В. И. Кортунов1,А. В. Мазуренко1, ватик мухаммед али хусейн
 Скачать 1.1 Mb.
|
|
Бортові системи керування 45 УДК 681.51 В. И. КОРТУНОВ 1 , А. В. МАЗУРЕНКО 1 , ВАТИК МУХАММЕД АЛИ ХУСЕЙН 2 1 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина 2 Политехнический университет, г. Духок, Ирак СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИНИ И МИКРО-БПЛА Рассмотрены и проанализированы основные средства управления мини и микро-БпЛА, в частности системы автоматического управления - автопилоты (АП) и средства связи. Приведены результаты анализа современных автопилотов представленных на рынке авионики мини и микро-БпЛА, их техни- ческие характеристики, аппаратные особенности, функциональные возможности. Дано их сравнение по различным техническим характеристикам – вычислительной мощности центральной бортовой электронно-вычислительной машины, точности позиционирования, интерфейсным связям между мо- дулями, каналам управления и поддерживаемым типам ЛА. Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат; система автоматического управления; авто- пилот; микромеханические датчики; наземная станция управления; полезная нагрузка. Введение Применение БпЛА открывает возможность оперативного и недорогого способа выполнения ряда специфических задач [1]: - разведка труднодоступных районов, в кото- рых получение информации обычными средствами, включая обычную авиаразведку, затруднено или же подвергает опасности здоровье и даже жизнь людей, либо экономически не выгодно; - периодическое наблюдение за заданными районами, где требуется наблюдение за местностью и объектами на ней с воздуха, в том числе и с высо- коточным определением координат объектов (мони- торинг состояния энергетических коммуникаций, газо- и нефтепроводов, авиалесоохрана и т.д); - цифровое фотографирование для использова- ния в геодезических работах и в случаях чрезвычай- ных ситуаций; - доставка грузов и выполнение специфических видов работ (обработка химикатами сельскохозяй- ственных посевов, участие в спасательных операци- ях) и т.д. Комплекс управления современных мини и микро-БПЛА состоит из бортовой системы автома- тического управления (САУ) или автопилота и на- земного оборудования – наземной станции управле- ния (НСУ). В их состав входят различные датчики и вычислительные устройства со специализирован- ным программным обеспечением, аппаратура кон- троля, управления и связи, электропитания. САУ современных мини и микро-БПЛА осно- вывается на микромеханических датчиках давления, угловых скоростей и ускорений (МЕМS-сенсорах), а так же микромагнетометрах (магнитных компасах) и приемниках спутниковых радионавигационных [2-4]. Такие сенсоры позволяют проектировать мик- ро- мини системы измерения параметров движения (бесплатформенные инерциальные навигационные системы – БИНС) и системы управления различны- ми ЛА от самолета с классической компоновкой до оригинальных аппаратов вертикального взлета и посадки. Объединение БИНС, навигационной сис- темы (НС) и системы управления в единое устрой- ство дало понятие автопилота, как многофункцио- нального устройства по управлению мини и микро- БпЛА. В данной работе анализируются возможности современных автопилотов различных фирм- производителей, а также нерешенные для них зада- чи технического и математического характера. При- ведены основные параметры средств связи и их коммуникативные возможности для АП. Бортовое оборудование для управления БпЛА В состав бортового оборудования пилотируе- мых и беспилотных ЛА входит САУ, как совокуп- ность устройств и систем измерения, вычисления, управления и наведения [3]. Основные функцио- нальные задачи САУ следующие: - определение параметров ориентации и скоро- стных параметров ориентации (угловых скоростей); - определение пространственных (широта, дол- гота и высота) и скоростных (путевой и воздушной скорости) координат ЛА, а также путевого угла; - определение параметров траекторного управ- В. И. Кортунов, А. В. Мазуренко, Ватик Мухаммед Али Хусейн ISSN 1814-4225. РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, № 1 (75) 46 ления – наведения на промежуточный пункт мар- шрута (ППМ) (заданный курс, заданная высота и заданная скорость); - хранение и смена маршрута по команде с НСУ; - определение и выработка управляющих сиг- налов на органы управления (сервоприводы - СП) на этапах взлета, выполнения маршрута и посадки в полуавтоматическом и автоматическом режимах полета; - контроль исполнения маршрута (выход за зо- ну полета, снижение до критической высоты, потери приема сигналов спутниковой навигационной сис- темы (СНС)); - контроль состояния