автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система пирометрического типа для малоразмерного беспилотного летательного аппарата (БПЛА)

Товкач Сергей Евгеньевич

На правах рукописи

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (БПЛА)

Специальность 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы» (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 8 ОКТ 2010

Тула-2010

004611943

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Распопов Владимир Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Панарин Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Солдаткин Владимир Михайлович

Ведущая организация: ОКБ "Электроавтоматика", г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « 25 » октября 2010 года в 14® часов н. заседании диссертационного совета Д 212.271.07 при ГОУ ВПО «ТульскиГ государственный университет» по адресу: 300012, Тула, проспект им. Ленина, 92, 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульскогс государственного университета (300012, Тула, проспект им. Ленина, 92).

Автореферат разослан « 24 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ф.А. Данилкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России, как и за рубежом, стремительно развивается новое направление науки и техники - разработка миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (мини- и микро-БПЛА) и авионики для них. Первым подобным мини-БПЛА стал американский «Pointer» («Указатель»), построенный по авиамодельной технологии, с размахом крыльев около 2-х метров, снабжённый чёрно-белой видеокамерой и запускаемый с руки. В различных модификациях «Pointen выпускался в США в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Аналогичным ему является отечественный комплекс БПЛА «Пчела», разработка которого началась несколько ранее.

Хотя тяжёлые и дорогие БПЛА аэродромного базирования по-прежнему развиваются и производятся (примерами могут служить американский «Global Hawk», применявшийся в войне с Грузией (на стороне Грузии) израильский «Hermes-450», а также отечественные Ту-243 «Рейс-Д», Ту-300 «Коршун-У»), основная масса выпускаемых в мире и набирающих популярность БПЛА относится к классу мини (взлётная масса около 10 кг) и микро (взлётная масса до 5 кг) БПЛА. Работающие в Ираке солдаты армии США имеют комплекс «Dragon Eye» («Глаз Дракона») почти в каждом отряде. Благодаря малому размеру, изготовлению из композитов и применению электрических двигателей такие БПЛА имеют минимальную визуальную, радио и акустическую заметность, что делает их неуязвимыми для стрелкового и зенитно-ракетного вооружения. Это позволяет мини-БПЛА летать ниже, а значит, иметь на борту более простую и дешёвую видеоаппаратуру (или иную полезную нагрузку). Стоимость такого БПЛА приближается к стоимости артиллерийского снаряда, что позволяет не жалеть БПЛА, добывая разведданные ценой его «жизни» или отправляя БПЛА «в один конец» на максимальную дальность для наведения по его показаниям артиллерии, ракет или пехоты. Но главным достоинством мини и микро-БПЛА является независимость от взлётных полос. Такие БПЛА запускаются с руки (изредка с катапульты, установленной на легковом автомобиле), садятся на неподготовленную поверхность (в снег или траву) и в разобранном виде могут переноситься одним-двумя пехотинцами в рюкзаках. В современной армии, действующей малыми высокомобильными группами, это свойство нельзя переоценить.

Мини-БПЛА также обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолёты для фермеров Yamaha ЯМАХ. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями (например, кампанией «Фруктовый Сад», ФГОУ ВПО МичГАУ и др.).

Стремительно развивающееся направление мини- и микро-БПЛА требует разработки информационно-измерительных систем (ИИС), необходимых для определения параметров ориентации БПЛА в пространстве, построенных на различных физических принципах. Развитие микросистемной техники, в частности появление микромеханических акселерометров (ММА) и гироскопов (ММГ), позволяет создавать малогабаритные ИИС ориентации, обладающие малыми массой

и габаритами, например бесплатформенные системы ориентации (БСО). Однако вс ММГ и ММА (и российские, и зарубежные) все еще уступают по точности i шумовым характеристикам обычным гироскопам и акселерометрам. Кроме того они обладают нарастающей погрешностью в автономном режиме работы (бе коррекции по ММА или сигналам спутниковой навигационной системы, входящсГ обычно в состав БСО), что вынуждает искать альтернативные способы построени систем ориентации (СО) или коррекции БСО. Одним из таких способов являете; пирометрический метод ориентации.

Идея применения пирометрического датчика горизонта внутри атмосфер!. Земли на летательных аппаратах (JIA) была впервые высказана в патенте США №6,181,989, зарегистрированном 30 января 2001г. В патенте описан принцип определения углового положения по разности температур Земли и небосвода, расположение пирометров вдоль строительных осей ЛА и простейшая формул вычисления углового положения по показаниям датчиков. Патент, очевидно, нацелен на коммерческую защиту результата исследований и не отражает в достаточной мере сведений, необходимых для повторения и улучшения конструкции пирометрической вертикали (ПВ). Одновременно, с 2001 года, фирмой FMA Inc (США, Мериленд), со ссылкой на упомянутый патент, выпускается авиамодельный автопилот «Co-Pilot CPD4v> с пирометрическим датчиком, предназначенный для обучения начинающих авиамоделистов, а с августа 2007 года полиция провинции Онтарио (Канада) использует БПЛА FIU-301 с ПВ этой же фирмы. Также на рынках США и Европы присутствуют различные автопилоты частных фирм с ПВ, предназначенные для использования как на авиамоделях, так и на БПЛА (ArduPilot, Paparazzi UAS, RangeVideo FPV и др.). Разумеется, принципов функционирования своих изделий они также не раскрывают, но растущий интерес к ПВ за рубежом очевиден.

В современной России существует как минимум 7 частных фирм, позиционирующих себя как производители БПЛА. Среди них концерн Вега, ТеКнол, Zala, Иркут, Транзас, Аэрокон, Новик XXI век. Продукция этих фирм охватывает БПЛА массой от 0,25кг («Инспектор К-01» производства Аэрокон) до 640кг («Дозор-600» производства Транзас), но ни один из серийно выпускаемых в РФ БПЛА не содержит в своём составе СО с пирометрическими датчиками. Также перечисленные фирмы не публикуют материалов об устройстве и конструкции своих БПЛА (за малым исключением НПКЦ "Новик XXI век") и данная тематика недостаточно отражена в отечественной научно-технической литературе;

Аппаратная простота и дешевизна пирометров, их высокая чувствительность, малый вес, возможность работы при больших линейных и угловых ускорениях, отсутствие накапливаемой во времени погрешности измерения и практически мгновенное время готовности делает идею использовать данные датчики для определения параметров ориентации мини- и микро-БПЛА весьма привлекательной. Поэтому задача исследования пирометрических информационно-измерительных и управляющих систем мини- и микро-БПЛА представляется весьма актуальной. Актуальной является также задача разработки концепции современного мини- и микро-БПЛА на базе ПВ, пригодного для военной и гражданской сфер применения, а также методики проектирования такого БПЛА.

Объектом исследования является малоразмерная ИИС пирометрического типа для определения углов тангажа и крена БПЛА.

Предметом исследования являются математические описания, алгоритмы функционирования, способы повышения точности и проектировочные зависимости ИИС пирометрического типа для определения параметров ориентации БПЛА.

Целью работы является разработка теоретических основ проектирования микросистемной авионики микро- и мини-БПЛА, включающих вывод концепции и методики проектирования авионики с учётом аэродинамических характеристик планера БПЛА и характеристик ИИС пирометрического типа.

Методы исследований. Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением аналитических методов, теории генетического программирования и генетических алгоритмов, теории оптимальной фильтрации, методов математического моделирования с применением ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях и натурных экспериментов.

Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Барабанова A.A., Валиева A.B., Веремеенко К.К., Измайлова Е.А., Корнушенко A.B., Красильщикова М.Н., Лебедева Г.Н., Лохина В.М., Панарина В.М., Парамонова П.П., Распопова В.Я., Сабо Ю.И., Салычева О.С., Себрякова Г.Г., Северова Л.А., Солдаткина В.М., Степанова O.A., Сушкевич Т.А., Тимошенкова С.П., Федосова Е.А., Чистякова Н.В., Caruso M.J., Cocatre-Zilgiert J-H., Gwozdecki J-A., Lowrance C-J., Taylor В. и др.

Научная новизна работы:

1. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиента; зависимость градиента от погодных условий; экспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ).

5. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в разработке теоретических основ построения, математического описания, алгоритмов функционирования и способов повышения точности ИИС пирометрического типа для определения параметров ориентации БПЛА. Полученные в работе математические модели и методы комплексирования могут быть использованы для оценки точности ИИС пирометрического типа и при проектировании таких систем. Разработано два прототипа ИИС пирометрического типа и комплект авионики для работы в составе учебного БПЛА (УБПЛА), созданного и внедрённого в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по

специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «Аэрокосмические методы зондирования земной поверхности».

Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XVI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», сентябрь 2007г. Крым, г. Алушта; Конференции 2-го Московского международного форума «Беспилотные многоцелевые комплексы в интересах ТЭК» «иУ8-ТЕСН 2008» январь 2008г., Москва; XV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 26-28 мая 2008г., г. Санкт-Петербург; I Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины», апрель 2009г., г. Москва, МГТУ «МАМИ»; III международной выставке-Интернет-конференции «энергообеспечение и строительство», ноябрь 2009г, г. Орёл; XVII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, 31 мая - 2 июня 2010г., г. Санкт-Петербург;

Содержание диссертационной работы отражено в 18 печатных работах, в том числе в 4 периодических изданиях из перечня рекомендованных ВАК.

Достоверность теоретических положений и результатов моделирования подтверждена экспериментальными исследованиями макетного образца ИИС пирометрического типа на борту БПЛА.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из списка условных сокращений, введения, трёх глав, заключения, списка использованных источников и четырёх приложений. Основная часть изложена на 171 странице машинописного текста, содержит 92 рисунка, 17 таблиц и 20 страниц приложений. Список использованных источников содержит 123 наименования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция ИМА современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

5. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиента; зависимость градиента от погодных условий) экспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

В первой главе обобщены и систематизированы основные сведения о состоянии вопроса в области создания и использования микро- и мини-БПЛА, ИИС пирометрического типа и комплексированных СО различного типа.

Рассмотрены различные аэродинамические схемы БПЛА и выдвинута концепция авионики БПЛА на базе ИМА, инвариантной к её составу. Организация такой ИМА подразумевает работу модулей по принципу сети, где каждый модуль может быть концентратором. Подобно системе «plug and play», привычной на персональных компьютерах (ПК), при включении питания модули опрашивают друг друга на предмет функционального назначения и возможностей и конфигурируются исходя из располагаемых ресурсов. ИМА позволяет конечному пользователю самостоятельно формировать состав автопилота (АП) своего БПЛА не имея для этого специальных знаний, что поможет внедрению БПЛА в гражданской сфере.

