автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Исследование и построение алгоритмов автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата многократного применения

УДК 629.7.054 На правах рукописи

Братанов Дмитрий Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАЛОГАБАРИТНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА МНОГОКРАТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

05.11.03 - Приборы навигации

4843261

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7

ппЗ 2011

Москва 2010

4843261

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель:

Окоёмов Барит Николаевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Рахтеенко Евгений Романович доктор технических наук, профессор ОАО ГСКБ «Алмаз-Антей» им. академика A.A. Расплетина

Евстифеев Валентин Васильевич кандидат технических наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ведущая организация:

ООО «Текнол», г. Москва

Защита диссертации состоится «26» января 2011 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д212.141.19.

Автореферат разослан « fí ъ&ЛмУаа* 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук ^——у Бурый Е.В.

/' -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Интенсивная разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА) многократного применения является характерной тенденцией развития мирового авиастроения в настоящее время и в ближайшей перспективе. К малогабаритным относят БЛА с взлетной массой ш от 7 до 400 кг, способные совершать полеты на высоте Н до 4600 м и на расстояния L до 500 км. Преимуществами малогабаритных БЛА являются: высокая мобильность, многофункциональность, относительная дешевизна конструкции и малая уязвимость. При этом к бортовому оборудованию таких БЛА предъявлены жесткие массогабаритные требования. Они обусловливают при проектировании пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) переход от резервирования агрегатов и систем навигации и стабилизации «по подобию» к функциональному резервированию, а также побуждают к синтезу нетрадиционных схем навигации и стабилизации.

Важными задачами ПНК современного БЛА являются построение и реализация оптимальных по заданным критериям траекторий полета, а также своевременное и соответствующее внешним факторам автономное изменение этих траекторий на базе минимально сложной информационной системы. Решение таких задач и удовлетворение требований к малогабаритным БЛА должна обеспечить автоматическая пилотажно-навигационная система (АПНС):

Построению ПНК и навигационных систем посвящены работы таких ученых, как академик Красовский A.A., академик Поспелов Г.С., д.т.н. Михалев И.А., д.т.н. Романенко Л.Г., д.т.н. Салычев О.С., д.т.н. Харьков В.П., к.т.н. Чикулаев М.С, Holzapfel F., Stevens В., Lewis F. и многих других. В их работах исследованы ПНК, в основном, пилотируемых самолетов или отдельные режимы работы системы управления БЛА.

Решение задачи терминальной навигации - обеспечение выхода БЛА в заданную точку пространства в заданный момент времени с заданной скоростью полета - имеет большое значение для организации полетов. Работы в области терминальной навигации, для которой ICAO использует термин «4D навигация», в настоящее время проводят научно-технические центры США, Германии, Франции, Канады, что подчеркивает актуальность задачи. Применительно к малогабаритным БЛА терминальная навигация имеет ряд особенностей, связанных с высокой «чувствительностью» к возмущениям атмосферы и требуемой автономностью функционирования.

В диссертации решена задача терминальной навигации на основе синтезированного алгоритма управления (АУ) автомата тяги (AT) малогабаритного БЛА и идентификации ветровых возмущений.

Цель работы и задачи исследований

Целью диссертационной работы является синтез структуры и алгоритмов управления АПНС малогабаритного БЛА многократного применения, обеспечивающих реализацию траекторий полета, оптимальных по времени прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, а также повышение живучести.

Объектом исследования в диссертации является система «БЛА - АПНС».

Предмет исследования - структура и алгоритмы АПНС.

Диссертация является развитием принципов построения эффективных систем навигации БЛА; в ней сформулированы и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ и выполнено формирование структуры АПНС, построенной на основе агрегатов структурно нерезервированных систем навигации и стабилизации с учетом функционального резервирования на основе автономного, дистанционного и комбинированного принципов навигации.

2. Обеспечена автономная навигация и стабилизация БЛА без использования информации о его угловой ориентации.

3. Обеспечена высокоточная терминальная навигация посредством интеграции сигналов датчиков первичной информации (ДНИ), приемника спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАССЛЗРБ и оптической навигационной системы.

4. Повышена живучесть БЛА при отказах элементов АПНС путем автоматической реконфигурации ее структуры на основе результатов контроля функционирования этих элементов.

Научная новизна исследований

1. Разработана и исследована структура АПНС для класса малогабаритных БЛА, обеспечивающая реализацию АПНС при минимальных массе и габаритах.

2. Впервые разработаны алгоритмы терминальной навигации для малогабаритного БЛА многократного применения, реализованные в автомате тяги двигателя с винтом фиксированного шага (ВФШ) и дополненные алгоритмами идентификации крупномасштабных ветровых возмущений для обеспечения требуемой точности навигации.

3. Состоятельность разработанной структуры АПНС и алгоритмов ее функционирования подтверждена результатами численного моделирования и выполненных летных испытаний.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы навигации и стабилизации БЛА без использования информации о его угловой ориентации, обеспечивающие повышение живучести БЛА.

Практическая ценность

1. На базе серийно выпускаемых малогабаритных агрегатов систем навигации и стабилизации создан макет АПНС, в котором реализованы разработанные в диссертации структура и алгоритмы управления.

2. Подтверждена работоспособность специального программного обеспечения, реализующего алгоритм терминальной навигации БЛА на требуемые расстояния с заданной точностью с учетом идентификации крупномасштабных ветровых потоков.

3. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики ВФШ двигателя, обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний с средней относительной погрешностью 10 %.

4. Разработаны АУ автомата стабилизации (АС) угловой скорости рыскания юу, которые обеспечивают стабилизацию и навигацию БЛА с использова-

нием сигналов ограниченного числа ДПИ. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний.

Достоверность результатов

Достоверность результатов основана на корректном применении методов теории автоматического регулирования и на сравнении результатов моделирования работы синтезированных алгоритмов АПНС с экспериментальными данными полетов малогабаритного БЛА.

Реализация и внедрение результатов

Результаты работы реализованы в оборудовании, установленном на летающей лаборатории малогабаритного БЛА ОАО «МНПК «Авионика»; использованы в учебных курсах кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им, Н.Э. Баумана, что подтверждено актом о внедрении.

Методы исследования

Теоретические исследования базируются на использовании современных методов теории оптимального управления, методов решения обратных задач динамики, методов математического моделирования.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в двух статьях в журнале «Вопросы оборонной техники. Серия 9», входящем в перечень ВАК.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 7 конференциях, в том числе:

- на второй Всероссийской научно-технической конференции «Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Современное состояние и перспективы развития» (ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Москва, 2008 г.);

- в 2008 - 2009 гг. на первой и второй конференциях молодых ученых и специалистов Московского отделения Академии навигации и управления движением (ФГУП «ЦНИИАГ», Москва).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы из 77 наименований и приложений. Она изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков и 35 таблиц.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме на основе интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАССЛЗРЗ и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА.

2. Алгоритм формирования и реализации пространственно-временной траектории полета для решения задачи терминальной навигации с учетом энергетических возможностей БЛА и внешних атмосферных возмущений.

3. Алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда информационных систем.

4. Алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации их влияния.

5. Алгоритм реконфигурации структуры АПНС для повышения живучести БЛА, основанный на реализации принципа функционального резервирования по результатам контроля функционирования ее элементов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, направления исследований, показана практическая значимость, приведены обзор литературы по тематике и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ малогабаритного БЛА многократного применения как объекта стабилизации и навигации, его задач и режимов эксплуатации. Проанализированы основные направления развития современных пилотажно-навигационных систем для БЛА рассматриваемого класса, систематизированы требования к таким системам.