бортового оборудования (электропитание, уровень топлива, потеря связи с НСУ); - контроль действий оператора БпЛА и обеспе- чение функций безопасности при снижении элек- тропитания, полета в запретной зоне, пропадания сигнала СНС. Формирование большинства параметров для управления производится БИНС с использованием алгоритмов инерциальной навигации. Реализация БИНС в САУ для мини и микро-БпЛА основана на применении недорогих малогабаритных МЕМS- сенсоров. Этим датчикам свойственны значитель- ные уровни шумов и смещения нуля, что приводит к большим погрешностям исходной информации от БИНС. Для уменьшения медленно изменяющихся погрешностей БИНС ее параметры корректируются от внешних измерителей: приемника СНС (GPS, ГЛОНАСС), который измеряет компоненты векто- ров положения и путевой скорости; системы воз- душных сигналов (СВС), которая измеряет баромет- рическую высоту и воздушную скорость; магнито- метра, который измеряет магнитный курс. Интегра- ция или комплексирование данных от БИНС, СВС, магнитного компаса и СНС осуществляется с помо- щью алгоритмов фильтрации, в частности и калма- новской фильтрации. Полученные в БИНС оценки параметров полета являются входной информацией для системы управления полетом (СУП). Навигаци- онная информация также передается на НСУ с по- мощью двустороннего канала радиосвязи – команд- но телеметрической линии (КТЛ). Система управления состоит из программно- аппаратной части по вычислению и выработке сиг- налов управления непрерывного типа (ШИМ-сигнал – сигнал с широтно-импульсной модуляцией) и дис- кретного типа. Программно-алгоритмическая часть системы управления определяет отклонения теку- щих навигационных параметров полета БпЛА (уг- ловой ориентации, координат положения и проек- ций скорости) от заданных параметров, определяе- мых полетным заданием, и формирует сигналы управления для СП с целью уменьшения этих от- клонений. Как правило, архитектура законов управ- ления каналами многоуровневая, да и число каналов управления может достигать до пяти и более. На- пример, система управления мультироторным (МР) БпЛА, включает каналы управления местоположе- нием, горизонтальной скоростью, углами наклона, а также высотой, вертикальной скоростью, курсом. Выделяют также вертикальный, продольный и бо- ковой каналы управления МР и самолета. Кроме функций формирования и выработки сигналов, САУ включает множество функций на- стройки-калибровки передаточных функций датчи- ков, коэффициентов каналов управления, исполни- тельных механизмов. Одна группа коэффициентов устанавливается на предполетном этапе, а другая может быть подобрана только в полете в определен- ном режиме, например, крейсерский полет на задан- ной высоте, посадка и др. Большинство автопилотов поддерживают мультирежимность – управление в ручном и полу- автоматическом режимах от пульта радиоуправле- ния (джойстика) и автоматическом режиме через НСУ. Переход из режима в режим, как правило, доступен оператору. Система управления поддер- живает мягкие переходы между режимами, к чему особенно чувствительно управление в вертикальном канале для мультироторов. В ручном режиме сигналы с пульта радио- управления проходят через автопилот на СП. В полуавтоматическом режиме для мультиро- торов и самолетов стабилизируется курс, высота, скорость. Автоматический режим обеспечивает полет по заранее заданному, с помощью промежуточных контрольных точек, маршруту. В этом режиме управление осуществляется по принципу «наведе- ние-стабилизация». При этом в автоматическом ре- жиме БпЛА может выполнять автономный полет без связи с НСУ. Современные автопилоты мини и микро-БпЛА имеют простую конструкцию и легко могут быть реализованы, однако не все автопилоты являются оптимальными и имеют высокую надежность. Кро- ме того, для некоторых режимов полета настройка параметров системы управления может вызвать серьезные трудности. Поэтому в настоящее время проводятся активные исследования относительно применения современных методов теории управле- ния для синтеза законов управления и появляются новые САУ мини и микро-БпЛА. При создании новых образцов БпЛА возникает первый вопрос – как управлять ЛА во всех режимах и на всех этапах полета. Поэтому вопрос выбора Бортові системи керування 47 САУ или автопилота становится центральным, так как необходимо выполнить требования по функциям и исполнению. Сравнительной информации о воз- можностях автопилотов практически не представле- но в публикациях, на форумах идет поверхностное обсуждение, а детальная информация имеется толь- ко в руководстве пользователя после приобретения. В Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» разработка