Выработаны основные концептуальные различия военного и гражданского БПЛА, намечены пути создания гражданского БПЛА для сельского хозяйства.

Проведен анализ способов угловой ориентации, управления полётом, навигации, полёта по точкам, режимов управления и вариантов организации АП современных БПЛА. Проведен анализ существующих СО мини- и микро-БПЛА, доказана перспективность пирометрических СО и актуальность работы над ними.

Во второй главе определяется принцип работы ПВ и размещение пирометров на БПЛА (рис. 1). Принцип действия ПВ основан на измерении вертикального распределения разности температур небосвода и Земли, имеющей минимум в зените и максимум в надире, разница между которыми является температурным градиентом (grad). В ясные дни значение градиента достигает 40 град. Цельсия, а в пасмурные может снижаться до 1 град. Цельсия.

б)

Холодное небо, ~ -25 град.

\

+3

V

к

-18

Тёплая Земля, ~ +10 град.

Рис. 1. Принцип работы ПВ: а - принципиальная схема размещения пирометров, б - полёт БПЛА на уровне горизонта

Если БПЛА летит горизонтально, все датчики находятся в плоскости горизонта, «видят» одинаковую тепловую картину и выходные напряжения диаметрально противоположных датчиков равны, то есть, согласно (рис. 1а):

и0м1 - и^ав = ира,2 ~ и0а(4 = 0,

где иоаи(х = 1,2,3,4) - выходные напряжения датчиков соответственно.

Если БПЛА накренить на N градусов, датчик £><#/ будет «видеть» А% Земли и Б% неба (отношение зависит от высоты), а датчик Оа13 наоборот, А% неба и Б% Земли (рис. 16). Средняя температура области зрения каждого датчика будет различной, что приведёт к рассогласованию выходных напряжений пары датчиков £>аг7 и Па13, которое преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно

поперечной оси. Аналогично, рассогласование сигналов пары датчиков Ба12 и Баг4 преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно продольной оси.

Определены требования к применяемым пирометрам и приведён обзор выпускаемых промышленностью на момент написания работы пирометров, а также зависимость температурного градиента зенит/надир в диапазоне длин волн чувствительности пирометров (8-14 мкм) от времени года, температуры воздуха и прочих факторов (табл. 1).

Погодные условия Температура воздуха, "С Разница температур земля/зенит, °С Точность работы ПВ

Ясная зимняя ночь, нулевая облачность -15 32 Высокая

Солнечный зимний день, нулевая облачность -10 20 Высокая

Пасмурный зимний день, низкая снеговая облачность -2 1,5 Низкая

Пасмурный зимний день, туман, низкая облачность 0 1 Не работает

Солнечный летний день, нулевая облачность +25 40 Очень высокая

Начало ноября, солнечный день, лёгкая облачность +5 19 Средняя

Расчёт по формуле Вина показывает, что температуру в интервале от -65 до +100 градусов Цельсия формируют фотоны инфракрасного (ИК) диапазона с длиной волны в периоде от 14 до 8 мкм соответственно. Диапазон 14—8 мкм интересен тем, что температуры от -65 до +100 градусов Цельсия обычны для Земли и в нём находится область чувствительности пирометров, выпускаемых серийно промышленностью многих стран для дистанционного измерения температуры, что облегчает задачу построения ПВ. Захват участка длин волн более 14 мкм приведёт к росту в сигнале пирометра систематической погрешности от излучения углекислого газа, а захват участка ниже 7,5 мкм приведёт к росту случайной погрешности от излучения переменчивой по свойствам воды. Солнце не излучает в диапазоне 8-14 мкм и не оказывает (напрямую) влияние на работу ПВ. Угол обзора пирометра должен составлять величину ±90 градусов, что обеспечивает зависимость выходного сигнала ПВ от угла наклона относительно горизонта по гармоническому закону, согласно закону Ламберта.

Экспериментально получена шумовая характеристика ПВ в зависимости от градиента (табл. 2) и определены значения глубины цифрового фильтра «скользящего среднего» для подавления шумовой составляющей сигнала ПВ. На основании проведённого исследования были разработаны два прототипа ПВ - с четырьмя и с шестью пирометрами. ПВ первого типа имеет 4 пирометра, расположенные в горизонтальной плоскости. Данную конструкцию отличает простота и дешевизна, но одновременное ограничение предельных углов крена и тангажа на уровне ±30 градусов (за этим значением наблюдается существенная

погрешность) относительно положения равновесия. Показания противоположно направленных пирометров при нахождении с одинаковым углом относительно истинной географической вертикали в 1-3 и 2-4 квадрантах будут одинаковы, что делает невозможным определение крена в диапазоне ±180 градусов.

Таблица 2. Шумовая характеристика ПВ в зависимости от значения градиента

Размер фильтра, выборки Градиент, "С Шум ПВ от полной шкалы (градиента)

8 grad > 20 <1%

16 10 < grad <20 1%

32 5 < grad < 10 5%

64 1,5 < grad <5 10%

лететь нельзя grad < 1,5 >15%

Для проведения стартовой калибровки (определения текущего градиента зенит/надир) БПЛА с установленной ПВ необходимо переворачивать по крену и тангажу на угол 90 градусов и фиксировать показания датчиков в этом положении. Простейшими формулами для определения углов крена и тангажа являются:

7 =

(.и,

_ VDalí

■и,

Q _ (Upal2 _ UПси4

)-90

О)

где: Uва,х - текущее выходное напряжение датчиков, UDa,x_max - напряжения датчиков при расположении их вертикально (значение градиента), 90 - диапазон допустимых углов крена/тангажа (градусы), у - угол крена, 0 - угол тангажа.

Нетрудно

рассчитать, что при условии равенства Uoatx соответствующим Uoaix mu (1) «вернёт» ±90 градусов, а при условии равности показаний диаметрально противоположных датчиков (1) «вернёт» ноль. Это свойство (1) очень важно, т.к. с увеличением высоты процентное соотношение видимой части Земли и неба смещается в сторону неба, снижается влияние фоновых засветок от зданий и деревьев, в итоге температура уровня горизонта (при горизонтальном полёте) также будет меняться. В знаменателе (1) ноль исключён, т.к. даже в плотном тумане температуры зенита и надира немного отличаются.

Формулы (1) не учитывают синусоидальную рабочую характеристику ПВ, однако в диапазоне ±30 градусов это не оказывает значительного влияния на общую погрешность ПВ с четырьмя датчиками. Для БПЛА на базе устойчивых планеров, где не требуется высокое качество стабилизации (постановщики радиопомех, ретрансляторы и т.п.), ПВ с четырьмя датчиками может найти широкое применение за счёт меньшей стоимости как самой ПВ, так и обслуживающего ПВ микроконтроллера в силу невысокой вычислительной ресурсоёмкости (1).

ПВ с шестью датчиками, где два пирометра (Dató и Dat5) стоят вертикально, позволяют определять углы крена и тангажа в полном диапазоне. БПЛА с такой ПВ уже не нужно переворачивать для калибровки и в полёте возможен учёт меняющегося градиента. Введём обозначения:

ьиг=иВаЛ-ишъ,

=uDal2 -uDali,

*us=uDa¡5-uDal6.

При вращении ПВ с шестью датчиками по крену (нумерация горизонтальных датчиков согласно рис. 1а) сила излучения, воздействующая на пирометры Dató и Dat5 (hs), будет уменьшаться и ДUg изменяться от 1 до 0 по косинусоидальной

9

зависимости, в то время как сила излучения, воздействующая на пирометры ОшЗ и (/31), будет увеличиваться и Д£/у изменяться от 0 до 1 по синусоидальной зависимости. В этом случае справедливо соотношение:

этО)

^-¡31

Д£/.

соб(^)

= tg{y),

откуда углы крена и тангажа могут быть получены из следующих формул:

г . ,, л / - _ л

у = агс1ап

А и

г

А и„

в = агс1ап

Щ, А и.

(2)

я /

Формулы (2) не учитывают взаимовлияния углов крена и тангажа друг на друга и могут использоваться на БПЛА с раздельной стабилизацией крена и тангажа. Например, известно, что хорошо спроектированный и уравновешенный ЛА не требует стабилизации по тангажу.

Устранить недостаток взаимовлияния углов крена и тангажа позволяют формулы для трёхосевого акселерометра. Действительный модуль вектора градиента при любом положении БПЛА может быть определён как:

/дг72+дсл,2+дг/А

Тогда углы крена и тангажа вычисляются по формулам:

у = агс1ап

Д£/

А/7,

, в = агсэт

я /

ьив

(3)

Формулы (2) и (3) подразумевают гармоническую характеристику изменения напряжения соответствующих осей чувствительности ПВ. Однако реальная характеристика ПВ отличается от гармонической (рис. 2).

70

.=• 60 с4

СИ 50

Р

< 40

30 20 10 О

" ^ \

У

г \

2 ч 1

у \

/ \

V \

У 1 \ \

/

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Угол крена у, град.

Рис. 2. Рабочая характеристика ПВ по каналу Д(У81, совмещённая с графиком соз(у) 2 10

Наложение на рабочую характеристику ПВ графика косинуса угла крена показывает почти полное совпадение до значения 40 градусов, после которого наблюдается расхождение графиков, что приводит к погрешностям вычисления углов крена и тангажа на значениях, превышающих 40 градусов. До 40 градусов рабочую характеристику ПВ справедливо считать гармонической.

Модель ПВ (по каналу AL/g) в упрощённом виде:

U (а) = K(cos(a) - F (а)) + An, (4)

где: К - масштабный коэффициент, зависимый от градиента; F(a) - функция, определяющая расхождение U(а) и A'cos(a); An - шумовая погрешность; а - угол наклона.

По остальным каналам модель аналогична при условии замены cos(a) на sin(a).

Таким образом, погрешность определения углов ориентации в значительной мере зависит от величины расхождения (cos(a) - F(cc)) и может быть нейтрализована аппроксимацией F(а) до подобной функции F(а)аппр и введением её в модель как противовеса F(а) с противоположным знаком (противовесная функция). Для получения уравнения F(a)mnp по известной форме F(a) применяется один из математических способов аппроксимации. В работе применён метод генетического программирования (ГП). В отличие от других методов (например, метода наименьших квадратов) перебор решений в ГП последовательный и «осмысленный», подчинённый достижению вполне определённых целей. Данное свойство ГП может оказаться полезным при серийном производстве ПВ с автоматической юстировкой на стенде и вычислением противовесной функции ^(а)аппр индивидуально для каждой ПВ. ГП наилучшим образом приспособлено к задаче аппроксимации кривых без участия человека т.к. вероятность ошибки (принятия неверного решения) в ГП ниже, чем у других способов аппроксимации.