При выборе математической модели (ММ) движения БЛА для синтеза структуры АПНС будем полагать, что конструкция самолета является абсолютно жесткой, полет происходит при углах тангажа не равных ±90°, справедлива гипотеза стационарности, массовые и инерционные характеристики объекта на рассматриваемых интервалах времени постоянны. Тогда ММ движения БЛА с использованием общепринятых обозначений имеет вид: 1хёх -(Iy -Iz)aywz-Ixy(ту-ахтг) = Мх; 1у°>у - (/- - Ix)<dz(ox - lxy{ó)x + а>ушг) = М/, 1ж -(/, -1у)(ох(оу -1ху(со2х-а]) = М:-Рур cos<рР;

m{Vx + 0yVz -a>zVy) = Pcos<pP -Ха cosacosР + í^sina-Z0cosasin/?-Gsm19; m(Vy + cozVx - mxVz) = Psm<pP + Xa súmeos/? + Ya cosa + Za sinasin/? - Gcos^cos^; m{Vz + coxVy-coyVx) = -Xa sin p + Z0 + G eos 9 sin y,

(Ox - ф sin 3 + y; (1)

ay - iff cos .9 cos у+5 sin со. = -iff cos i9 sin у + & cos y;

xc = Vx cos x xg+Vy cosyxg + Vz cos z xg;

л л л

yc = Vx cos x yg+Vy cos у ye + Vz cos z yg;

л л л

zc — Vx cosx zg+ Vy cos y zg + Vz cos z zg.

Для малогабаритных БЛА могут быть реализованы автономный, дистанционный и комбинированный принципы навигации и стабилизации, согласно которым режимы навигации и стабилизации можно разделить по признаку участия оператора удаленного пункта навигации и управления (ПНУ) в процессе полета в соответствии со схемой на рис. 1.

Выделены следующие автономные режимы, обеспечивающие автоматические формирование и реализацию сформированной траектории полета:

1. Режим терминальной навигации «4D - Маршрут».

2. Режим навигации «3D - Маршрут».

3. Режим автоматического возврата БЛА в окрестность точки старта «Возврат» (основной, резервный и аварийный).

4. Режим автоматического захода на посадку и посадки.

АВТОНОМНЫЙ ПРИНЦИП НА8ИГАЦИИ

2Г

ДИСТАНЦИОННЫЙ принцип навигации

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА

Терминальная навигация БЛА 40-МАРШРУТ (авшмапмеамй выход в заданную точку пространства ч в заданно» время с заданной путевой скоростью) ^

Навигация БЛА ЗЕШАРШРУТ (автоматщесиий выход в заданную точку пространства)/

С ВОЗВРАТ БЛА "

I (автоматичеоый возврат БЛА в офестностъ старта)

г ВОЗВРАТ БЛА л

ОСНОВНОЙ (возвращение БЛА с использованием полного ч_вектора состояния) у

ВОЗВРАТ БЛА РЕЗЕРВНЬЙ (возвращение БЛА с использованием .жформации ограниченного количества ДЛИ).

ВОЗВРАТ БЛА АВАРИЙНЫЙ (возвращение БДА с использованием оптической навигационной системы)

Автоматический заход на посадку и посадка БЛ/ I._ЗАХОДи ПОСАДКА_

КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРИНЦИП НАВИГАЦИИ

ДИСТАНЦИОННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА

Дистанционная коррекция 40-Маршрута БЛА

КОРРЕКЦИЯ 40 МАРШРУТ (автоматическая отработка обновленного 4[Маршрута по ГШ и ТВП, переданным оператором ПНУ)

Дистанционная коррекция ЗО-Маршрута БЛА КОРРЕКЦИЯ 30 МАРШРУТ (автоматичеасая отработка обновленного 30-маршрута по ППМ, переданным оператором ПНУ)

Командный ВОЗВРАТ БЛА РЕЗЕРВНЫЙ РЕМ1М (возвращение БЛА по команде оператора ПНУ в _окрестность старта)___

Заход на посадку БДА КОМАНДНЫЙ ЗАХОД НА ПОСАДКУ БЛА

Посадка БЛА КОМАНДНАЯ ПОСАДКА БЛА

ДИСТАНЦИОННЫЕ ФОРМИРОВАНИЕ РЕАЛИЗАЦИЯ ТРАЕКТОРИИ БЛА Дистанционная стабилизация БЛА ^ оператором ПНУ

(пилотирование БЛА оператором ПНУ)

гт-х:

Стабилизация БЛА по параметрам полета основной РЕЖИМ

(пилотирование БЛА по полному

_вектору состояния)_

Стабилизация БЛА по сигналам ограниченного количества ДЛИ

РЕЗЕРВНЫЙ РЕЖИМ (пилотирований БЛА по неполному вектору состояния)

Визуальная стабилизация БЛА

АВАРИЙНЫЙ РЕЖИМ (пилотирование БЛА по визуальному сопроктщвнио)

Рисунок 1. Структура режимов навигации и стабилизации малогабаритного БЛА многократного применения

Режим терминальной навигации «4О - Маршрут» является основным режимом БЛА. Он реализует навигацию по промежуточным пунктам маршрута (ППМ) с применением методов обратных задач динамики, имеет общую с режимом навигации «ЗЭ - Маршрут» структуру стабилизации уклонения от заданной линии пути (ЗЛП). В отличие от схемы стабилизации воздушной скорости режима «ЗБ - Маршрут» для режима «4Б - Маршрут» разработан комплексный алгоритм управления тягой силовой установки, обеспечивающий стабилизацию путевой скорости полета с контролем требуемого времени прибытия (ТВП) в ППМ.

Повышению живучести системы «БЛА-АПНС» способствует функционально резервированный режим «Возврат», который имеет трехуровневую структуру независимых подрежимов. В основном режиме «Возврат» АПНС обеспечивает возвращение БЛА в окрестность точки старта в соответствии с программой полета при работоспособности БИНС и приемника СНС ГЛО-НАССАЗР8. В резервном режиме «Возврат» - при работоспособности ограниченного количества ДЛИ АПНС (отказах БИНС и приемника СНС). В аварийном режиме «Возврат» - средствами оптической навигации (корреляционно-экстремальная навигационная система или пирометрическая система).

Дистанционные режимы навигации применимы при наличии радиоканала между БЛА и оператором ПНУ или в условиях прямой видимости. Аналогично резервированной структуре режима «Возврат» создана резервированная структура режима дистанционного формирования и реализации траектории полета БЛА. В основном режиме дистанционной навигации осуществляется стабилизация БЛА на основе полного вектора состояния. В резервном режиме - с использованием ограниченного количества Д11И. Аварийным режимом является

визуальное пилотирование БЛА оператором ПНУ. Комбинированные режимы навигации обеспечивают коррекцию полетного задания оператором ПНУ и дальнейшую автономную реализацию траектории.

Таким образом, предложена структура режимов навигации АПНС малогабаритного БЛА, обеспечивающая реализацию траекторий полета, оптимальных по времени прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, и повышение живучести БЛА на основе использования функционально-резервированных агрегатов и систем, а также алгоритмов обеспечивающих приемлемое качество стабилизации с использованием ограниченного количества ДЛИ. АПНС объединяет систему ДЛИ (три акселерометра и три датчика угловой скорости (ДУС), датчики полного рп и статического рст воздушного давления, датчики углов атаки и скольжения, трехкомпонентный магнитометр, лазерный высотомер) и вычислитель.

Предложен принцип построения АПНС, в соответствии с которым алгоритмическое обеспечение вычислителя АПНС во взаимодействии с оптической навигационной системой, приемником СНС и бортовым оборудованием реализует автономное непрерывное определение параметров ориентации и навигации БЛА, объединяет алгоритмы формирования и реализации сформированной траектории, обеспечивает реконфигурацию системы ДПИ для повышения живучести системы «БЛА - АПНС» в особых ситуациях, обеспечивает множество режимов, в том числе, режим терминальной навигации. Принципиальная схема АПНС представлена на рис. 2.

Автоматическая пилотажно-навигационная система

Система датчиков первичной информации Инерциальные датчики датчики системы воздушных сигналов

Вычислитель автоматической пилотажно-навигационной системы

Компенсация погрешностей системы датчиков первичной информации

Ж

Коррекция от взаимодействующих систем навигации

2ПГ

Взаимодействующие системы навигации

Приемник спутниковых навигационных систем

Решение задачи бесплатформенной инеоииальной

Бортовая оптическая корреляционно-экстремальная навигационная система

( Бортовое оборудование БЛА ) Наземные системы }

Рисунок 2. Принципиальная схема АПНС малогабаритного БЛА многократного

применения

Создание системы автоматической стабилизации (САС) и навигации для нового объекта, выполняющего, в том числе, режим терминальной навигации, требует решения следующих задач:

- получение и исследование аэродинамических характеристик БЛА.