САУ для БпЛА проводиться с 2006 года [5-7] и в последних версиях был учтен широкий спектр требований по функциям автопило- та, применяемого для мониторинга, разведки, аэро- фотосъемки или доставки грузов с обеспечением безопасности полетов. Сравнительный анализ современных автопилотов Рассмотрим особенности некоторых автопило- тов, которые представлены на свободном рынке авионики БпЛА. Автопилоты серии MP2x28 фирмы Micropilot (Канада). Фирма Micropilot является од- ним из мировых лидеров по производству автопило- тов для БПЛА (более 850 клиентов в 70 странах ми- ра). Выпускает серию автопилотов MP2х28 предна- значенных для использования на мини-БпЛА само- летного, вертолетного, а также мультироторного типов [8]. Автопилоты этой серии интегрируют в себе трехосевую БИНС, приемник спутниковой на- вигационной системы, датчик дифференциального давления (для самолетной версии автопилота). До- полнительно автопилот поддерживает работу с трехосевым магнетометром (магнитным компасом). Разработана также версия автопилота с троекратным резервированием (три параллельных автопилота серии MP2х28). Стоимость автопилотов серии MP2х28 для БПЛА самолетной схемы колеблется от $1700 до $8000 [8-10]. Размеры автопилота MP2128 в базовом одно- платном бескорпусном исполнении составляют 100x40х15 мм при весе всего 24 грамма [8]. (Испания). Компанией UAV Navіgatіon разработан и с 2014 года производился профессиональный ав- топилот «Vector», который пришёл на смену «АР04», выпускавшемуся с 2004 по 2014 гг. Он мо- жет использоваться на мини-БпЛА самолетного, вертолетного и мультироторного типа [11]. АП мо- жет использоваться как на БпЛА, оснащенных дви- гателями внутреннего сгорания, так и электриче- скими и реактивными двигателями. «Vector» – это полностью интегрированный ав- топилот с возможностью ручного управления БпЛА, встроенным радиоканалом и возможностью управ- ления полезной нагрузкой. Данный автопилот обес- печивает автоматический взлет, полет по заданному маршруту и автоматическое приземление. Встроен- ный радиоканал позволяет передавать данные на расстояние до 100 км. Механизм ручного управле- ния позволяет оператору на земле полностью управ- лять БпЛА с помощью стандартного джойстика или стандартной аппаратуры управления, предназначен- ной для авиамоделей. АП «Vector» содержит дубли- рующий микропроцессор, который обеспечивает высокий уровень безопасности и отказоустойчиво- сти, самотестирование датчиков. Фактически «Vector» может быть единственной аппаратурой управления на борту для большинства БпЛА. Авто- пилот позволяет управлять шестнадцатью рулевыми машинками или другой периферией. Он обеспечи- вает автоматический полет по маршруту в виде кон- трольных точек, которые имеют три измерения (ши- рота, долгота, высота). Ориентировочная стоимость автопилота «Vector» составляет от 6000 евро. Автопилоты серии Piccolo фирмы Cloud Cap Technology, Inc. (США). Компания Cloud Cap Technology – также является одной из ведущих ком- паний в области технологий БпЛА. Семейство авто- пилотов Pіccolo включает несколько модификаций, и все они разработаны для управления БпЛА само- летного, вертолетного и мультироторного типов. «Pіccolo II» является полнофункциональным авто- пилотом c интегрированной БИНС, GPS-прием- ником, системой воздушных сигналов и радиомоде- мом в облегченном карбоновом корпусе. АП поддерживает все основные функции авто- пилотов профессионального класса: автоматический взлет, посадка, прохождение по маршруту т.д., а также обладает широкими возможностями по управлению периферийными устройствами (полез- ная нагрузка, приемо-передатчики спутниковой свя- зи) и поддерживает дифференциальный режим ра- боты GPS-приемника, что обеспечивает сантимет- ровую точность определения местоположения ЛА [12]. Как и АП «Vector» может быть единственной аппаратурой управления на борту БПЛА. Недостаток – относительно большие размеры: 142х46х63 мм и масса (200 г), что затрудняет его использование, по крайней мере, на микро-БПЛА. Более подходящими для использования на мини и микро-БПЛА являются модификации «Pіccolo SL» и «Pіccolo Nano». «Pіccolo SL» представляет собой упрощенный вариант «Pіccolo II» с меньшими массо- габаритными показателями (размеры: 131x57x19 мм и масса 110г) при тех же основных функциях. Изго- ISSN 1814-4225. РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, № 1 (75) 48 тавливается в алюминиевом корпусе. Инерциальные датчики калиброваны для рабочих температур от - 40˚C до +80˚C. «Pіccolo Nano» оптимальный по размерам ав- топилот для небольших электрических БпЛА