При формировании условий для получения F(a)annp задано допустимое отклонение F(a)annp от F(а) на уровне 5% и ограничены допустимые в искомом уравнении функции математические операции основными арифметическими операциями (+, -, *, /) для снижения вычислительной нагрузки на микроконтроллер ПВ. В итоге получено уравнение:

ч _ -9,113 + 0,028« + б,156-Ю"3«2

F(a)„m,„= 9,574 + --г--J—Z-—-=—г.

1-4,430-10 «-6,404-10 <зг + 3,126-10 аг +1,315-10 ¿¡г

Рабочая характеристика 1 (рис. 2) теперь может быть приведена к форме косинуса следующим образом:

KU{a)amp=K{U{a) + F{aXnnp).

На рис. 3 представлен результат наложения графика данной функции на график идеального косинуса.

Экспериментальная статическая характеристика точности определения ПВ с четырьмя и с шестью пирометрами углов крена и тангажа показывает, что при горизонтальном положении в показаниях ПВ практически отсутствует систематическая составляющая и погрешность определяется шумовой составляющей. При росте угла крена или тангажа к шумовой составляющей прибавляется погрешность, вызванная нелинейностью характеристики датчика, достигающая значения 10 градусов на отметке 45 градусов для ПВ с четырьмя датчиками (вычисления произведены по (1)), а в диапазоне 0..30 градусов не

превышающая 1,1 град. Для ПВ с шестью датчиками погрешность не превышает 1 градуса на отметке 45 градусов, а в диапазоне 0..30 градусов - 0,9 градус Вычисления производились по (3) с введением коррекции по F(a)aimp.

100

90

«

¡2.

S 60

в

я 50

3

ЭН 40 О Я

4 30 о

к

10 о

-80 -70 -«0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 SO

Угол наклонения а, град.

Рис. 3. Рабочая характеристика ПВ t/(а)аппр 1, совмещённая с графиком cos(a) 2

Общий анализ результатов экспериментов показывает, что в диапазоне угло крена и тангажа 0..30 градусов пропорциональный метод вычисления (1 незначительно проигрывает тригонометрическому (3) в точности при существенн меньших необходимых вычислительных ресурсах для своей реализации. Основно преимущество тригонометрического метода остаётся в снятии ограничен! допустимых углов крена/тангажа значением 30 градусов и расширени возможностей ПВ в части определения угла крена в диапазоне ±180 градусов.

Недостатком всех типов ПВ является невозможность измерения угла курса, устраняемая введением трёхосевого магнитометра, оси чувствительности которого параллельны осям чувствительности ПВ. Вектор напряжённости магнитного поля Земли (Н) разложен на оси чувствительности магнитометра тремя проекциями X, Y, Z. Для приведения разложений в плоскость горизонта применяются уравнения вращения:

X' = X ■ cos(y) + Г • sin(0) ■ sinO) - Z • cos(<?) ■ sin(r);

V' = K- cos(&) + Z • sin(0), где X', Y' - горизонтальные составляющие вектора Я.

Угол магнитного курса Ч* при любых значениях 0 и у:

4, = arctan(i"/X'). (5)

Разработанный прототип ПВ с 6 пирометрами имеет в своём составе магнитометр и данное решение защищено патентом на полезную модель №96950 от 20.08.2010г.

Ещё одним недостатком ПВ является невозможность работы в условиях отсутствия видимой линии горизонта (при полётах в глубоких ущельях, тоннелях, улицах города) и неравномерной тепловой картины по разные стороны от БПЛА

(например, когда справа лесной пожар, слева - холодное море). Также ПВ неспособна формировать угловые скорости и ускорения БПЛА (только путём дифференцирования углов ориентации по времени), что ограничивает количество типов законов регулирования, реализация которых возможна в АП на базе ПВ. Исправить это можно введением в состав ПВ двухосевого или трёхосевого датчика угловой скорости (ДУС) и комплексированием их показаний.

Комплексирование проводилось с помощью фильтра Калмана (ФК) по схеме глубокого комплексирования способом фильтрации, при котором в блок прогноза вводятся проекции абсолютной угловой скорости на соответствующие оси связанной системы координат (шх, шу, со2), получаемые по ДУС, а в блок оценки -углы тангажа и крена, получаемые от ПВ. В этом случае, вектор измерения (ВИ) У:

'в' ~Ав~ Ч" Ч~

= + Ау +

У. Л. л.

где: 0, у — углы тангажа и крена соответственно, Д0, Ду - систематические составляющие погрешности, по, щ-шумовые составляющие.

При этом вектор состояния (ВС) X может содержать как сами углы тангажа и крена (в, у) (6), так и их тригонометрические функции (7).

(6)

"е"

х = У Х2

де х3

_Ду л.

где х, (г = 1..4) - компоненты ВС.

Х =

БШб V

Бтусоэб *2

СОБуСОБб =

де

Ду х*.

(7)

В случае использования ВС (7) связь между ВИ У и ВС X описывается приближённой зависимостью за счёт линеаризации вектора-функции Б(х):

агсзт(х,)+х4

агс1%

у

В случае же использования ВС (6) связь ВИ У и ВС X описывается точной линейной зависимостью:

в Ав пв Ч~

+ + =нх,+

у. А у л. л.

Однако матрица прогноза Ф зависит от ВС X (6) и вычисляется приближённо. Поэтому в ФК с ВС (6) используется приближённая запись (линеаризация) матрицы прогноза Ф и, следовательно, приближённое описание X во времени создаёт большие погрешности прогноза. Хотя по каналу наблюдения Я в этом случае

фильтр описывается линейной зависимостью У=НХ, значительные погрешнос прогноза нейтрализуют это преимущество. Матрица Я получается не квадратной хотя фильтр линейный, из уравнения У=НХ нельзя однозначно выделить X.

Вышесказанное подтверждают результаты математического моделирован работы комплексированной СО (рис. 4,5) для обоих видов ВС X: (6) и (7).

время, сек. Рис. 4. Уровень шума по крену при ВС вида (7)

время, сек. Рис. 5. Уровень шума по крену при ВС вида (6)

На рис. 6 показаны эталонный сигнал (график 1) и выходной сигнал ПВ (графи 2), вводимый в моделируемый ФК и сформированный на основани экспериментально полученных данных со следующими параметрами: пд и пу - 1, град., Д9 и Ду - 3 град. Углы крена и тангажа заданы равными 20 град.

Из рисунков 4 и 5 следует, что при ВС вида (7) оценка систематической составляющей погрешности ПВ занимает порядка 20 сек (рис. 4), после чего она устраняется. Шумовая

составляющая после этого составляет не более ±0,5 град.

При ВС вида (6) существенно увеличивается время оценки (почти в 2 раза) и сохраняется больший уровень шума (рис. 5) в установившемся режиме (до +1.8..-1,3 град.).

Основные параметры ФК погрешностей оценивания Ро,

100 время, сек. НО

Рис. 6. Образцовый 1 и входной 2 сигналы ФК

- начальные значения матриц ковариации ковариации шумов измерения Я, ковариации порождающих шумов Q и порождающих шумов Г - определены на основании теоретических исследований приведенных в диссертационной работе.

Таким образом в работе доказано, что ВС (7) обеспечивает лучшие (по сранению с ВС (6)) точностные характеристики комплексированной СО с ПВ.

ФК с ВС (7) был испытан в диапазоне углов тангажа и крена от 2,5 до 20 градусов и показал свою работоспособность во всём означенном диапазоне.

В диссертационной работе также предложен способ комплексирования ПВ и БСО (возвращающей уже не угловые скорости, как ДУС, а самостоятельно рассчитанные углы) по слабосвязанной схеме способом компенсации при помощи ФК, включённого по инвариантной схеме: оценке не углов, а погрешностей менее точной системы (БСО) по показаниям более точной (ПВ). Данный подход позволяет устранить систематическую составляющую в показаниях БСО, при этом сохранив низкой шумовую составляющую её сигнала. В этом случае ВС ФК X задаётся систематической составляющей погрешности БСО:

х = А0£СО _ V

бсо . *2.

Чтобы избежать матричных вычислений, целесообразно разделить каналы крена и тангажа, т.к. в этом случае ФК превращается в ФК первого порядка. При этом вместо одного вектора состояния используются два (по каналам тангажа и крена), а матрица прогноза Ф для обоих каналов равна единице. Блок оценки ФК описывается уравнением X, = Л"ы + К1 — ), где У, - вектор измерения. Тогда:

^ = Д6£С0> Ye = Аввсо +пАв,

хг=АГбсо- уг = ЬУбсо

Для данного ФК матрица порождающих шумов Г = 1 и имеет место установившийся режим - режим, при котором значение коэффициента передачи ФК сохраняется постоянным. В этом случае ФК может быть заменён дискретным фильтром Винера, что позволит избавиться от блока ковариации и снизить нагрузку на вычислительную систему БПЛА. Так как матрица ковариации шумов измерения R принята за константу, её значение необходимо задать перед началом вычисления, определив его согласно данным из табл. 2.

Результаты математического моделирования работы полученного фильтра Винера приведены на рис. 7. Моделирование проводилось при следующих параметрах, определенных на основании экспериментальных данных: систематическая составляющая погрешности ПВ принята равной 1 град., шумовая составляющая - ±1 град, систематическая погрешность БСО в начальный момент времени принята равной 0, случайная составляющая -±0,01 град.

Сигнал, после прохождения фильтра, (рис. 7, график 3) унаследовал достоинства комплексируемых систем - низкую шумовую составляющую сигнала БСО (снижена до ±0,4 град.) и неизменную систематическую составляющую сигнала ПВ (остаётся на первоначально заданном для ПВ уровне). Таким образом, при допущении пренебрежимо малых систематических составляющих погрешности ПВ (что является основным положительным свойством ПВ) фильтр Винера может расширить диапазон допустимых для полёта значений градиента (см. табл. 2) путём подавления шумовой составляющей сигнала ПВ, тем самым расширив диапазон допустимых для полёта погодных условий. Одновременно с этим, комплексирование ПВ и БСО позволяет получать значения действующих угловых скоростей непосредственно от ДУС БСО, а не дифференцировать для этого значения углов по ПВ или вовсе отказываться от использования угловых скоростей в АП.

О 20 40 60 80 100 120 1-Ю 560 150 200

Время, сек.