- получение тяговой характеристики Р силовой установки как функции ско-

рости набегающего потока V, частоты вращения вала п и геометрии D винта.

Традиционный подход натурных замеров таких характеристик на динамическом стенде в аэродинамической трубе сопряжен с большими финансовыми и временными затратами.

В работе для сокращения сроков и стоимости разработок проанализированы и применены современные аналитические методы и средства автоматизированного проектирования:

- методом дискретных вихрей проф. Гуляева В.В. (ВВИА им. Н.Е. Жуковского) по вихревой схеме БЛА рассчитаны аэродинамические характеристики планера БЛА на базе модели «Piper J3 Cub»;

- тяговая характеристика электрического двигателя Aoxing Brushless Motor с тяговым ВФШ ЕМР 13"х8" на эксплуатационных скоростях полета получена с помощью программы PropCalc 3.0.

Соответствие ММ движения БЛА, полученной аналитическим аэродинамическим расчетом, реальным полетам БЛА было подтверждено результатами проведенных летных испытаний. С этой целью было выполнено:

- сравнение «свободного» движения БЛА по координате Креал, зарегистрированной в полете, с реакцией ММ БЛА по той же координате киод на зарегистрированные в полете отклонения рулевых поверхностей 5\

- сравнение движения системы «САС-БЛА», зарегистрированного в полете при стабилизации по координате кецлл на заданном значении кзлд (Нзад, Ч'зад, Узад), с реакцией ММ «САС-БЛА» по той же координате кмод на сформированное заданное значение кЗАд.

Критериями соответствия ММ реальному БЛА являются оценки средних относительных погрешностей реальных и модельных данных по nt контрольным временным отсчетам:

g, = Kmt ~Кмоа -100%;gf =-i>„ .

КГЕЛЯ пе '-I

В табл. 1 и на рис. 3 приведены результаты сравнения переходных процессов ММ БЛА и данных из летных испытаний.

Таблица 1

217 218 219 220 221

Рисунок 3. Сходимость летных испытаний и данных математического моделирования

Координата к max sK er>

% %

Угол крена у 21,5 11,2

Угол тангажа 9 18,6 8,3

Высота полета Н 5,5 ЗД

Скорость полета V 13,7 9,6

Курс полета У 4,1 2,0

Средняя относительная погрешность параметров движения в математическом моделировании и в полете находится в пределах 10%, что свидетельствует о соответствии ММ БЛА реальному БЛА в летных испытаниях и, в целом, об эффективности примененных методик.

Вторая глава посвящена исследованию и синтезу алгоритмов терминальной навигации «4Б- Маршрут», обеспечивающих вывод БЛА из начального состояния с координатами (х0, г0) в заданную точку пространства с координатами (хц, гц) с заданной путевой скоростью У^ад за фиксированное время Цщ = 1К - /0. Траектория полета БЛА в земной нормальной системе координат (СК) может быть априори сформирована как последовательность известных координат ППМ (рис. 4) и представлять собой совокупность кусочно-ломанных прямолинейных траекторий общей длиной ЬЗАд.

Ввиду высокой «чувствительности» малогабаритного БЛА к ветровым возмущениям и из-за требований к автономности его функционирования при терминальной навигации необходимо учитывать влияние крупномасштабных ветровых возмущений с вектором скорости IV, т.е. разработать алгоритм бортовой идентификации таких возмущений. К крупномасштабным ветровым возмущениям относят глобальные и струйные течения, в которых среднее значение скорости ветра сохраняется постоянным в пределах десятков километров.

Выделены 3 этапа в разработке алгоритмов терминальной навигации.

1. Синтез алгоритма астатического автомата тяги (АТ) для стабилизации заданной скорости полета.

2. Синтез алгоритма идентификации крупномасштабных ветровых возмущений на основе комплексной обработки информации бортовых ДЛИ.

3. Обеспечение выхода БЛА в заданную точку пространства с заданной путевой скоростью прибытия в заданное время прибытия с учетом энергетических возможностей БЛА и идентифицированных внешних возмущений.

Изменение путевой скорости У„ полета системы «БЛА-АТ» определяется системой нелинейных дифференциальных уравнений:

Рисунок 4. Траектория полета БЛА в земной нормальной СК

К(0= —

Р-с,

Я-вьтв

■ Р(!) = ±[к(Г,п)пш-г], (2)

где Г - постоянная времени, характеризующая динамические свойства силовой установки; п, Щлд- текущая и заданная частота вращения вала силовой установки; К(У,п) - коэффициент связи п и V с тягой Р.

Требуется найти управление издд(0> обеспечивающее движение БЛА со скоростью полета упзад(0 при минимизации функционала

при ограничении Уп(() - Упзлм(0 = 0.

Требования к качеству переходных процессов (ПП) АТ при стабилизации УпШ (/) формируют с использованием следующих параметров: Ту и Тп - постоянные времени ПП по скорости и частоте вращения вала силовой установки {Тп<£.Ту)\ а у <10% и сг„ ¿10% - максимальные перерегулирования по скорости полета К и по частоте п вращения вала силовой установки.

Структура АУ АТ, синтезированного структурно-параметрическим методом концепции обратных задач динамики, представляет собой математическую зависимость, вид которой зависит от описания управляемого процесса. Приведены этапы формирования заданного значения тяги РЗАд и заданной частоты вращения вала пзлд силовой установки БЛА:

Рш (0 = /?,тД V++ Сзт 6>;

л«Л0 = АД)—-—тАК+ Р°т схБд + (\-А0Т)п(1), (4)

злд\> п''« к(у,п) К(У,п) ' К 0 7

где АУ = УпШ~Уп; I?,=1/Гк;/?0=1/Г„.

На рис. 5 представлены графики ПП системы «БЛА - АТ» по стабилизации скорости полета V = 23 м/с, полученные: (а) моделированием полной нелинейной ММ «БЛА - АПНС»; (б) в результате летных испытаний специального программного обеспечения (СПО), реализующего синтезированный АУ АТ.

П |0б1мин)

\ ! .................;........;.........;...........1........ ............................;.........:........;.......

61103 0 I 2 3 4 5 6 7 В 9 га и I) 13 И 15 1Б 17 Ш 19 Ж, с

КМ

0 1 2 3 4 5 Б 7 8 5 10 11 13 13 14 15 18 17 13 19 Ям

Рисунок 5 а. Графики ПП моделирования системы «БЛА - АТ»

(1 Ш/иии!

7Б7ВИ]ЙМе6805О92 94 Э6Эа 1001. е

Рисунок 56. Графики ПП системы «БЛА - АТ» в летных испытаниях

Приведенные графики ПП демонстрируют устойчивую работу АУ АТ с требуемым качеством стабилизации, как при математическом моделировании, так и в летных испытаниях СПО для АПНС малогабаритного БЛА.

ММ траекторного движения БЛА в проекции на оси связанной СК при горизонтальном полете (а* = ау - соъ = 0) и ММ крупномасштабных ветровых возмущений для задачи их идентификации в предположении отсутст-

вия вертикальных порывов ветра 1¥У1; представлена следующей системой:

п5); соз5); ^ =0. (5)

ММ измерительной системы определена совокупностью уравнений:

К=К,; К = к,; У = . (6)

где - ошибки определения соответствующих скоростей.

Задача идентификации крупномасштабных ветровых возмущений может быть сформулирована следующим образом: для объекта (5) по измерениям (6) с учетом модели датчиков аэродинамических углов а и р требуется оценить вектор состояния х = (^.КуК^^'^У■

Решение данной задачи может быть получено на основе одного из известных методов оценивания, например, фильтра Калмана (ФК). Тогда можно записать уравнение для оценок в непрерывной форме:

¿(1) = К(фО)-Ь(х)], (7)

где К(0 - матричный коэффициент усиления; х(0 = (у£,а',/2'У -вектор измерения (знаком «*» обозначены измеряемые величины); Ь(х)- «прогноз» вектора измерений, полученный по известному вектору оценок,

Процедура определения компонентов вектора скорости ветра в нормальной СК ОХ ¡Усостоит из выполнения следующих этапов. 1. Формирование показаний датчиков:

^шг/= ^ш? + ^; у* - Ко/+> ~ Ущ + ¿у*'

у; -к,)2 ну*-к,)2 НУ, ;

Ч

^ Ьоу >

(X) = агмт

V -IV

гту] "у!

