышения их точности и проектные процедуры САУ МБПЛА.

Целью работы является разработка ИИиУС МБПЛА повышенной точности, а также методики проектирования САУ МБПЛА.

Методы исследований: В работе использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением теории случайных процессов, теории оптимальной фильтрации, теории систем, математического моделирования с применением ЭВМ, физического моделирования в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна работы:

1. Математическая модель погрешностей ИИС, позволяющая проводить анализ влияния погрешностей каналов ИИС на результирующую погрешность системы.

2. Способ повышения точности ИИС за счет компенсации линейных ускорений, возникающих в процессе движения МБПЛА.

3. Методика проектирования ИИиУС МБПЛА

Практическая ценность заключается в следующем:

1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее оптимизировать проектные процедуры САУ, подтвержденные результатами имитационного моделирования, лабораторных и летных испытаний опытных образцов.

2. Разработан способ виртуальной продувки, позволяющий с достаточной точностью определять значения аэродинамических коэффициентов МБПЛА.

3. Разработан способ оценки влияния линейных ускорений на точность ИИС, основанный на применении передаточных функций линеаризованной модели системы при движении на эталонных режимах полета.

4. Разработан способ определения оптимальных значений коэффициентов автопилота в виде функционалов, зависящих от воздушной скорости.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования реализованы при выполнении грантов: №130903 «Разработка учебного БЛА», №131002 «Анализ функционирования микромеханических гироскопов и акселерометров в контуре информационно-вычислительной системы беспилотного летательного аппарата» и программы УМНИК -2011, договор №10022р/16818, а также внедрены при разработке систем стабилизации обзорно-прицельных систем для объектов с линейным перемещением центра тяжести, что подтверждается соответствующим актом внедрения (Приложение 8).

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в учебно-методический комплекс «Расчетный и лабораторный практикум по микросистемной авионике» [34] и опубликованы в соавторстве в коллективной монографии «Микросистемы ориентации беспилотных летательных аппаратов» [11].

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах, конференциях и выставках: XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», (март 2010, г. С.-Петербург), на которой был отмечен дипломом II степени; Всероссийской научно-технической конференции «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», (2011, г. Тула), на которой был отмечен дипломом II степени; V-ой молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации», (2010, г. Тула), на которой был отмечен дипломом I степени; XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», (март 2012, г. С.-Петербург), на которой был отмечен дипломом III степени; VI-ой молодежной научно-практической конференции ТулГУ «Молодежные инновации», (2011, г. Тула); IV-ой общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», (2012, г. С.-Петербург); IV - ой магистерской научно-технической конференции Тульского государственного университета, (2009, г.

Тула); Научно-технической выставке «Творчество молодежи» (2010, г. Тула); а также основные результаты диссертации были удостоены следующих поощрений: благодарственная грамота от Института высокоточных систем им. В. П. Грязева за высокие результаты в науке, (2010, г. Тула); проект, основанный на результатах работы, был удостоен благодарственного письма от Тульской Областной Думы за высокие результаты в науке, (2012, г. Тула).

Проект, основанный на результатах диссертации, стал призёром регионального конкурса УМНИК 2011.

Содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах, в том числе в 5 периодических изданиях рекомендованных ВАК, а также в патенте РФ на полезную модель.

Достоверность теоретических положений и разработанных математических моделей подтверждены согласованностью результатов математического моделирования и экспериментальных исследованиях МБПЛА в лабораторных и летных условиях на опытных образцах ИИиУС.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и восьми приложений. Основная часть изложена на 121 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 25 таблиц. Список используемой литературы содержит 63 наименования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель погрешностей ИИС, позволяющая проводить анализ влияния погрешностей каналов ИИС на результирующую погрешность системы.

2. Способ повышения точности ИИС за счет компенсации линейных ускорений, возникающих в процессе движения МБПЛА.

3. Методика проектирования ИИиУС МБПЛА.

ГЛАВА 1 МАЛОРАЗМЕРНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ - ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Для повышения качества и надежности МБПЛА необходимо проводить множество испытаний для определения их аэродинамических и тяговых характеристик. Для МБПЛА они могут значительно отличаться от образца к образцу или в процессе эксплуатации, что не позволяет переложить уже существующие разработки систем управления более габаритных ЛА на МБПЛА.

Анализ существующих работ [11, 12] показал возможность использования в качестве планера МБПЛА готовые авиамодели. Внешний вид некоторых исследуемых летательных аппаратов приведен на рисунке 1.

а)

Размах крыла: 1,63 м Размах крыла: 1,25 м

Размах крыла: 0,87 м Размах крыла: 1,41 м

Рисунок 1.1 -Внешний вид исследуемых авиамоделей:

а - авиамодель ЕШТМО, б - авиамодель ЕАБУСиВ, в - авиамодель БЕВАМ, г - авиомодель Шртах, д - авиомодель Соо1а, е - авиомодель Т\ут81аг11

1.1 Системы координат

БПЛА будем рассматривать как твердое неупругое тело, совершающее сложное движение - движение центра масс и движение вокруг центра масс. Для определения положения БПЛА будем применять следующие системы координат по ГОСТ 20058-80 [13]:

- нормальная система координат ОХ' ось которой ОУ^ направлена

вверх по местной вертикали, ось ОХ направлена по касательной к меридиану на север, ось 02^ - по касательной к параллели на восток;

- связанная система координат ОХУ2 с началом в центре масс БПЛА, оси которой направлены по главным осям инерции: ось ОХ направлена от хвостовой к носовой части БПЛА; ось ОУ располагается в плоскости симметрии БПЛА и направлена вверх; ось 02 - перпендикулярна плоскости симметрии БПЛА и направлена в сторону правого крыла (рис. 1.2).

- скоростная система координат ОХаУа1а с началом в центре масс БПЛА, ось ОХа которой направлена по вектору скорости V, ось ОУа в плоскости симметрии, ось 02а дополняет первые две оси до правой системы координат.

а) б)

Рисунок 1.2 - Системы координат: а - нормальная и связанная; б -

связанная и скоростная Положение связанной системы ОХУ2 по отношению к нормальной системе ОХ^У^^ характеризуется углами рыскания \|у, тангажа 0 и крена у (рис. 1.2а).

Положение вектора воздушной скорости V относительно связанной системы ОХУ2 характеризуется углами атаки а и скольжения Р (рис. 1.26).

1.2 Уравнения движения

Общее движение летательного аппарата, как твердого тела, может быть описано дифференциальными уравнениями в векторной форме [14]:

^ + ю х V1 = И;

J (1.1)

т<

Л

Ж

Л

-ншхК = М,

где V - вектор скорости центра масс; I*. - вектор внешних сил; М - главный момент внешних сил; К - момент количества дв