Рис. 7. График комплексирования по крену: 1 - угол крена по БСО; 2 - угол крена по пирометрической вертикали; 3 - полученный после комплексирования угол |

Резкое возрастание систематической погрешности по каналу ПВ может быт-вызвано внезапным появлением в поле зрения одного или нескольких пирометров мощной ИК помехи (взрыв, появившийся из-за препятствия пожар и т.п.). Оценка фильтром Винера подобной помехи занимает 0,5 сек., после чего выходной сигнг фильтра принимает значение помехи. Моделирование аналогичной ситуации дл схемы глубокого комплексирования способом фильтрации даёт резкое увеличение систематики до 18 градусов (при величине помехи, приводящей к систематического погрешности ПВ в 20 град.) и дальнейшую оценку ФК в течение более чем 1000 сек,, что также неприемлемо. Улучшить реакцию ФК на помехи по каналу ПВ можно) введением независимой оценки разности измерения и прогноза.

После выхода ФК на режим (см. рис. 4) можно утверждать, что прогноз истинный. Тогда при резком изменении измерения возникнет разница: I

(Уг-ВД)>А (8)

где В задаётся исходя из динамики БПЛА.

Причём можно утверждать, что разность (8) спровоцирована не погрешностью прогноза по оцениваемым углам, а погрешностью прогноза по систематической составляющей. Так как значение В выбирается значительно превосходящим динамические возможности БПЛА в дискрете измерения, можно также утверждать, что выполнение неравенства (8) произошло не в результате изменения углового положения БПЛА или погрешности ДУС. Поэтому целесообразно при выполнении | (8) эквивалентно изменению измерения У, увеличить значение диагонального элемента матрицы ковариации погрешностей прогноза ФК.~ Моделирование такого ФК для В=5 град, показало, что систематическая составляющая погрешности в момент появления означенной выше помехи не поднимается выше 1 градуса и в значительной мере устраняется в течение 20 сек. после её воздействия.

Получено положительное решение (от 13.07.10г.) на выдачу патента на полезную модель комплексированной системы ПВ-ДУС по заявке №2010110360 от 18.03.10г. «Пирометрическая вертикаль», Товкач С.Е., Распопов В.Я.

Третья глава посвящена методике проектирования системы «БПЛА-автопилот» с учётом аэродинамических коэффициентов планера БПЛА (для чего создаётся ЗБ модель планера и осуществляется его виртуальная «продувка» с помощью математического пакета Зо/нЛуогАя), динамических характеристик рулевого привода и параметров ПВ. Анализ методики произведён на примере четырёх различных авиамоделей самолётной схемы, выполненных из разных материалов (элапор, пенопласт, бальза).

После определения параметров передаточных функций планера БПЛА и рулевого привода по каждому из каналов управления осуществлено моделирование реакции системы «БПЛА-автопилот» на возмущающие воздействия и аналитически подобраны оптимальные коэффициенты передачи АП по углу и угловой скорости в математическом пакете тайаЪ.

Натурные (лётные) испытания системы «БПЛА-автопилот» проводились в вариантах с коэффициентами передачи, подобранными экспериментально по результатам нескольких полётов (рис. 8), и с коэффициентами, полученными методом ЗБ моделирования (рис. 9). Качество стабилизации для второго случая (рис. 9) очевидно лучше. Для угла тангажа результаты аналогичны. Таким образом, аналитический метод получения коэффициентов АП системы «БПЛА-автопилот» доказал свою работоспособность и высокое качество получаемого результата.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях приведены имитационные модели ПВ и БСО, описанные в диссертации, фотографии экспериментов, фотографии и принципиальные электрические схемы ПВ и комплекса разработанной авионики БПЛА, фотографии созданного (на основе проведённого в диссертации исследования) учебного БПЛА и фотографии с его борта, а также акт внедрения, протокол испытания разработанного БПЛА с ПВ в составе, копии патента и положительного решения на выдачу патента.

40

и

ч о

ч а а.

3

2

1

иг

-10

-20

-30

■^автоматический режим>

200 220 240 260 280 300 320 340

Время, сек.

Рис. 8. Запись угла крена в режиме автоматического удержания АП с экспериментально полученными коэффициентами

1 /1 1

1 1 < автоматический режим > • 1 1 1 1

570 575 580 585 590 595 600 605 610

Время, сек.

Рис. 9. Запись угла крена в режиме автоматического удержания АП с аналитически полученными коэффициентами

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведенных в рамках диссертационной работы исследовани получены следующие основные результаты.

1. Разработана концепция ИМА с двуядерным вычислителем, на основе которо получена сетевая архитектура организации ИМА БПЛА, инвариантная к состав модулей авионики.

2. Исследована вертикаль пирометрического типа; получен математически" аппарат вычисления углов крена и тангажа на основе показаний ПВ.

3. Разработаны опытные образцы ПВ различного элементного состава; изучены области их применения, показатели точности, шумности и погодные ограничения.

4. Разработаны три метода расширения функциональных возможностей ПВ путём комплексирования её показаний с ДУС и БСО, которые позволяют эффективно подавлять шумовую и систематическую составляющую погрешности в сигнале комплексированной системы ориентации на базе ПВ, а также эффективно бороться с мощными тепловыми помехами по каналу ПВ. Метод мастер-фильтра защищен патентом на полезную модель.

5. Разработан метод расширения возможностей ПВ путём добавления угла курса в вырабатываемых параметрах введением в конструкцию ПВ трёхосевого магнитометра, что упрощает интеграцию ПВ в автопилоты, рассчитанные на работу с БСО. Решение защищено патентом на полезную модель.

6. Проанализирован и испытан метод виртуальной продувки планера БПЛА с целю вычисления аэродинамических коэффициентов и получения передаточных коэффицентов АП различной конфигурации.

7. Разработан, изготовлен и испытан комплекс БПЛА для применения в сельском хозяйстве для охраны садов, экологического мониторинга, контроля урожая и обучения персонала. Результаты испытаний комплекса подтвердили достоверность заявленных в диссертации положений и закреплены актом внедрения и протоколом испытаний.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «Аэрокосмические методы зондирования земной поверхности»:

- разработан опытный образец ИИС пирометрического типа для применения в составе БПЛА;

- разработан опытный образец учебного беспилотного летательного аппарата УБПЛА с пирометрической СО. В ходе натурных испытаний установлено его устойчивое функционирование в различных метеоусловиях, а также соответствие основных параметров предъявляемым требованиям по точности.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Товкач С.Е. Микросистемная авионика для мини-БПЛА / П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо, В.Я. Распопов, С.Е. Товкач // Известия вузов. Приборостроение. -2006. т. 49. - № 6. - С. 51 - 55.

2. Товкач С.Е. Система навигации мини-беспилотного летательного аппарата / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Датчики и системы. - 2007. - № 3. - С. 6 - 9.

3. Товкач С.Е. Концепция построения авионики мини-БПЛА с двуядерным вычислителем / П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо, С.Е. Товкач // Труды XVI международного научно-технического семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», тезисы доклада. — Алушта. - 2007. - С. 208.

4. Товкач С.Е. Микросистемная авионика современных мини-БПЛА / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. - 2007. -№10.- С. 21-24.

5. Товкач С.Е. Материалы конференции 2-го Московского международного форума и выставки «Беспилотные многоцелевые комплексы» «UVS-TECH 2008», тезисы доклада [Электронный ресурс]: Концепция и методика проектирования современных БПЛА / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов. - Жуковский; Экспо-Экос, 2008. -1 эл. опт. диск (CD-ROM).

6. Товкач С.Е. Микросистемная авионика малогабаритного беспилотного летательного аппарата / В.Я. Распопов, С.Е. Товкач, Р.В. Алалуев, А.П. Шведов, П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо // Материалы XV Юбилейной Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. -СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2008. - С. 342 - 349.

7. Товкач С.Е. Пирометрическая система стабилизации малоразмерного БПЛА / С.Е. Товкач, A.B. Ладонкин // Сборник I международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины», тезисы доклада. - МГТУ «МАМИ». -2009.-С. 63-66.

8. Товкач С.Е. Авионика малоразмерных беспилотных летательных аппаратов / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Мир авионики. - 2009. - № 3. - С. 39 - 47.

9. Товкач С.Е. Термометр-автопилот / С.Е. Товкач, A.B. Ладонкин // Наука и жизнь. - 2009. - № 6. - С. 68 - 69.

10. Товкач С.Е. Концепция построения гражданских БПЛА для целей сельского хозяйства / С.Е. Товкач, A.B. Ладонкин, В Л. Распопов, A.C. Гордеев // Сборник материалов III международной выставки-Интернет-конференции

«Энергообеспечение и строительство» - ФГОУ ВПО «Орловский Государстве аграрный Университет». - 2009. - С. 120 - 128.

11. Товкач С.Е. Беспилотные летательные аппараты в сельском хозяйстве / Товкач, A.B. Ладонкин, В Л. Распопов, A.C. Гордеев // Материалы на практической конференции «Инновационные технологии производства, хранен переработки плодов и ягод» - Мичуринск-наукоград РФ. - 2009. - С. 179-183.

12. Товкач С.Е. Автопилот пирометрического типа для БПЛА / С.Е. Товкач, Ладонкин, В .Я. Распопов // Мир авионики. - 2009. - № 5. - С. 29 - 34.

13. Товкач С.Е. Пирометрический автопилот для авиамодели / С.Е. Товкач // Р; -2009.-№12.- С.28-29,-2010.-№ 1.- С.34-38,-2010.-№2.- С. 12-13.

14. Товкач С.Е. Информационно-измерительные микросистемы подвижных объектов / В.Я. Распопов, Ю.В. Иванов, Д.М. Малютин, Алалуев, М.Г. Погорелов, А.П. Шведов, В.В. Лихошерст, С.Е. Товкач // Нан микросистемная техника, 2010 г, № 1, С. 27-34.

15. Товкач С.Е. Микросистемная авионика малоразмерного беспилотн летательного аппарата / С.Е. Товкач, В .Я. Распопов, Р.В. Алалуев // Мир авионик 2010.-№2. - С. 28-33.

16. Товкач С.Е. Вертикали для беспилотных летательных аппаратов различи назначения / А.П. Шведов, П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо, В.Я. Распопов, С.Е. Товка Сборник докладов XVII Санкт-Петербургской конференции по интегрированнь навигационным системам. - СПб.: Государственный научный центр РФ ОАО "конце "ЦНИИ "Электроприбор", 2010 г. - С. 130 -132.

17. Пат. 96950 Российская Федерация, МПК6 G 01С 9/06. Пирометрическ вертикаль [Текст] / Товкач С.Е., Распопов В.Я. ; заявитель и патентообладате Государственное образовательное учреждение высшего профессионально образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ). - №2010108818/22 заявл. 09.03.10 ; опубл. 20.08.10, Бюл. № 23. - 3 с. : ил.