V -Ш

/Г. = агат . « 11 ■+£, ;

-КУ н^-^)2 НК, -КУ

где 4ц- функциональные ошибки измерения компонент век-

тора измерения, представляющие собой дискретные случайные процессы.

2. Формирование дисперсионной матрицы погрешностей прогноза:

где V/./ - дисперсионная матрица погрешностей оценивания на (/ - 1) шаге; 0„ - дисперсионная матрица шума вектора управления.

3. Формирование дисперсионной матрицы погрешностей оценивания.

3.1. Вычисление матричного коэффициента усиления Ку = Р;НУ[Н;РУН, + к] ', где К - диагональная дисперсионная матрица шумов измерений;

Ну— матрица наблюдений линеаризованной системы.

3.2. Вычисление дисперсионной матрицы погрешностей оценивания:

У,=Р,-К,Н,Р,.

4. Формирование оценки вектора состояния: х, = ху

где х,- прогноз вектора состояния на_/-ом шаге, причем: X; = хи +Г иу.

5. Вычисление модуля вектора скорости ветра IV и угла направления Щу

ветра в земной СК: 1Г = 5 ^ = апЛап^ ). (8)

Основные параметры ФК, начальные значения матриц определены на основании теоретических исследований, приведенных в диссертационной работе.

На практике представленный алгоритм реализуем, но сопряжен со значительными вычислительными процедурами оценивания. Упрощение алгоритма возможно при допущении, что система «БЛА — АПНС» выполняет полет в режиме «ЗБ - Маршрут» или «4Б - Маршрут», т.е. обеспечивается стабилизация ЗЛГТ, углы крена и тангажа близки к нулю.

В табл. 2 приведено сравнение математических ожиданий (МО) направления щ и скорости }¥ ветра, полученных метеорологической службы аэродрома и в ходе наземных наблюдений, с результатами работы алгоритма идентификации этих параметров в летных испытаниях. Близость результатов подтвердила эффективность алгоритма.

__Таблица 2

Параметр Математические ожидания параметров вектора ветра

данных метеослужбы наземных наблюдений расчетных значений

W, м/с 2,5 2,7 3,0

Ww 330° 320° 307°

При заданном времени ¡зад выхода БЛА в заданную конечную точку «Ц» (ППМм) требуемая средняя путевая скорость полета без учета времени разворотов равна:

= (9)

Расчет временных границ прибытия tmin и tnax в заданную точку пространства с заданной скоростью при допущении, что БЛА способен выполнять равноускоренный разгон и торможение с предельными ускорениями а^ и аттш соответственно, может был. выполнен следующим образом:

'min = Азд I ^rnnax (Унтах ~ ^iiH ) I °шах » (10)

'max ~ ^ЗАД I ^тшл (^nmrn — ^пН V ömaх •

Вторые слагаемые в (10) характеризуют время для выхода с начальной скорости Ут либо на максимальную Уптах, либо на минимальную Fnmin.

После идентификации параметров ветра Wt и (//„, и при заданных ППМ известно направление ветра относительно каждого г'-го участка пути - угол ср< (рис. 4). Воздушная скорость Vна каждом участке определятся как: V = W + Vn, тогда в скалярном виде для требуемых скоростей справедливо:

^треб vn треб > ( ч )

где Wi = [fpjcosp, - проекция вектора скорости ветра на ЗЛП г-го участка пути.

Для обеспечения выхода БЛА в заданную точку пространства за заданный время /зад с заданной скоростью Упзад необходимо минимизировать функционал качества/:

I=L3ÄÄ-L- Уиз^злд-0, (12)

где L и / - текущие пройденный путь и продолжительность выполнения режима терминальной навигации.

Функционал (12) представляет собой текущую разность требуемого пути и «располагаемого» пути - пути, который БЛА пролетел бы двигаясь со скоро-

стью Уозад в течение времени, оставшегося до выхода в заданную точку. При пересчете в приращение частоты вращения вала силовой установки данная разность может быть записана следующим образом: Ьптц — Ктн1.

Таким образом, алгоритм терминальной навигации малогабаритного БЛА состоит из следующих операций.

1. Идентификация и коррекция параметров постоянного горизонтального ветра для каждого /-го участка полета в реальном времени: щ.

2. Определение требуемой средней путевой скорости УпТРЕБ по формуле (9).

3. Расчет требуемых воздушных скоростей Утреб на каждом участке полета по формуле (11).

4. Проверка осуществимости требуемых воздушных скоростей:

Ущ'т ~ ^ТРЕБ (0 — Кпах >

в случае невыполнения — коррекция заданного времени возврат к п.2.

5. Проверка осуществимости заданной воздушной скорости:

Кот - ^ад(') - ^гпах >

в случае невыполнения - коррекция УпЗАд и возврат к п.2.

6. Определение заданной частоты вращения по формулам (4) и (12):

Т + + С1 - А/НО + Ктн1

К{У,п)

МК

пЗЛД

2 К(У,п)

1. Ограничение заданной частоты вращения ВФШ силовой установки:

"шш ^ п>зад "шах •

Рисунок 6. Структурная схема системы «БЛА - АТ» в режиме терминальной

навигации

Работоспособность синтезированных алгоритмов терминальной навигации подтверждена результатами математического моделирования (рис. 7) и летных испытаний.

v(wej

KM"

ш.

S 10 15 M 25 30 35 (0 45 50

t i::i

К « 95 1001.

5 10 15 20 25 M 35 « 45 50

20OO 1 500 1 000

Чпл.СзАЛ- L—-T" зд|' zrgzr

...X-L- ___Г---• —Η 1 дх:г1::::!::х:

65 70 75 80 85

9S 100 1, с

5 10 15 20 25 X 35 40 45 50 55

Рисунок 7. Графики ПП системы «БЛА - АПНС» в режиме терминальной навигации по выходу БЛА к точке с удалением ¿зад=2000 м за ГЗАд=90 с путевой скоростью прибытия У^ад = 20 м/с

В третье главе выполнен синтез алгоритмов АПНС для повышения живучести системы «БЛА - АПНС». Разработаны АУ АС с координатой управления угловой скоростью рыскания <иу, которые обеспечивают стабилизацию и навигацию БЛА с использованием сигналов ограниченного количества ДНИ. Эффективность алгоритмов подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний. Исследованы три метода контроля соузлд, не допускающего превышения задаваемого максимального значения угла крена УзАдтлх: методы на основе упрощенных и полных уравнений бокового движения БЛА и метод, изложенный в Пат. 2042170 РФ. В рассмотренных трех случаях относительные погрешности оценки углов крена при моделировании полной ММ системы «БЛА - АПНС» по выходу на угловую скорость соузАд = 10°/с не превышают 7 % (соответственно: ёп =7%, ёГг =5%, =4%), что дает основания использовать простейший метод на основе упрощенных уравнений бокового движения БЛА. В работе выполнен учет влияния погрешностей измерений соу на точность стабилизации.

Проведен синтез и сравнение работы трех различных АУ АС угловой скоростью рыскания (йу. На рис. 8 приведена структурная схема системы «БЛА - АС угловой скорости рыскания шуу> с АУ, обеспечивающим наилучшее качество стабилизации:

(13)

JH - ^АД № + К] К - ^УЗАД ) + К

©V

гпе- KS} .Ks3 ^ 1 .yh = 2%ж(Ъ\Тж 2%ж).т . -желяе-

где. л,, - - - . , 7,2 ' 2ж> С.ж желае-

о3Й47ж

мые параметры ПП; ¿>ь Ь3,64 - коэффициенты линейной ММ БЛА.