и представляет собой модульный автопилот в бескор- пусном исполнении с размерами модуля БЦВМ – 77x46x11 мм. По сравнению со «старшими» братья- ми семейства имеет несколько более узкий темпера- турный диапазон калибровки датчиков (-30˚C…+80˚C) и немного более широкий диапазон питающих напряжений (+6В…+30В). Аппаратура Pіccolo позволяет осуществлять управление несколькими автопилотами с помощью одной наземной станции управления. Базовая цена автопилотов Pіccolo не менее $8000. Ограничение автопилота – необходимость авторизации клиента (получение разрешения) при экспорте автопилота за пределы территории США. Автопилот «GNC1000» фирмы Moog Crossbow's (США). Комплект автопилота «GNC1000» для средних БПЛА производится фир- мой Moog Crossbow's [13]. Содержит достаточно производительный процессор MPC5674F с тактовой частотой 264 МГц и широкий набор сетевых интер- фейсов (RS-485, CAN, Ethernet и др.). Мощные вы- числительные возможности гарантируют выполне- ние в реальном времени алгоритмов расширенной Калмановской фильтрации и реализацию алгорит- мов управления. Конструктивное исполнение соответствует уровню защиты от внешних воздействий по стан- дарту IP67, также соответствует военным стандар- там США (MIL-STD-461F, MIL-STD-810G, DO- 160G) по электромагнитной совместимости, вибра- ционным и ударным нагрузкам и электростатиче- ской защите. Недостатки небольшое количество (шесть) вы- ходов для управления сервоприводами с ШИМ-си- гналом, относительно большие размеры (100х15х75 мм) и масса (около 1,4 кг), возможно необходимо разрешение на экспорт за пределы территории США. Базовая цена, к сожалению, не известна. Автопилоты «Kestrel» фирмы Procerus Technologies (США). Автопилот «Kestrel» разрабо- тан фирмой Procerus Technologies одним из отделе- ний известной американской фирмы Lockheed Martin. Версия 2х этого АП имеет относительно не- большие габариты (51х35х12 мм) и вес (16 г), что важно для микро-БпЛА. Размеры третьей версии автопилота уже больше и составляют 127х57х36 мм при весе в бескорпусном варианте всего 21 г. При этом автопилот интегрирует производительный вы- числитель (для версии v2.х – процессор Rabbit3000, для версии v3.0 – цифровой сигнальный процессор), БИНС, магнетометр, радиомодем и систему воз- душных сигналов. Дополнительно подключается модуль GPS-приемника [14, 15]. Автопилот ориентирован на самолетный вари- ант БпЛА, но также может использоваться и на БпЛА вертолетного и мультироторного типа. Может выполнять автоматические взлет/посадку, полет по маршруту, также предусмотрена предполетная про- верка датчиков. Алгоритм работы базируется на традиционном PID-регуляторе с возможностью расширенной настройки коэффициентов. Также автопилот поддерживает совместную работу с цифровыми системами обработки видео- изображения (OnPointTM Vision Systems) той же фирмы-разработчика. Недостатки – в версии v2.x только четыре ка- нала управления стандартными сервоприводами (4 ШИМ-выхода), для увеличения – нужно исполь- зовать дополнительную плату расширения, в версии v3.0 таких выходов одиннадцать, три из них – высо- коскоростные, но при этом основной модуль значи- тельно больших размеров. Кроме того, АП «Kestrel» поддерживает управление только ограниченным количеством типов мультироторных аппаратов – трикоптером и квадрокоптером. А также высокая цена – от $5000. АП также проходит по программе США контроля за экспортом. Автопилоты серии «YS» фирмы Zero UAV Intelligent Technology Co., Ltd. (Китай). Автопилот ориентирован на БпЛА мультиротороного типа [16]. Относительно недавно появился на рынке авионики БпЛА. Имеет неплохие массогабаритные параметры – размеры основного модуля – 71х41х25 мм, вес – 119 г, встроенный демпфер для БИНС, хорошую функциональность (кроме стандартного набора функций – поддержка гиростабилизированной платформы полезной нагрузки и управление цифро- вой фотоаппаратурой для решения задач в составе геоинформационной системы, управления с помо- щью смартфона и т.д.). Существует также версия с двукратным резервированием (два параллельных АП работающих совместно). Достоинство этого АП в его относительно не высокой стоимости при достаточно широкой функ- циональности. Ориентировочная стоимость базово- го комплекта порядка $900. Недостатки заключают- ся в том, что он поддерживает управление только БпЛА мультироторного типа, использует в качестве КТЛ только Wi-Fi модуль, количество промежуточ- ных точек маршрута ограничено только пятьюдеся- тью. Кроме того, как показывает практика, к про- дукции китайских компаний часто возникают пре- тензии по качеству продукции и технической под- держке. |