18. Заявка 2010110360 Российская Федерация, МПК6 G 01С 9/0 Пирометрическая вертикаль [Текст] / Товкач С.Е., Распопов В.Я. ; заявител Государственное образовательное учреждение высшего профессиональног образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ). ; пат. поверенны Алёшичева Л.И. -№2010110360/28(014575) ; заявл. 18.03.10 ; приоритет 18.03.10. -6 с. : ил. Полож. решение от 13.07.10.

Изд. лиц ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 20.09.10 Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд-л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 024 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МАЛОРАЗМЕРНЫХ БПЛА. КОНЦЕПЦИЯ КОНСТРУКЦИИ БПЛА

1.1. Обоснование выбора класса малоразмерных БПЛА для изучения.

1.2. Аэродинамическая компоновка малоразмерных БПЛА.

1.3. Комплексированные системы ориентации и навигации БПЛА.

1.4. Авионика малоразмерных БПЛА.

1.4.1. Способы управления полетом.

1.4.2. Способы определения координат.

1.4.3. Полёт по контрольным точкам и прохождение точки.

1.4.4. Режимы управления БПЛА и варианты реализации автопилота.

1.4.5. Способы угловой стабилизации БПЛА.

1.5. Отличия концепций проектирования военных и гражданских БПЛА.

1.6. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА).

1.7. Реализация ИМА в аппаратуре БПЛА.

1.7.1. Устройство НАУ малоразмерных БПЛА.

1.8. Системы ориентации БПЛА.

Выводы.

2. ПИРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОРИЕНТАЦИИ (ВЕРТИКАЛЬ).

2.1. Принцип действия пирометрической вертикали.

2.2. Определение требований к элементному составу пирометрической вертикали и технических ограничений.

2.3. Определение углов ориентации пирометрической вертикалью с четырьмя пирометрами.

2.4. Определение углов ориентации пирометрической вертикалью с шестью пирометрами.

2.5. Устранение взаимовлияния углов крена и тангажа применением шести пирометров.

2.6. Оценка погрешности ПВ.

2.6.1 Определение рабочих характеристик пирометра и ПВ.

2.6.2. Модель ПВ и коррекция её рабочей характеристики.

2.7. Экспериментальное исследование пирометрической вертикали.

2.8. Цифровая обработка сигналов пирометрической вертикали. Компенсация шума.

2.9. Интегрирование в пирометрическую вертикаль магнитного датчика курса.

2.10. Комплексирование пирометрической вертикали с инерциальными элементами.

2.11. Схема глубокого комплексирования способом фильтрации.

2.12. Комплексирование по слабосвязанной схеме способом компенсации

2.13. Разработка метода подавления помех в комплексированной системе по каналу пирометрической вертикали.

Выводы.

3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ БПЛА-АВТОПИЛОТ.

3.1. Уравнения движения и передаточные функции БПЛА.

3.2. Аэродинамика планера БПЛА.

3.3. Аэродинамические коэффициенты.

3.4. Методика виртуальной продувки.

3.5. Геометрические параметры и профили крыльев.

3.6. Ускорение моделирования методом уменьшения модели.

3.7. Аналитическая проверка коэффициентов.

3.8. Математическая модель рулевого привода.

3.9. Определение параметров рулевого привода.

3.10. Исследование динамики рулевого привода аэродинамического руля.

3.11. Экспериментальная проверка коэффициентов.

Выводы.

В настоящее время в России, как и за рубежом, стремительно развивается новое направление науки и техники - разработка миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (мини и микро-БПЛА).

Хотя БПЛА различного назначения разрабатываются уже много десятилетий (первыми БПЛА принято считать немецкие крылатые ракеты ФАУ-1 и ФАУ-2 периода конца Великой Отечественной Войны [1,2]), в том числе и в СССР, лишь с развитием и удешевлением микромеханической техники и вычислительной электроники стало возможным производить недорогие мини-БПЛА.

Первым подобным мини-БПЛА стал американский «Pointer» («Указатель»), представлявший собой самолёт, построенный по авиамодельной технологии, с размахом крыльев около 2 метров, снабжённый чёрно-белой видеокамерой и запускаемый с руки [3]. В различных модификациях «Pointer» выпускался в США в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Аналогичным ему комплексом является отечественный БПЛА «Пчела», разработка которого началась несколько ранее. Комплекс получился тяжелее, требовал для запуска специальную платформу на гусеничном ходу и дорогие ракетные ускорители [4, 5]. В 1991 г, как ответ на БПЛА «Pointer», в СССР началась разработка БПЛА «Амёба» [6]. Однако по экономическим и политическим причинам этот комплекс не получил развития. Тем временем за рубежом и, прежде всего, в Израиле шло активное развитие мини-БПЛА.

Новые технологии ведения боевых действий базируются в значительной мере на идеях создания единой информационной, управляющей и ударной среды. Главным принципом боевого применения становится непрерывная разведка, планирование и управление выполнения запланированных действий с привлечением минимально необходимых ударных средств.

Одним из типов такого оружия, вызывающего особый интерес в последнее время, стали мини-БПЛА. Повышенный интерес к этому классу аппаратов, согласно данным Управления перспективных исследований и разработок МО

CILIA (DAPRA) [7], является результатом одновременного появления новых достижений в области миниатюризации компонент БПЛА и новых военно-технических концепций применения таких аппаратов, лежащих в канве перспективных концепций информатизации вооруженной борьбы.

Хотя тяжёлые и дорогие БПЛА аэродромного базирования по прежнему развиваются и выпускаются (примерами могут служить американский Global Hawk и применявшийся в войне с Грузией (на стороне Грузии) израильский Hermes 450), основной объём выпускаемых и набирающих популярность БПЛА относится к классу мини (взлётная масса до 10 кг) и микро (взлётная масса до 5 кг) БПЛА [8]. Такие БПЛА необходимы для проведения ближней разведки, координирования действий отрядов при спецоперациях. Работающие в Ираке солдаты армии США имеют комплекс Dragon Eye («Глаз Дракона») почти в каждом отряде [3]. Благодаря малому размеру, изготовлению из композитов и применению электрических двигателей такие БПЛА имеют минимальную визуальную, радио и акустическую заметность, что делает их неуязвимыми для стрелкового и зенитно-ракетного вооружения. Это позволяет мини-БПЛА летать ниже, а значит иметь на борту более простую и дешёвую видеоаппаратуру (полезную нагрузку). Стоимость такого БПЛА приближается к стоимости артиллерийского снаряда, что позволяет не жалеть БПЛА, добывая разведданные ценой его «жизни» или отправляя БПЛА «в один конец» на максимальную дальность для наведения по его показаниям артиллерии, ракет или пехоты.

Но главным достоинством мини и микро-БПЛА является независимость от взлётных полос. Такие БПЛА запускаются с руки (изредка с катапульты, установленной на легковом автомобиле), садятся на неподготовленную поверхность (в снег или траву) и в разобранном виде могут переноситься одним-двумя пехотинцами в рюкзаках. В современной армии, действующей малыми высокомобильными группами, это свойство нельзя переоценить.

Мини-БПЛА также обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолёты для фермеров Yamaha RMAX[9, 10]. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями (например, кампанией Фруктовый Сад и ФГОУ ВПО МичГАУ).

Стремительно развивающееся направление мини- и микро-БПЛА требует разработки информационно-измерительных систем, необходимых для определения параметров ориентации БПЛА в пространстве, построенных на различных физических принципах. Вместе с уменьшением массы и размаха крыльев БПЛА, возрастают требования к таким системам по точности определения параметров и минимизации габаритов.

В настоящее время большинство информационно-измерительных и управляющих систем пилотируемых самолётов и тяжёлых БПЛА строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, обладающие значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью [11].

Развитие микросистемной техники, в частности появление ММА и ММГ, позволяет создавать малогабаритные информационно-измерительные системы ориентации, обладающие малыми массой и габаритами, например, БСО [12-16]. Однако, все ММГ и ММА (и российские и зарубежные) все еще уступают по точности и шумовым характеристикам обычным гироскопам и акселерометрам. Кроме того, они обладают нарастающей погрешностью в автономном режиме работы (без коррекции по ММА или сигналам спутниковой навигационной системы, входящей обычно в состав БСО) [17,18]. Это вынуждает искать альтернативные способы построения систем ориентации или коррекции БСО на ММГ и ММА. Одним из таких способов является пирометрический метод ориентации.

Аппаратная простота и дешевизна реализации пирометрических преобразователей (пирометров), их высокая чувствительность, пренебрежимо малый вес, возможность работы при больших линейных и угловых ускорениях, отсутствие накапливаемой во времени погрешности и практически мгновенное время готовности делает идею использовать данные датчики для определения параметров ориентации мини- и микро-БПЛА весьма привлекательной. Поэтому исследование возможностей создания малогабаритных недорогих пирометрических информационно-измерительных и управляющих систем определения параметров ориентации мини и микро-БПЛА в пространстве представляется задачей весьма актуальной.

Анализ работ по предмету исследования показал, что в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования мини- и микро-БПЛА, а также пирометрических информационно-измерительных систем. Более того, в русскоязычных источниках публикации по пирометрическим ИИС отсутствуют.

Идея применения пирометрического датчика горизонта (или пирометрической вертикали) внутри атмосферы Земли на летательном аппарате была впервые описана в патенте США №6,181,989 [19], зарегистрированном 30 января 2001г. В патенте описан принцип определения углового положения по разности температур земли и небосвода, расположение пирометров вдоль строительных осей ЛА и простейшая формула вычисления углового положения по показаниям датчиков (без представления требований к датчикам и описания происхождения формулы). Патент, очевидно, нацелен на коммерческую защиту результата исследования и не отражает в достаточной мере сведений, необходимых для повторения и улучшения конструкции пирометрической вертикали. Одновременно, с 2001 года фирмой FMA Inc (США, Мериленд), со ссылкой на упомянутый патент, выпускается авиамодельный автопилот CoPilot CPD4 [20] с пирометрическим датчиком, предназначенный для обучения начинающих авиамоделистов, а с августа 2007 года полиция провинции Онтарио (Канада) использует БПЛА FIU-301 с пирометрической вертикалью этой фирмы [21, 22]. Также на рынках США и Европы присутствуют различные по возможностям автопилоты частных фирм с пирометрической вертикалью, предназначенные как для использования на авиамоделях, так и на БПЛА (ArduPilot, Paparazzi UAS, RangeVideo FPV и др.). Большинство этих фирм используют пирометрические вертикали производства FMA, добавляя к ним свой собственный автопилот. Разумеется, принципов функционирования своих изделий они не раскрывают, но растущий интерес к пирометрическим вертикалям за рубежом очевиден.