Рисунок 8. Структурная схема системы «БЛА - АС угловой скорости рыскания

Оу» с АУ (13)

Алгоритм выполнения программного разворота без информации об ориентации БЛА по разовой команде (РК) на включение резервного режима «Возврат» состоит из операций:

1. Расчет максимально допустимой угловой скорости рыскания а>утах, исходя из ограничения по углу крена Уидтш-

©ymax = ~ УзАДтах gW-

2. Интегрирование показаний ДУС С0у с целью получения оценочного значения угла азимута: А = \coydt.

3. Вычисление заданной угловой скорости разворота a>y3^ = К^' - А), где: Чпс ~Wdir -Wops ~ курсовой угол на позицию старта; уDm- направление на позицию старта, относительно направления на север; y/cps - угол курса.

4. Ограничение й)^nax в пределах от - Юутах до c^max-

5. Отработка (оуЗМ АС угловой скорости рыскания юу с АУ (13). Структурная схема резервного режима «Возврат» представлена на рис.9.

Рисунок 9. Структурная схема АУ резервного режима «Возврат»

Анализ ПП по моделированию АУ резервного режима «Возврат» с формированием и отработкой разворота на угол Ч'пс= 120°, и следование в окрестность позиции старта (рис. 10) подтверждает выполнение требований к режиму «Возврат» и обеспечение резервного способа стабилизации и навигации, повы-

шающего живучесть системы «БЛА - АПНС».

О 2 4 6 в 10 12 1* 1В 18 20 22 24 Ж 20 30 32 34 36 38 40Т.С 0 2 4 6 8 10 12 14 16 13 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 «Т.с

гж:

0 2 4 6 8 10 12 14

2)22 24 26 26 30 32 34 36 38 40Т.С

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 28 28 30 12 34 36 38 ЮТ*

Рисунок 10. Графики ПП системы «БЛА-АПНС» в режиме «Возврат»

(разворот на 120° по азимуту с ограничением соу, исходя из утт= 15°)

Кроме этого, преимуществом АС угловой скорости рыскания С0у является обеспечение меньшей величины бокового уклонения от ЗЛП при действии бокового ветра (меньше на 50 %, чем в полете с АС крена и на 9 % - с АС курса).

Разработанный АУ АС угловой скоростью рыскания соу способен обеспечивать самолетовождение БЛА с использованием сигналов ограниченного количества ДЛИ. Так, для работоспособности резервного режима «Возврат» и безаварийного самолетовождения БЛА необходимы только семи ДЛИ: тх, ау> а>:, ау, рст, Рп, п. Моделирование и летные испытания доказывают, что достаточно использовать сигналы только четырех ДПИ: соу, ау,рСт,Рп (при допустимой потере качества стабилизации).

В работе приведен анализ контролируемых отказов макета АПНС. С использованием подхода функционального резервирования разработан алгоритм переключения режимов АПНС и реконфигурации системы ДПИ.

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

В приложениях приведены технические характеристики макета АПНС и БЛА, на которых были исследованы разработанные алгоритмы, методика и результаты аппроксимации тяговой характеристики силовой установки, а также результаты идентификации параметров ветра в летных испытаниях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложен принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме, основанный на интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/ОРБ и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА.

2. Разработаны алгоритмы формирования и реализации пространственно-временной траектории полета БЛА для решения задачи терминальной навигации - автоматического выхода в заданное время прибытия и с заданной путевой скоростью прибытия в заданную точку пространства.

3. Синтезированы алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда информационных систем, характеризуемый малыми отклонениями от заданной линии пути при атмосферных возмущениях.

4. Для повышения точности работы автомата тяги и АС угловой скорости рыскания разработаны и испытаны алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации этих возмущений.

5. В целях повышения живучести системы «БЛА - АПНС» при возникновении нештатных ситуаций, связанных с отказом ряда ДЛИ, разработан алгоритм реконфигурации системы ДЛИ дня обеспечения возврата БЛА.

6. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики силовой установки с ВФШ, обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний со средней относительной погрешностью 10 °/о.

7. Устойчивая работоспособность синтезированных и реализованных в СПО алгоритмов макета АПНС, созданного на базе серийно выпускаемых агрегатов и систем, подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний малогабаритного БЛА в различных метеоусловиях (выполнено 34 полета).

ОСНОВНЫЕ ТРУДЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Братанов Д.А. Исследования и испытания алгоритмов автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата // Вопросы оборонной техники. Сер. 9 - специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. 2010. Вып. 3(244) - 4(245). С. 116 -126.

2. Построение автоматической навигационной системы для малогабаритного беспилотного летательного аппарата / Д.А. Братанов [и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 9 - специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. 2009. Вып. 1(236) - 2(237). С. 10 -16.

3. Братанов Д.А., Кулабухов B.C. Функции "электронного штурмана" в автоматической навигационной системе БЛА // Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Современное состояние и перспективы развития: Тез. докл. второй ВНТК. Москва, 2009. С. 322.

4. Братанов Д.А., Кулабухов B.C. Алгоритм локально-оптимального прогнозирующего управления в задачах автоматической навигации и ориентации летательных аппаратов // Актуальные проблемы российской космонавтики: Сборник материалов XXXII академических чтений по космонавтике. М., 2008. С. 335-336.

5. Братанов Д.А. Оптимизация управления беспилотного летательного аппарата // Студенческая наука: Сборник тезисов первой московской межвузовской научно-практической конф. Москва, 2006. С. 204-205.

Подписано к печати 15.12.10. Заказ №758 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИП АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МАЛОГАБАРИТНОГО БЛА МНОГОКРАТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1. Объект навигации - малогабаритный БЛА многократного применения

1.2. Задачи и типовая траектория полета малогабаритного БЛА.

1.3. Функциональные требования к малогабаритному БЛА и его бортовому оборудованию.

1.4. Возможные пути построения навигационных систем для БЛА.

1.5. Принцип автоматической пилотажно-навигационной системы.

1.5.1. Источники информации на борту БЛА, входящие в АПНС.

1.5.2. Требования к бортовым источникам информации АПНС.

1.6. Исходная математическая модель движения БЛА.

1.7. Аналитическая методика анализа БЛА в задаче синтеза АПНС.

1.7.1. Аналитическое определение аэродинамических характеристик.

1.7.1.1. Метод дискретных вихрей.

1.7.1.2. Пересчет аэродинамических производных на реальную центровку

1.7.2. Аналитическое определение тяговой характеристики винта двигателя.

1.7.3. Методика подтверждения адекватности математической модели движения БЛА на основе аналитического аэродинамического расчета и реальных летных испытаний.

1.7.4. Расчет значений коэффициентов линейной модели движения БЛА.

1.7.5. Анализ устойчивости БЛА.

1.7.6. Анализ показателей управляемости БЛА в соответствии с возможностями оператора пункта навигации и управления.

Выводы по главе 1.

3 стр.

ГЛАВА 2. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ТЕРМИНАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ

АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ^

МАЛОГАБАРИТНОГО БЛА.

2.1. Синтез алгоритмов автомата тяги для стабилизации скорости полета.

2.1.1. Постановка задачи.

2.1.2. Алгоритм управления автомата тяги.

2.1.3. Математическое моделирование и летные испытания алгоритмов управления автомата тяги.

2.2. Идентификация крупномасштабных ветровых возмущений на основе комплексной обработки информации бортовых систем.

2.2.1. Общие замечания.

2.2.2. Математическая модель крупномасштабных ветровых возмущений

2.2.3. Модель измерительной системы.

2.2.4. Математические модели траекторного движения БЛА в возмущенной атмосфере.

2.2.5. Постановка задачи вычисления параметров вектора скорости ветра

2.2.6. Алгоритм вычисления параметров вектора скорости ветра по редуцированной модели (дискретный вариант).

2.2.7. Упрощенный подход к определению параметров вектора скорости ветра.

2.2.8. Моделирование алгоритмов определения параметров вектора скорости ветра.

2.2.9. Реализация алгоритмов идентификации крупномасштабных ветровых возмущений и практические результаты.

2.3. Способ расчета заданной скорости полета с учетом идентифицированных крупномасштабных ветровых возмущений.

Выводы по главе 2.

4 стр.