Начиная с 1993 года почти все разработки в области БПЛА в РФ велись частными коммерческими организациями, которые также избегали публикаций результатов своей работы, касающихся проектирования. В современной России существует как минимум 7 частных фирм, позиционирующих себя как производители БПЛА. Среди них концерн Вега, ТеКнол, Zala, Иркут, Транзас, Аэрокон, Новик XXI век. Продукция этих фирм охватывает область масс БПЛА от 0,25кг (Инспектор К-01 производства Аэрокон) до 640кг (Дозор-600 производства Транзас), но ни один из серийно выпускаемых в РФ БПЛА не содержит в своём составе системы ориентации с пирометрическими датчиками.

В 2005 году автором диссертации были начаты работы по изучению текущего состояния конструкций малоразмерных БПЛА и созданию собственной, универсальной конструкции, отвечающей современному уровню требований к БПЛА. В качестве системы ориентации БПЛА была выбрана пирометрическая система.

На основании вышеизложенного, целью диссертационной работы является:

Разработка теоретических основ проектирования микросистемной авионики микро- и мини-БПЛА, включающих вывод концепции и методики проектирования авионики с учётом аэродинамических характеристик планера БПЛА и характеристик ИИС пирометрического типа.

Указанная цель требует постановки и решения следующих научно технических задач:

• разработка структуры авионики, определение её конструкции и элементного состава;

• выбор конструкции планера БПЛА, определение его аэродинамических коэффициентов;

• изучение пирометрической вертикали, её возможностей и ограничений;

• разработка математического аппарата, позволяющего вычислять углы крена и тангажа по показаниям пирометрической вертикали;

• изучение вопроса повышения качества работы пирометрической вертикали путём комплексирования с другими типами СО;

• моделирование САУ БПЛА с ПВ в своём составе с целью аналитического вычисления коэффициентов АП и оценки качества САУ;

• изготовление БПЛА и авионики с целью проведения натурных испытаний.

Теоретической и практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из трёх разделов и заключения.

В первом разделе рассмотрена текущая ситуация на рынке мини- и микро-БПЛА, применяемые в БПЛА системы ориентации, типы автопилотов, способы воздушной навигации и прохождения ППМ. Рассмотрены достоинства и недостатки применяющихся систем. Предложена структурная схема БПЛА с ИМА. Результатом раздела является разработка концепции БПЛА, пригодного для применения в военной и гражданской сферах с ИМА, способной комбинироваться согласно требованиям пользователя средствами пользователя. Подобная гибкость, присущая современным ПК, приведёт к продвижению БПЛА в гражданской сфере, их распространению и, как следствие, удешевлению.

Во втором разделе проведено исследование ПВ, изучение и обоснование влияния погодных условий на работу ПВ, разработка способов фильтрации и аппроксимации сигналов ПВ, а также моделирование комплексирования с микромеханическим ДУС. Результатом раздела является разработка двух конструкций пирометрической вертикали (с 4 и с 6 пирометрами), математической модели ПВ, а также вывод и анализ трёх способов вычисления углов крена и тангажа посредством ПВ. В результате натурных испытаний прототипов определены рабочая и шумовая характеристики ПВ, проанализировано три способа комплексирования ПВ с другими видами СО и разработан метод подавления помех по каналу ПВ с помощью ДУС. Метод защищен патентом на полезную модель. Для лётных испытаний ПВ и проверки теоретических положений разработан прототип БПЛА и комплект авионики.

В третьем разделе рассмотрен способ получения аэродинамических коэффициентов БПЛА методом «виртуальной продувки» элементов планера, способы оптимизации времени продувки введением подобласти и пропорциональным уменьшением размера элементов планера. Рассчитаны аэродинамические коэффициенты для четырёх авиамоделей с учётом рабочей и шумовой характеристик ПВ в цепи обратной связи АП, полученных в предыдущем разделе. Результат раздела заключается в доказательстве высокого качества результата, получаемого методом «виртуальной продувки», путём лётных испытаний БПЛА, построенного на базе исследованных авиамоделей, с ПВ в вариантах АП без контроля угловой скорости и с контролем угловой скорости, а также с коэффициентами АП подобранными экспериментально и рассчитанными аналитически.

В заключении кратко сформулированы основные научно-технические результаты работы, выполнена оценка тактико-технического и экономического уровня разработанного БПЛА и указаны области его применения.

Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением аналитических методов, теории генетического программирования и генетических алгоритмов, теории оптимальной фильтрации, методов математического моделирования с применением ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях и натурных экспериментов.

Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

1. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиента; зависимость градиента от погодных условий; экспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ).

5. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведённые автором в Тульском государственном университете, и способствует решению актуальных научно-технических задач создания информационно-измерительных систем пирометрического типа, а таюке современных БПЛА для военной и гражданской сфер.

Основные результаты работы по разработке ИИС ориентации пирометрического типа для работы в составе БПЛА использованы при создании действующего образца БПЛА.

На защиту выносятся:

1. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиента; зависимость градиента от погодных условий; экспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ).

5. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

Основные теоретические результаты исследования были изложены в публикациях [23-31], защищены патентами на полезные модели [32,33], а также докладывались на различных конференциях гг. Тулы, Санкт-Петербурга, Алушты и Москвы [34-40]. Разработанный на основе проведённого исследования БПЛА «Беркучи» внедрён в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «аэрокосмические методы зондирования земной поверхности» (см. прил. Г).

Выводы

Анализируя результаты данной главы, можно сделать следующие выводы:

1. Метод виртуальной продувки (численного моделирования) для определения аэродинамических коэффициентов сил и моментов малоразмерных БПЛА опробован на четырёх планерах, выполненных по самолетной схеме, и доказал свою работоспособность.

2. Достоинством предлагаемого метода определения аэродинамических коэффициентов является то, что он встраиваем в концепцию 3D-проектирования и может быть включен в этап проектирования комплекса БПЛА. Для повышения точности результатов рекомендуется увеличивать количество конечномерных элементов области вычислений. При этом «разумным» временем расчета каждой точки является диапазон 50-80 минут, в этом случае на определение всех коэффициентов для одной модели будет затрачено порядка 3-5 рабочих дней.

3. При помощи численного моделирования получены коэффициенты АП по каналам рысканья, крена и тангажа с учётом модели ПВ в составе САУ.

4. Произведены натурные испытания авионики БПЛА с АП, содержащими экспериментально полученные и рассчитанные аналитически коэффициенты. Доказано более высокое качество стабилизации с АП, содержащими аналитически рассчитанные коэффициенты, что доказывает заявленные в главе положения.

155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главным результатом представленной работы является вывод концепции и методики проектирования современного БПЛА и создание на их основе дешёвого и ремонтопригодного гражданского БПЛА «Беркучи» (см. рис. Б.1 и рис. Б.2 прил. Б) для нужд сельского хозяйства и обучения обращению с БПЛА (версия УБПЛА) с комплектом ИМА (см. рис. А.1 - рис. А. 11 прил. А) с ПВ в качестве СО. В основе БПЛА «Беркучи» лежит выпускаемая серийно авиамодель, снабжённая серийным оборудованием (двигателем, рулевыми машинками, аккумулятором и т.д.) из авиамодельной сферы.

Решающее значение в создании удобного для применения в гражданской сфере БПЛА имел выбор:

• концепции ИМА с двуядерным вычислителем;

• модульной архитектуры ИМА (включая архитектуру ПО);

• системы ориентации пирометрического типа;

• выбор в качестве носителя БПЛА серийных авиамодельных планеров с серийным оборудованием из авиамодельной сферы.

Разработка БПЛА «Беркучи» и создание на его основе УБПЛА базировалась на теоретических и экспериментальных исследованиях, основное содержание которых изложено в диссертации. Основные научно-технические результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. Разработана концепция ИМА с двуядерным вычислителем, на основе которой получена сетевая архитектура организации ИМА БПЛА, инвариантная к составу модулей авионики.

2. Исследована вертикаль пирометрического типа; получен математический аппарат вычисления углов крена и тангажа на основе показаний ПВ.

3. Разработаны опытные образцы ПВ различного элементного состава; изучены области их применения, показатели точности, шумности и погодные ограничения.

4. Разработаны три метода расширения функциональных возможностей ПВ путём комплексирования её показаний с ДУС и БСО, которые позволяют эффективно подавлять шумовую и систематическую составляющую погрешности в сигнале комплексированной системы ориентации на базе ПВ, а также эффективно бороться с мощными тепловыми помехами по каналу ПВ. Метод мастер-фильтра защищен патентом на полезную модель.

5. Разработан метод расширения возможностей ПВ путём добавления угла курса в вырабатываемых параметрах введением в конструкцию ПВ трёхосевого магнитометра, что упрощает интеграцию ПВ в автопилоты, рассчитанные на работу с БСО. Решение защищено патентом на полезную модель.

6. Проанализирован и испытан метод виртуальной продувки планера БПЛА с целю вычисления аэродинамических коэффициентов и получения передаточных коэффициентов АП различной конфигурации.

7. Разработан, изготовлен и испытан комплекс БПЛА «Беркучи» для применения в сельском хозяйстве для охраны садов, экологического мониторинга, контроля урожая и обучения персонала (см. рис. Б.1 - рис. Б.8 прил. Б). Результаты испытаний комплекса подтвердили достоверность заявленных в диссертации положений и закреплены актом внедрения и протоколом испытаний (см. приложение Г).

В конструкции БПЛА «Беркучи» и УБПЛА «Беркучи» использованы новейшие достижения современной технологии. Это технологии микросистемных датчиков, однокристальных ЭВМ, сетевых протоколов обмена, кодированных радиопередач, бесколлекторных тяговых двигателей и литий-полимерных аккумуляторов.

БПЛА «Беркучи», снабжённые соответствующей полезной нагрузкой, позволяют проводить аэрофотосъёмку местности, передачу видео в реальном масштабе времени, постановку радиопомех, производство радиоперехвата, обработку и охрану посевов, экологический мониторинг [122, 123].

БПЛА «Беркучи» внедрён в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «аэрокосмические методы зондирования земной поверхности» (см. прил. Г).

Технические решения, положенные в основу БПЛА «Беркучи», защищены патентом на полезную модель №96950 от 20.08.2010г. [32] (см. прил. Г).

На момент написания работы получено положительное решение (от 13.07.10г.) на выдачу патента на полезную модель комплексированной системы ПВ-ДУС по заявке №2010110360 от 18.03.10г., Товкач С.Е., Распопов В.Я. «Пирометрическая вертикаль» [33] (см. прил. Г).

БПЛА «Беркучи» полностью соответствуют предъявляемым к БПЛА требованиям. БПЛА прошли с положительными результатами испытания в сентябре 2009 года в городе Мичуринске (см. рис. Б.З - рис. Б.8 прил. Б), что подтверждено протоколом испытаний (см. прил. Г).

По мнению автора, БПЛА «Беркучи» могут с успехом применяться в гражданской и военной сфере как с пирометрической системой ориентации, так и с классическими БСО, корректируемыми магнитным датчиком или пирометрами. ПВ с незначительными доработками может применяться на разнообразных БПЛА и ЛА (включая управляемые боеприпасы) в качестве как самостоятельной системы ориентации, так и в качестве корректора имеющихся систем ориентации.

1. Лукашева Э.П., Чистяков Н.В. Мифы беспилотной авиации Электронный ресурс. —Режим доступа: URL: http://dpla.ru/Articles/Myphy.htm.

2. Чистяков Н.В. Ударные БПЛА. Нам их подбрасывают. Электронныйресурс. — Режим доступа: URL: http://dpla.ni/podbrosudarnye.htm#ll.

3. Федутинов Д.В. От pointer до wasp Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.uav.ru/articles/minil.pdf.

4. Пчела-1Т, Сайт ОКБ им А.С. Яковлева Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.yak.rn/PROD/currentrpv.php.

5. Чистяков Н.В. Комплекс «Строй-П» с ДПЛА «Пчела-1» Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://dpla.ru/Review/StroyP.htm.

6. Чистяков Н.В. Всё не так уж сумрачно вблизи Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.dpla.ru/dragonbrat/.1

7. DARPA site Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.darpa.mil/.j

8. Современная классификация российских БЛА Электронный ресурс. —

9. Режим доступа: URL: http://www.missiles.ru/UAVclass.htm.

10. Вежновец А. Иллюзии и реальность беспилотного полета / А. Вежновец // Вертолётная индустрия. 2010. - №2. - С. 14 - 17.

11. Гироскопы // Датчики и сенсоры онлайн журнал. - Режим доступа:i

12. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: Учебное пособие. 2-е изд.,f перераб. и доп. / В.Я. Распопов // Тул. гос. университет, Московский гос.технологический ун-т им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К, 2004. -476 е., ил.

13. Листвин В., Логозинский В. Миниатюрные волоконно-оптические датчики вращения: конструкция технологии характеристика // Электроника: Наука, технология, бизнес, № 8 2006 г С. 72 - 76.

14. Сысоева С. Автомобильные гироскопы // Компоненты и технологии 2007 г. №1 С. 40-50.

15. Шведов А.П. Бесплатформенная система ориентации на микромеханической элементной базе / Шведов А.П.// Труды XVII международного научно-технического семинара. Санкт-Петербург -редакционный издательский центр ГУАП, 2008 - С. 99

16. Степанов О.А. Особенности построения и перспективы развития навигационных инерциально-спутниковых систем / О.А. Степанов // Интегрированные инерциально-спутниковые системы навигации. Сб. статей докл. СПб. - 2004. - С. 25 - 42.

17. Пат. 6181989 US, B64D47/02; B64D47/00; B64D47/02. Aircraft attitude sensor and feedback control system Текст. / J.A. Gwozdecki; опубл. 30.01.01; приоритет 22.10.99.

18. FMA CPD-4 Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://fmadirect.com/.

19. North America's 1st Operational Police UAS Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.uasresearch.org/UserFiles/File/102Feature-ArticleNorth-Americas-First-Operational-Police-UAS.pdf.

20. Moving ahead with a pilotless project Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.draganfly.com/news/BLM-09-08-p8-9.pdf.

21. Товкач С.Е. Микросистемная авионика для мини-БПЛА / П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо, В.Я. Распопов, С.Е. Товкач // Известия вузов. Приборостроение. 2006. т. 49. - № 6. - С. 51 - 55.

22. Товкач С.Е. Система навигации мини-беспилотного летательного аппарата / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Датчики и системы. 2007. - № 3.1. С. 6-9.

23. Товкач С.Е. Микросистемная авионика современных мини-БПЛА / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. -2007.-№ Ю.- С. 21-24.

24. Товкач С.Е. Авионика малоразмерных беспилотных летательных аппаратов / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов // Мир авионики. 2009. - № 3. -С. 39-47.

25. Товкач С.Е. Термометр-автопилот / С.Е. Товкач, А.В. Ладонкин // Наука и жизнь. 2009. - № 6. - С. 68 - 69.

26. Товкач С.Е. Автопилот пирометрического типа для БПЛА / С.Е. Товкач, А.В. Ладонкин, В.Я. Распопов // Мир авионики. 2009. - № 5. - С. 29 - 34.

27. Товкач С.Е. Пирометрический автопилот для авиамодели / С.Е. Товкач // Радио. 2009. - № 12. - С. 28 - 29, - 2010. - № 1. - С. 34 - 38, - 2010.2.- С. 12-13.

28. Товкач С.Е. Информационно-измерительные микросистемы для подвижных объектов / В.Я. Распопов, Ю.В. Иванов, Д.М. Малютин, Р.В. Алалуев, М.Г. Погорелов, А.П. Шведов, В.В. Лихошерст, С.Е. Товкач // Нано- и микросистемная техника, 2010 г, № 1, С. 27-34.

29. Товкач С.Е. Микросистемная авионика малоразмерного беспилотного летательного аппарата / С.Е. Товкач, В.Я. Распопов, Р.В. Алалуев // Мир авионики.-2010.-№2.- С. 28-33.

30. ТулГУ). -№2010108818/22 ; заявл. 09.03.10 ; опубл. 20.08.10, Бюл. № 23. -3 с. : ил.

31. Товкач С.Е. Микросистемная авионика малогабаритного беспилотного летательного аппарата / В.Я. Распопов, С.Е. Товкач, Р.В. Алалуев,

32. А.П. Шведов, П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо // Материалы XV Юбилейной Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». -2008.-С. 342-349.

33. Товкач С.Е. Пирометрическая система стабилизации малоразмерного БПЛА / С.Е. Товкач, А.В. Ладонкин // Сборник I международной научно-практической конференции «Интеллектуальные машины», тезисы доклада. МГТУ «МАМИ». - 2009. - С. 63 - 66.

34. Товкач С.Е. Концепция построения гражданских БПЛА для целей сельского хозяйства / С.Е. Товкач, А.В. Ладонкин, В.Я. Распопов,

35. A.С. Гордеев // Сборник материалов П1 международной выставки-Интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство» ФГОУ ВПО «Орловский Государственный аграрный Университет». - 2009.1. С. 120- 128.

36. Товкач С.Е. Вертикали для беспилотных летательных аппаратов различного назначения / А.П. Шведов, П.П. Парамонов, Ю.И. Сабо,

37. B.Я. Распопов, С.Е. Товкач1 // Сборник докладов XVII Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Государственный научный центр РФ ОАО "концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2010 г. - С. 130 - 132.

38. Unmanned Aircraft Systems. The Global Perspective. 2008/2009. Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.uvs-info.com/.

39. Лукашева Э.П., Чистяков Н.В. «НОВЫЕ» или миниДПЛА. Электронный ресурс. —Режим доступа: URL: http://dpla.ru/Articles/NewMiniUAV.htm

40. Чистяков Н.В. «Самолет-шпион упал на головы иракских повстанцев» Электронный ресурс. // Блог главного конструктора НПКЦ "Новик" Чистякова Н.В.: сайт. — URL: http://lj.rossia.org/users/chistyakov/46135.html.

41. Абхазские ПВО против грузинских беспилотников Электронный ресурс. // ООО "Лента.Ру": сайт. — URL: http://www.lenta.ru/story/abkhaz/

42. Чистяков Н.В. Комплекс ДПЛА Гермес (Hermes 450) для России. Оценка архитектоники. Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://dpla.ru/! 102008.htm

43. Беспилотные авиационные комплексы «INSPECTOR» Электронный ресурс. // ЗАО «АЭРОКОН»: сайт. — URL: http://www.aerocon.ru/inspector/.

44. Компания "Беспилотные системы ЗАЛА АЭРО" Электронный ресурс. // ZALA AERO: сайт. — URL: http://zala.aero/.

45. Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) Электронный ресурс. // ЗАО «Институт телекоммуникаций»: сайт. — URL: http://www.itain.spb.ru/pilotless-aircraft/.

46. Ближний разведчик артиллерийский телевизионный БРАТ Электронный ресурс. // НПКЦ "Новик": сайт. — URL: http://dpla.ru/Brat/.

47. МИНС Электронный ресурс. // ООО "ТеКнол": сайт. — URL: http ://www.teknol .ru/products/.

48. Разработки НТЦ РИССА Электронный ресурс. // НТЦ РИССА: сайт. — URL: http://www.rissa.ru/work.html.

49. Kestrel Autopilot Электронный ресурс. // Procerus Technologies: сайт. — URL: http://www.procerusuav.com/productsKestrelAutopilot.php.

50. МР2128 Электронный ресурс. // MicroPilot, Inc: сайт. — URL: http://www.micropilot.com/products-mp2128g.htm.

51. Crossbow Technology Products Электронный ресурс. // Crossbow Technology, Inc: сайт. — URL: http://www.xbow.com/Products/.

52. Распопов В.Я. Микросистемная авионика: учебное пособие. /

53. В.Я. Распопов // ТулГУ. Тула: Гриф и К, 2010. - 248 е., ил.

54. Вычисление расстояния между точкой и прямой/лучом/отрезком Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://algolist.manual.ru/maths/geom/distance/pointline.php.

55. Чистяков Н.В. Что такое ДПЛА (рассуждения). Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.avia.ru/author/19.shtml.

56. Автопилоты и системы автоматического управления полетом летательного аппарата. Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http ://www. airwar.ru/breo/pnk/pnk4 .html.

57. Half of Predators crash, are shot down. Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://secretcomputer.com/data-security-news/half-of-predators-crash-shot-down.html.

58. Солдаткин В.М. Теоретические основы анализа и синтеза информационно-управляющей системы контроля бортового оборудования самолета /

59. В.М. Солдаткин, В.И. Кожевников // Мехатроника, автоматизация, управление. 2006. - № 1. - С. 30 - 36.