ГЛАВА 3. СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ АПНС ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ СИСТЕМЫ «БЛА - АПНС».

3.1. Принципы резервирования алгоритмического обеспечения АПНС.

3.2. Режимы работы АПНС.

3.3. Подход комплексной обработки информации.

3.4. Алгоритм стабилизации угловой скорости рыскания.

3.4.1. Общие положения.

3.4.2. Автомат стабилизации угловой скорости рыскания АСиу.

3.4.3. Учет влияния погрешностей измерений угловой скорости рыскания

3.4.4. Моделирование движения системы «БЛА-АС ссу>.

3.5. Сравнение методов контроля предельных углов крена.

3.6. Летные испытания режима дистанционной стабилизации угловой скорости рыскания.

3.7. Резервный режим навигации «ВОЗВРАТ».

3.8. Оценка восприимчивости системой «БЛА - АПНС» крупномасштабных ветровых возмущений.

3.9. Контролируемые отказы макета АПНС.

3.10. Логика переключений режимов макета АПНС.

3.11. Выводы по главе 3.

Интенсивная разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА) многократного применения является характерной тенденцией развития мирового авиастроения в настоящее время и в ближайшей перспективе. Потребность в беспилотной авиации превратила ее в самый быстрорастущий сегмент мирового авиационного рынка. Это обусловлено тем, что БЛА предоставляют потребителю многочисленные преимущества [1]. Интенсивные работы по созданию возвращаемых БЛА явно свидетельствуют об очевидном потенциале данного направления. Так, например, специалисты NASA и Министерства обороны США ежегодно публикуют "дорожную карту" развития отрасли беспилотных летательных аппаратов на 25-летнюю перспективу.

Действительно, БЛА могут находиться в воздухе и выполнять свою I целевую задачу в течение значительного промежутка времени в ситуациях, связанных с риском для здоровья экипажа. Более того, развитие беспилотной ударной и разведывательной авиации является актуальной задачей повышения обороноспособности страны. Долгосрочные планы развития ВВС РФ предусматривают наряду с развитием и активным использованием многофункционального фронтового самолета 5-го поколения, созданием научно-технического задела по разработке легкого фронтового истребителя, авиационного комплекса дальней (стратегической) авиации, перспективных самолетов военно-транспортной авиации, а также создание и освоение ударных беспилотных комплексов.

Беспилотная авиация, по мнению мировых экспертов, уже достигла той стадии развития, при которой возможно её широкомасштабное массовое применение в различных ситуациях. Отсутствие экипажа на борту позволяет в полной мере реализовать принцип сверхманевренности и уменьшить размеры летательного аппарата.

Опыт широкого применения беспилотной авиации в локальных военных конфликтах последнего времени подтверждает растущий оптимизм зарубежных специалистов. Так, широкоизвестный БЛА Predator А/В, разработанный General Atomics Aeronautical Systems в США, по состоянию на сентябрь 2009 года имеет общий налет более 435000 часов. Однако в России же ситуация с беспилотной авиацией выглядит иначе: в июне 2009 года Министерство Вооруженных Сил РФ закупило у Израиля 12 БЛА на сумму в 53 миллиона долларов. В настоящее время ведутся переговоры по покупке еще одной партии БЛА на сто миллионов долларов США.

В настоящее время БЛА многократного применения принято классифицировать по массе, габаритам и диапазону их применения [2]:

- микрогабаритные (микро) БЛА: взлетная масса m < 7 кг, способность совершать полеты внутри зданий или на высоте Н < 130 метров;

- малогабаритные (Мини) БЛА: взлетная масса m = (7 - 400) кг, способность совершать полеты на высоте Н <4600 м и на расстояния L < 500 км;

- среднеразмерные БЛА: взлетная масса m = (400 - 4000) кг, способность в течение длительного времени совершать полет на высоте Н = (4600 - 13700) м и на расстояния L > 500 км;

- крупные БЛА: взлетная масса m > 4000 кг, способность в течение длительного времени совершать полет на высоте Н> 13700 м и на расстояния L> (1000-2000) км.

Наиболее сложным процессом является разработка автоматической пилотажно-навигационной системы для класса микро- и малогабаритных БЛА, некоторые образцы которого приведены в таблице 1.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию и разработке структуры и законов функционирования автоматической пилотажно-навигационной системы малогабаритного БЛА многократного применения с традиционным взлётом и посадкой по самолетной схеме. Опыт мировой эксплуатации показывает, что такой тип посадки снижает уровень аварийности данного типа БЛА.

В таблице 1 представлена информация о ТТХ и состоянии разработок некоторых российских малогабаритных БЛА [3].

Таблица 1.

Тактико-технические характеристики российских малогабаритных БЛА

БЛА Стадия Старт- Крейсерс- Макси- Практическ. Продолжи- Тип разработки вая кая мальная дальность, тельность двигателя масса, скорость, высота, км полета, час

ОКБ Яковлев»

Пчела-1» эксплуатация 138 120 3500 50 3,5 Поршневой

Луч»

Типчак» ОКР,испытания 50 200 3000 40 >2 Поршневой

Новик XXI век»

Отшельник» испытания 60 110 4000 Нет данных 6 Поршневой

ГРАНТ» испытания 20 120 5000 70 34 Поршневой

БРАТ» серия 2,8 100 3000 30 3 Поршневой

Иркуг»

Aerostar» ОКР 200 150 6800 200 14 Поршневой

Эникс»

Элерон» ОКР,испытания 2,8 105 3000 Нет данных 1 Электричес

МКБ «Электрон»

Вертикаль» ОКР 20 120 3000 Нет данных 4 Поршневой

Камов»

Ка-137 ОКР, макет 280 145 2900 530 4 Поршневой

В класс малогабаритных БЛА, кроме приведенных в таблице 1, относят значительную часть динамически подобных копий вновь создаваемых пилотируемых самолетов. Для таких моделей возрастает значение и без того жестких ограничений, накладываемых на габариты и массу систем навигации и стабилизации, и, таким образом, делая практически невозможным построение таких систем на основе традиционных гироскопических датчиков углов крена и тангажа - гировертикалей.

В общем, для БЛА данного класса применимы следующие принципы навигации и стабилизации БЛА: автономный принцип навигации предусматривает процесс формирования траектории между ППМ и автоматическую стабилизацию БЛА на этой траектории только бортовыми средствами; данному принципу свойственны большая

11 I скрытность и помехозащищенность, что ценно для применения в отсутствии соответствующей инфраструктуры и профильных специалистов, а также для операций, имеющих целью скрытное воздействие и получение информации; дистанционный принцип навигации подразумевает пилотирование' БЛА с использованием радиоканала между БЛА и оператором пункта навигации и управления (ПНУ) и ограничен относительно небольшим удалением БЛА от ПНУ (пределами оптической зоны видимости или дальности телепередатчика, транслирующего видеоинформацию, регистрируемую бортовой видеокамерой); данный принцип применим при решении задач, требующих неформализуемых интеллектуальных ресурсов в особых ситуациях полета. комбинированный принцип предусматривает использование как автономного так и дистанционного принципов навигации в зависимости от решаемой задачи БЛА.

Малогабаритные БЛА должна отличать высокая мобильность всех систем, многофункциональность, относительная дешевизна конструкции и малая уязвимость, связанная со сложностью обнаружения объектов такого класса. Поэтому к бортовому оборудованию таких БЛА предъявляют жесткие I требования к массогабаритным характеристикам и необходимому набору функций, обеспечивающих выполнение задач целевой нагрузки.

Вследствие этого, ключевым вопросом разработки БЛА является задача построения пилотажно-навигационной системой траекторий полета, оптимальных по заданным критериям, а также своевременное и адекватное внешним факторам автономное изменение этих траекторий на базе минимально сложной информационной системы [4, 5]. Успешное решение этой задачи обеспечивает существенно более рациональное использование БЛА и способствует достижению основной целевой функции аппаратов данного класса — автономности применения.

Свойства автономности, самодостаточности и функциональной простоты информационных систем являются неотъемлемыми атрибутами концепций облика перспективных БЛА.