60. Солдаткин В.М. Расчет и проектирование измерительно-вычислительных систем летательных аппаратов: Учебное пособие / В.М. Солдаткин,

61. А.Н. Благовещенский, Е.П. Семенова // Казан, авиац. ин-т. Казань, 1992.-120 с.

62. Абросимов Л.И. Основные положения теории производительности вычислительных сетей / Л.И. Абросимов // М.: Издательство МЭИ, Вестник МЭИ. 2001. - № 4, - С. 70-75.

63. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. /

64. Д. Феррари // М.: Мир, 1981. 576 с.

65. Шведов А.П. Бесплатформенная система ориентации и навигации мини-беспилотного летательного аппарата / Шведов А.П., Алалуев Р.В.,

66. Иванов Ю.В., Матвеев В.В., Распопов В .Я. // Управление и информатика в авиакосмических системах. Приложение к журналу «Мехатроника, автоматизация и управление», № 10 2008 г. - С. 14-18.

67. Распопов В.Я., Матвеев В.В. Бесплатформенные системы ориентации и навигации на микромеханических чувствительных элементах Электронный ресурс. Режим доступа: URL: http://www.mr.rtc.ru/doc/report/doc22.pdf

68. Шведов А.П. Повышение точности бесплатформенной системы ориентации для беспилотных летательных аппаратов / Шведов А.П., Погорелов М.Г., Алалуев Р.В., Лихошерст В.В.// Мир авионики, №4 2009 г.- С. 43 - 47.

69. Cedric' Demonceaux, Pascal Vasseur. Mesured'Attitude pour les Drones par Vision Catadioptrique Centrale Электронный ресурс. // C.R.E.A. (Centre de

70. Robotique, d' Electrotechnique et d' Automatique), Universite' de Picardie -Режим доступа: URL: http://www.tsi.enst.fr/afrif/rfia2006/pdf/025.pdf

71. Афанасьев Ю.В. Средства измерения параметров магнитного поля /ii

72. Ю.В. Афанасьев. Л.: Энергия, 1979. - 320 с. | 78. Егиазарян Г.А. Магнитодиоды, магниторезисторы и их применение /

73. Г.А. Егиазарян, В. И. Стафеев. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.

74. Шведов А.П. Системы ориентации магнитометрического типа дляподвижных объектов / А.П. Шведов, М.Г. Погорелов, Д.М. Малютин //5

75. Справочник. Инженерный журнал. Приложение. № 6 2010 г. - С. 10-14.t

76. Карпенков С.Х. Тонкопленочные магнитные преобразователи /t ч

77. С.Х. Карпенков. М.: Радио и связь, 1985. - 208 с.s ■>ч ?

78. Хомерики О.К. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля /

79. O.K. Хомерики. -М.: Энергоиздат, 1986. 136 с.

80. Погорелов М.Г. Информационно-измерительные системы магнитометрического типа для стационарных и подвижных объектов: Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. Наук: 05.11.16 /

81. М.Г. Погорелов. ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» -Тула: Изд. ТулГУ, 2009 г. 165 с.

82. Шведов А.П. Комплексирование магнитометрической и инерциальной систем ориентации / А.П. Шведов, Ю.В. Иванов, Д.М. Малютин,

83. Р.В. Алалуев, М.Г. Погорелов // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. № 6 2010 г. - С.15 - 19.

84. Погорелов М.Г. Исследование погрешностей малогабаритного магнитометрического измерителя углового положения / М. Г. Погорелов, Д. М. Малютин // Материалы X Юбилейной конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». Науч. редактор д.т.н.

85. О.А. Степанов / под общ. ред. академика РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». - 2009. - С. 342 - 349.

86. В. Taylor, С. Bil, S. Watkins, G. Egan. Horizon Sensing Attitude Stabilisation: A VMC Autopilot Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/horizonsensingautopilot.pdf/.

87. Канарёв Ф.М. Термодинамика микромира Электронный ресурс. // Агентство научно-технической информации. Научно-техническая библиотека (Свид. ФС77-20137 от 23.11.2004) "SciTecLibrary": сайт. — URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10015.html.

88. Meyers-Rice B.A. Atmospheric windows Электронный ресурс. — Режим доступа: URL:http://www.sarracenia.com/astronomy/remotesensing/physics060.html.

89. Houghton J.T. The Physics of Atmospheres, 3rd edition. / J.T. Houghton // Cambridge University Press ISBN 0521804566. Cambridge UK, 2002.343 е., ил.

90. Infrared Atmospheric Transmission Spectra Электронный ресурс. — Режим доступа: URL: http://www.astro.virginia.edu/~mfs4n/ir/atmtrans.html.

91. Солнечный спектр Электронный ресурс. // "astrolab.ru" : сайт. — URL: http://www.astrolab.ru/cgi-bin/manager2.cgi?id=0&num=:1009.

92. Кондратьев К.Я. Радиационные факторы современных изменений глобального климата / К.Я. Кондратьев. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.280 с.

93. Кошкин Н.И. Справочник по элементарной физике / Н.И. Кошкин,

94. М.Г. Ширкевич. М.: Наука, 1964. - 246 е.: ил.

95. ФС77-20137 от 23.11.2004) "SciTecLibrary": сайт. — URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5075.html.

96. Hatcher N.M. Study of a proposed IR horizon scanner for use in space orientation control systems / N.M. Hatcher, E.F. Germann // NASA TN D-1005. January 1962 r.

97. Hatcher N.M. Development & Testing of a proposed IR horizon scanner for use in spacecraft attitude Determination / N.M. Hatcher, A.L. Newcomb, N.J. Groom // NASA TN D-2995. September 1965 r.

98. Kunde V.G. Theoretical computations of the outgoing IR radiance from a planetary atmosphere / V.G.Kunde // NASA TN D-4045. August 1967 r.

99. Jalink A. Radiometric measurements of the earth's IR horizon from the X-15 in three spectral intervals / A. Jalink, R.E. Davis, D.E. Hinton // NASA TN D-4654. July- 1968 r.

100. Jalink A. Conceptual Design and analysis of an infrared horizon sensor with compensation for atmospheric variability / A. Jalink, R.E. Davis, J.A. Dodgen // NASA TN D-6616. Feb 1972 r.

101. Сушкевич Т.А. О задаче дистанционного зондирования поверхности Земли через ее атмосферу / Т.А. Сушкевич // Препринт № 38. М.: ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, 1999 г. 32 с.

102. Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения /

103. Т.А. Сушкевич. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 601 с.

104. Лазарев А.И. Исследование Земли с пилотируемых космических кораблей / А.И. Лазарев, В.В. Коваленок, С.В. Авакян. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. -400 с.

105. ЮЗ.ЬепоЫе J. Equation of radiative transfer in a planetary spherical atmosphere / J. Lenoble, Z. Sekera // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. Vol. 47. № 3 1961 г. - C. 372-378.

106. MLX90614. Digital, plug & play, infrared thermometer in a TO-can Электронный ресурс. // Melexis Microelectronic Systems : сайт. — URL: http://www.melexis.com/SensorICsInfraredandOptical/InfraredThermome ters/MLX90614 615.aspx.

107. Koza J.R. Genetic Programming / J.R. Koza // MA.: MIT Press, Cambridge, 1992 r.

108. Koza J.R. Genetic Programming 2 / J.R. Koza // MA.: MIT Press, Cambridge, 1994 r.

109. Гладков Л.А. Генетические алгоритмы / Л.А. Гладков, В.В. Курейчик, В.М. Курейчик. М.: Физматлит, 2006. - 402 с.

110. Ю8.Рутковская Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пилиньский, Л. Рутковский. М.: Горячая Линия - Телеком, 2006. - 452 с.

111. Введение в ГА и Генетическое Программирование Электронный ресурс. / Пер. Кантор И.А. // "algolist.manual.ru" : сайт. — URL: http://algolist.manual.ru/ai/ga/intro.php.

112. Джорданов А. Ваши крылья / А. Джорданов. М.: Воениздат, 1937. - 248 с.

113. НМС1055. 3-Axis Compass Sensor Set Электронный ресурс. // Honeywell International Inc : сайт. — URL: http://www.ssec.honeywell.com/magnetic/datasheets/hmcl055.pdf.

114. И2.Медич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление / Дж. Медич. М.: Энергия, 1973. - 440 с.

115. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / О.А. Степанов. СПб: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 370 с.

116. Степанов О.А. Основы теории-оценивания с приложениями к задачам обработки навигационной информации / О.А. Степанов. СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 2009. - 496 с.

117. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами / В.А. Боднер М.: Машиностроение, 1973. 506 с.

118. Распопов В.Я. Автопилот мини-беспилотного летательного аппарата /

119. В.Я. Распопов, С.В. Телухин, Д.М. Малютин, Р.В. Алалуев, А.П. Шведов, Я.С. Кузнецов, А.В. Ладонкин // Мехатроника, автоматизация, управление. Приложение. -2008. -№10(91).- С. 19-24.

120. Малютин Д.М. Исследование динамики рулевого привода беспилотного малоразмерного летательного аппарата / Д.М. Малютин // Мехатроника, автоматизация, управление. Приложение. 2008. - №10(91). - С. 10 - 14.

121. Бочкарев А.Ф. Аэромеханика полета: Динамика полета. Учебник для авиационных вузов / А.Ф. Бочкарев, В.В. Андреевский, В.М. Белоконов и др.; Под ред. А.Ф. Бочкарева и В.В. Андреевского. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1985. 360 с.

122. Алямовский А.А. Solidworks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов,

123. А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 800 с.

124. Миронов А.Д. Методы исследований на летающих моделях /

125. А.Д. Миронов, Г.П. Владычин, А.А. Кондратов и др.; Под ред. А.Д. Миронова. М.: Машиностроение, 1988. 144с.: ил.

126. Панарин В.М. Принципы построения системы сбора и обработки экологической информации / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, Д.В. Дергунов // Современные наукоемкие технологии. 2005. - № 1. - С. 27 - 27.

127. Панарин В.М. Автоматизированная система экологического мониторинга атмосферы при выбросах вредных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова, А.В. Бизикин // Информационные технологии. 2008. - № 4. -С. 58-61.

128. Авионика мини-БПЛА «Беркучи»

129. Рис. А. 1. Схема электрическая принципиальная пирометрической вертикали

130. Рис. А.2. Схема электрическая принципиальная модуля «пилот»

131. Рис. А.З. Внешний вид разработанного модуля «пилот», вид сверху

132. Рис. А.4. Схема электрическая принципиальная модуля «штурман»

133. Рис. А.5. Внешний вид разработанного модуля «штурман», вид сверху

134. Рис. А.6. Внешний вид разработанного модуля «штурман», вид снизуV