Построению пилотажно-навигационных'комплексов (ПНК) и навигационных систем посвящены работы таких ученых как академик Красовский A.A., академик Поспелов Г.С., д.т.н. Михалев И.А., д.т.н. Романенко Л.Г., д.т.н. Салычев О.С., д.т.н. Харьков В.П., к.т.н. Чикулаев М.С, F. Holzapfel, B.L.Stevens, F.L.Lewis и других. В их работах исследованы ПНК, в основном, пилотируемых самолетов или отдельные режимы работы системы управления БЛА.

Однако эти работы в основном относятся либо к ПНК пилотируемых самолетов, либо к отдельным режимам работы системы управления БЛА.

Диссертация является дальнейшим развитием принципов построения эффективных систем автоматической навигации для малогабаритных БЛА. В данной работе на основе комплексного подхода выполнена разработка и проведено исследование структуры и алгоритмов автоматической пилотажноI навигационной системы для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлётом и посадкой по самолетной схеме, наделяющих его новыми эксплуатационными качествами и повышающими живучесть. В работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ и выполнено формирование структуры АПНС, построенной на основе агрегатов структурно нерезервированных систем навигации и стабилизации с учетом функционального резервирования на основе автономного, дистанционного и комбинированного принципов навигации.

2. Обеспечена автономная навигация и стабилизация БЛА без использования информации о его угловой ориентации.

3. Обеспечена высокоточная терминальная навигация посредством интеграции сигналов датчиков первичной информации (ДЛИ), приемника спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС/GPS и оптической навигационной системы.

4. Повышена живучесть БЛА при отказах элементов АПНС путем автоматической реконфигурации ее структуры на основе результатов контроля функционирования этих элементов.

Целью диссертационной работы является синтез структуры и алгоритмов управления АПНС малогабаритного БЛА многократного применения, обеспечивающих реализацию траекторий полёта, оптимальных по времени прибытия и путевой скорости прибытия в заданную точку пространства, а также повышение живучести.

Основные результаты работы опубликованы в двух статьях [45, 53] в журнале "Вопросы оборонной техники. Сер. 9", входящем в перечень ВАК, в отчете о НИР и в семи статьях в периодических журналах и сборниках научных трудов. ! ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы из 77 наименований и приложений] Она изложена на 154 страницах, содержит 37 рисунков и 35 таблиц. |

Выводы и заключение

Основная тенденция развития комплексов стабилизации и навигации БЛА состоит в повышении автономности функционирования. Эффективное использование малогабаритного БЛА многократного применения невозможно без специализированной автоматической пилотажно-навигационной системы.

Сложность разработки такой систем обусловлена массо-габаритными и эксплуатационными требованиями к АПНС, что затрудняет использование традиционного авиационного оборудования и способов его резервирования. Это обусловливает при проектировании АПНС переход от резервирования агрегатов и систем навигации и стабилизации «по подобию» к функциональному резервированию, а также побуждает к синтезу нетрадиционных схем навигации и стабилизации.

Малогабаритным БЛА многократного применения свойственны комбинированный способ управления, в связи с чем возрастает роль системы реконфигурации режимов управления и навигации.

В данной работе в качестве метода синтеза алгоритмов управления применяется метод «обратных задач динамики». Алгоритмы, синтезированные с помощью этого метода, имеют нетрадиционные структуры и придают системам I I естественные свойства адаптивности — слабой чувствительности к изменению 1 параметров и возмущающим силам.

В работе:

1. Предложен принцип построения АПНС для малогабаритного БЛА многократного применения с традиционными взлетом и посадкой по самолетной схеме, основанный на интеграции сигналов инерциальных датчиков, приемника спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/ОР8 и оптической навигационной системы, обеспечивающий повышение живучести БЛА.

2. Разработаны алгоритмы формирования и реализации пространственно-временной траектории полета БЛА для решения задачи терминальной навигации -автоматического выхода в заданное время прибытия и с заданной путевой скоростью прибытия в заданную точку пространства.

3. Синтезированы алгоритмы автономной навигации БЛА в горизонтальной плоскости, обеспечивающие резервный способ самолетовождения в случае отказа ряда I информационных систем, характеризуемый малыми отклонениями от заданной линии пути при атмосферных возмущениях. ! I

4. Для повышения точности работы автомата тяги и АС угловой скорости рыскания разработаны и испытаны алгоритмы идентификации в полете БЛА крупномасштабных ветровых возмущений и компенсации этих возмущений. I

5. В целях повышения живучести системы «БЛА - АПНС» при возникновении нештатных ситуаций, связанных с отказом ряда ДЛИ, разработан алгоритм реконфигурации системы ДЛИ для обеспечения возврата БЛА. ' I

6. Реализована методика аналитического расчета аэродинамических параметров БЛА и динамической тяговой характеристики силовой установки с

ВФШ, обеспечивающая соответствие результатов расчета результатам летных испытаний со средней относительной погрешностью 10 %. N

7. Устойчивая работоспособность синтезированных и реализованных в СПО алгоритмов макета АПНС, созданного на базе серийно выпускаемых агрегатов и систем, подтверждена результатами математического моделирования и летных испытаний малогабаритного БЛА в различных метеоусловиях (выполнено 34 полета).

I <

1. Cambone S. Unmanned aerial vehicles roadmap 2005-2030. N.Y.: Office of Secretary of Defense of US, 2005. 213 p. t

2. European Civil UAV Roadmap Vol III Strategic Research Agenda, 25 Nations for an Aerospace Breakthrough. L.: UAV Roadmap Vol III SRA.doc, 2005. 192 p.

3. Волков Д.В. Большая авиационная энциклопедия / AIRWAR.RU: Уголок неба Электронный ресурс. URL: http://www.airwar.ru/enc/bpla/pchela.html (дата обращения 11.07.2010).

4. Братанов Д.А. Оптимизация управления беспилотного летательного аппарата // Студенческая наука: Сборник тезисов первой московской межвузовской научно-практической конф. Москва, 2006. С. 204-205.

5. Товкач С.Е. Информационно-измерительная система пирометрическго типа для малогазмерного беспилотного летательного аппарата: Автореферат дис. на соискание ученой степени канд. тех. наук. Тула, 2010. 16 с. I

6. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М.Н. Красилыцикова и Г.Г. Себрякова. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 280 с.

7. Распопов В.Я., Матвеев В.В. «Бесплатформенные системы ориентации и навигации на микромеханических чувствительных элементах». Тула: ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», 2008. 221 с.

8. Salychev O.S., Applied Inertial Navigation: Problems and Solutions, Moscow: BMSTU Press, 2004. 302 p.

9. Гироскопические системы. В 3 ч. / Под ред. Д.С. Пельпора, М.: Высшая школа, 1986. 4.2. 376 с.

10. Гироскопические системы. В 3 ч. / Под ред. Д.С. Пельпора, М.: Высшая школа, 1986. 4.3.432 с.

11. Михалев И.А., Окоемов Б.Н. Типовые примеры расчета структур автопилота: Учебное пособие. М.: МГТУ, 1995. 47 с. :

12. Теория оптимизации систем автоматического управления / Под ред. К.А. Пупкова, М.: МГТУ, 2004. Том IV цикла учебников: Методы теории автоматического управления. 741 с. (

13. Методика предварительной коррекции законов изменения параметров5автопилота в зависимости от режимов полета самолета / Б.Н. Окоемов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2001. №4/2001 (45). С.,3-13.

14. Фомин А.О. Синтез алгоритмов параметрической оптимизации структуры автомата стабилизации пилотажно-навигационного комплекса: Автореферат дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.16 с.

15. Один алгоритм параметрической оптимизации структуры автопилота^/ Б.Н. Окоемов и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2003. №2/2003 (51). С.64-77.

16. Автоматизация проектирования структур автопилотов: Учебное пособие поIкурсу «Проектирование автопилотов». М.: МГТУ, 1981. 84 с. |

17. Белоцерковский С.М., Скрипач Б.К., Аэродинамические производные летательного аппарата и крыла при дозвуковых скоростях. М.: Наука, ^лавная редакция физико-математической литературы, 1975. 424 с. j

18. Гуляев В.В. Результаты расчета обтекания системы несущих поверхностейпланера модели «PIPER J3 CUB». М.: ОАО МНПК «Авионика», 2007. 19 с. ;

19. Эткин Б. Динамика полета. М.: Машиностроение, 1964. 494 с.

20. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. М.: Машиностроение, 1971. 464 с. I

21. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматического управления самолетом. М.: Машиностроение, 1987. 240 с.

22. Легенький В.И. О построении систем управления с инвариантной программой. // Математичш машини i системи. 2004. №1. С. 56-63.

23. Delegation of separation, benefits and required changes/ Presented by Sweden on eleventh air navigation conference, Montreal, 15/07/03. URL: http://www.icao.int/icao/en/anb/meetings/anconfl 1 /documentation (дата обращения: 23.03.2009).

24. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. Цикл лекций: Учеб. пособие для вузов. -М.: Машиностроение, 2004. 576 с.

25. Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Аэродинамика самолета. Динамика продольнрго движения и бокового движения. М.: Машиностроение, 1979. 354 с.

26. Кирсанов А.Н., Харьков В.П. Упрощенная математическая модель силовой установки // Исследования по аэроупругости: Труды ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, М., 1978. 112 с. ,

27. Солодовников В.В. Теория автоматического управления техническими системами: Учебное пособие. М.: МГТУ, 1993. 492 с. ,

28. Харьков В.П. Структурно-параметрический синтез управления динамическими системами // Техническая кибернетика. 1991. №2. С.74-82. I

29. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Нелинейные модели. М.: Наука, 1988. 328 с.

30. Крутько П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем. Линейные, модели. М.: Наука, 1988. 304 с.

31. Петросянц М.А., Вельтищев Н.Ф. Программа дисциплины «Аэрология» по специальности 01.26.00 — «метеорология» Электронный ресурс. URL: http://meteo-geofak.narod.ru/programs/aerolog.htm (дата обращения: 19.09.2009).i

32. The ERS-2 spacecraft and its payload / C.R. Francis et al. // ESA Bulletin. 1995. No. 83. P. 13-31.

33. Dynamics and modelling of ocean waves / G.J. Komen et al.. Cambridge: University Press, 1994. 532 p.

34. Радиоокеанографическое, навигационное и информационное обеспечение гидроавиации / A.A. Гарнакерьян и др.. Таганрог: ТРТУ, 1997. 258 с.

35. Салычев О.С. Автопилот БПЛА с Инерциальной Интегрированной Системой — основа безопасной эксплуатации беспилотных комплексов // Беспилотные системы в интересах ТЭК: Доклады на первом Международном форуме-выставке. Москва, 2008. С. 33-40. t

36. Титов А. Современные технологии производства полетов ниже нижнего эшелона /2008 год Авиапанорама №1 Электронный ресурс. ¡ URL: http://www.avia.ru/press/! 1545/ (дата обращения: 19.09.2009).

37. Бисплингхофф Р., Эшли X., Халфмэн Р. Аэроупругость: Пер. с английск. Г.И. Баренблатта. М., 1958. 800 с. ¡

38. Лебедев A.A., Стражева И.В., Сахаров Г.И. Аэромеханика самолета. М.: Оборонгиз, 1955. 472 с. j

39. Нелюбин Л.Л. Иллюстрированный военно-технический словарь. Русский,английский, немецкий, французский, испанский языки. М.: Воениздат, 1968. ^83 с.i

40. Протокол испытаний на ЛЛ-702 универсального накопителя SFlash и режимов автономного полета ЛЛ-171 / ОАО «МНПК «Авионика», М., 2009. 7 с.

41. Неймарк М.С., Новожилов Г.В., Цесарский Л.Г. Безопасность полета самолета. Концепция и технология. — М.: Машиностроение, 2002. 14 с.

42. Фащевский H.H. Построение пилотажно-навигационного комплекса для самолетов авиации общего назначения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 16 с.

43. Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Современное состояние и перспективы развития: Материалы первой Всероссийской научно-технической конференции, М., 2006. 320 с.

44. Миропшик О.М. Проблемы обеспечения живучести систем современных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Труды ВНИИЭМ. 1999. Т.99. 120 с.

45. Руководство по процессам сертификации высокоинтегрированных сложных бортовых систем воздушных судов гражданской авиации Р4754 (на базе документов SAE/ARP4754 и EUROCAE/ED-79), М.: Межгосударственный авиационный комитет, 2007. 103 с.

46. Бабич O.A. Обработка информации в навигационных комплексах. | М.: Машиностроение, 1991. 511 с. j

47. Воробьев A.B. Оптимальные цифровые законы управления авиационными комплексами // Авиакосмическое приборостроение. 2004. № 10. С.24-29.

48. Авторское свидетельство СССР № 531332. Система управления боковым ; движением беспилотного летательного аппарата, кл В 64С 13/18, опубл. 15.03.1971.

49. Боднер В.А. Системы управления JIA. М., 1973. 87 с. г

50. Архипов В. А. Электронный магнитный горизонткомпас для систем управления маневренных объектов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2009. 23 с. |,

51. Олаев В.А. Алгоритмы и методы повышения точности малогабаритной магнитоинерциальной навигационной системы контура управления маневренных объектов: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2009. 22 с. ,

52. Олаев В.А. Анализ характеристик комплексных навигационных ^систем

53. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля иуправления: Материалы XVI научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. М., 2004. С. 238-240. ¡

54. Архипов В.А. Принципы и схемы построения комплексированной автономной навигационной системы // Электронное приборостроение: научно-технгреский сборник. 2004. Вып. 5(39). С. 16 27.

55. Архипов В.А. Коррекция креновых погрешностей магнито-инерциального горизонткомпаса // Авиакосмические технологии и оборудование: Материалы международной научно-практический конференции. Казань, 2006. С. 164-165,.

56. Чернявский A.C. Структура системы управления полетом легкого самолета общего назначения: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2002. 22 с.

57. А.С.1802357А1 РФ Автопилот / Л.Г.Романенко, С.Ф.Филюнин, Н.А.Шилова заявл.02.02.90; опубл. 15.03.93. Бюл.№3.

58. Patent US4198017. Control augmentation system for flight vehicles / Murray James В

59. US., US ARMY, filed 13.10.1978; public. 15.04.1980.

60. Бронштейн И.Н., Семендяев K.A., Справочник по математике для инженеров и учащихся ВУЗов. М.: Наука, 1986. 544 с.

61. Пат. 2042170 Российская Федерация, МПК G05D1/08. Система управления боковым движением беспилотного малоразмерного летательного аппарата / Л.Г. Романенко, Г.Л. Романенко, Н.А. Шилова; № 93006196/24; заявл. 02.02.1993; опубл. 20.08.1995., Бюл. №23. 4 с.

62. Оболенский Ю.Г. Управление полетом маневрненных самолетов. М.: Воениздат, 2007. 480 с.i

63. Малогабаритная система управления БПЛА STA32. Электронный ресурс. URL: http://www.ruav.ru/Products/Autopilots/STA3x%20DataSheet(rusypdf (дата обращения: 01.09.2010).

64. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Издательство стандартов, 1981. 180 с.

65. ГОСТ 3295-73. Таблицы гипсометрические для геопотенциальных высот до 50000 м. Параметры. М.: Издательство стандартов, 1973. 77 с.

66. ГОСТ 25431-82. Таблица динамических давлений и температур торможения воздуха в зависимости от числа Маха и высоты полета. М.: Издательство стандартов, 1982. 85 с. I

67. ГОСТ 5212-74. Таблица аэродинамическая. Динамические давления и температуры торможения воздуха для скорости полета от 10 до 4000 км/ч. Параметры. М.: Издательство стандартов, 1974. 246 с.

68. Вся высшая математика. В 7 т. / В.И. Заляпин и др. М.: УРСС, 2003. -Т. 6: Вариационное исчисление, линейное программирование, вычислительная математика, теория сплайнов. 256 с.

69. Протокол испытаний режима автоматического управления «МАРШРУТ» на ЛЛ-171 / ОАО МНПК Авионика. М., 2009. 5 с.

70. Росин М.Ф. Статистическая динамика и теория эффективности , систем управления. М., 1970. 334 с.