Посадка самолета. посадка. Отчет по производственной практике (научноисследовательская работа)
 Скачать 1.01 Mb.
|
 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Южно-российский государственный ПОЛИтехнический университет (нПИ) имени М.И. Платова»   Механический МиГПА 15.03.06 Мехатроника и робототехника, направленность «Мехатроника» факультет ___________________________________________________ кафедра ___________________________________________________ НАПРАВЛЕНИЕ ___________________________________________________ ОТЧЕТ ПО производственной практике (научно-исследовательская работа) студента 2 курса группы 150306-Ма-о19 Бесхлебнова В.В. «Мехатронный модуль автопилота в системе управления летательным аппаратом» Руководитель Оценка ____________ Зав. каф. МиГПА, д.т.н. Шошиашвили М.Э. «___» ______ _______ Должность, звание Фамилия, имя, отчество Дата Подпись Новочеркасск 2021 г. ВВДЕНИЕ Из всех режимов полета летательных аппаратов (ЛА) наиболее сложным и напряженным является режим захода на посадку и непосредственно посадки. Связано это, в первую очередь, с большой степенью аварийности ЛА на этом режиме, вследствие быстротечности процесса посадки и очень высокой нервно-психологической нагрузки экипажа. Данный режим имеет достаточно высокую скоротечность и требует от экипажа уверенных, слаженных действий, быстрой реакции на происходящие изменения. Время на заход на посадку и посадку занимает не более 1-2% всего времени полета, однако на этот режим приходится более 50% всех авиационных происшествий. За последние 40 лет на этот режим пришлось около 55% всех потерь. Трудности управления особенно возрастают в условиях плохой видимости (туман, темнота), когда зрительное ориентирование затруднено или невозможно. Реализация автоматической посадки ЛА представляет еще более сложную задачу. В этом случае, вместо летчика бортовая система управления должна решать задачи планирования действий, оценки текущего состояния и управления исполнительными органами. При этом система управления (СУ) должна обеспечивать устойчивость, малое время отработки больших отклонений, адаптивность к воздействию возмущений и точность выхода в заданную точку приземления. ОПИСАНИЕ ПАТЕНТА Изобретение[1] относится к области авиации, в частности к системам посадки летательных аппаратов, и предназначено для обеспечения визуальной пространственной ориентации пилота при заходе на посадку в условиях ограниченной видимости. Лазерная система посадки летательных аппаратов содержит курсовой, глиссадные,боковые и маркерные лазерные излучатели, расположенные определенным образом на взлетно-посадочной полосе (ВПП). Лучи каждого маркерного излучателя направлены под небольшим углом к плоскости глиссады и пересекают плоскость глиссады вблизи боковой границы посадочного коридора над маркерной точкой. Лучи маркерных излучателей отличаются спектральным составом от глиссадных и курсового излучателей и выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения, доступной для зрения в целях различия индикации маркерных точек в зависимости от их удаления от порога ВПП. Обеспечивается точность ориентации летательного аппарата при движении по глиссаде. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ Целью изобретения является уменьшение времени на анализ положения ЛА, снижение вероятности ошибок в процессе ориентации и, как следствие, улучшение эргономических характеристик лазерной системы посадки летательных аппаратов при ориентации по лазерным лучам. Поставленная цель достигается тем, что в заявленной лазерной системе посадки летательных аппаратов луч маркерного лазерного излучателя проходит вблизи границы посадочного коридора и его проекция не затрудняет ориентацию пилота по курсу и глиссаде. Лазерная система посадки летательных аппаратов отличается от известного технического решения, содержащего: курсовой лазерный излучатель, установленный на осевой линии ВПП перед порогом ВПП; глиссадные лазерные излучатели, установленные с внешней стороны боковых границ ВПП на расстоянии (200…450) м от порога ВПП; боковые излучатели, установленные вблизи боковых границ у дальнего торца ВПП и обозначающие боковые границы ВПП; маркерные лазерные излучатели, формирующие лучи для индикации маркерных точек, тем, что луч каждого маркерного лазерного излучателя, соответствующего определенной маркерной точке, направлен под небольшим углом к плоскости глиссады, при этом точка пересечения луча с плоскостью глиссады расположена над линией, проходящей параллельно порогу ВПП через эту маркерную точку. Первое дополнительное отличие состоит в том, что точки пересечения лучей маркерных лазерных излучателей с плоскостью глиссады расположены вблизи боковой границы посадочного коридора. Второе дополнительное отличие состоит в том, что маркерные лазерные излучатели расположены вблизи глиссадного излучателя на некотором расстоянии от него. Третье дополнительное отличие состоит в том, что лучи маркерных лазерных излучателей отличаются от лучей курсового и глиссадных лазерных излучателей спектральным составом (цветом) лучей. Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что маркерные лазерные излучатели выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения с частотой, доступной для индикации органами зрения. Пятое дополнительное отличие состоит в том, что частота амплитудной модуляции мощности излучения лазерного излучателя для индикации конкретной маркерной точки соответствует заданному удалению конкретной маркерной точки от порога ВПП. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг.2.  Фиг. 1 схема расположения на ВПП лазерных излучателей с указанием направления распространения их лучей.  Фиг. 2 видимые пилотом проекции лазерных лучей на различных удалениях ЛА от маркерной точки. Перечень элементов: 1,2,3,4 – лазерные излучатели 5 – курсовой излучатель 5* – проекция курсового луча 6 – глиссадный излучатель 6* - проекция глассадного луча 7 – боковой излучатель 7* - проекция бокового луча 8 – проекции луча 10 – маркерная точка ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ Проекции курсового (5*), глиссадных (6*) и боковых (7*) лучей во время снижения ЛА в плоскости глиссады и по заданному курсу имеют положение, указанное на фиг. 2. Ориентация пилота по глиссаде и курсу выполняется известным способом [2]. В то же время пилот визуально по положению проекции луча 8 (проекции 8*а, 8*б, 8*в - фиг. 2) оценивает удаление ЛА (12) от маркерной точки (10) и фиксирует момент прохождения ЛА над ней. При приближении к маркерной точке (10) и после ее прохождения проекция маркерного луча (8*) изменяет свой вид: при приближении ЛА к маркерной точке проекция маркерного луча имеет вид (8*а), в момент пересечения ЛА маркерной точки проекция маркерного луча (8*б) - горизонтальна, а после пересечения ЛА маркерной точки проекция луча имеет вид (8*в). Как видно из фиг. 2, проекции лазерного луча (8*) маркерного излучателя (4) всегда расположены сбоку от проекций глиссадных (6*), курсового (5*) и боковых (7*) лучей и не мешают пилоту ЛА ориентации по глиссаде и курсу. Момент пересечения ЛА маркерной точки (10) пилот определяет по горизонтальному положению проекции луча 8* (проекция 8*б) маркерного излучателя. Спектральный состав (цвет) излучения маркерного лазерного излучателя (4) отличается от цвета курсового (5) и глиссадных (6) излучателей, что улучшает идентификацию проекции (8*) луча маркерного лазерного излучателя (4). Кроме того, маркерный лазерный излучатель (4) выполнен с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения с частотой, доступной для индикации органами зрения. Из-за спектрального состава и выполнения модуляции излучения лазерного излучателя (4) обеспечивается его отличие от излучателей (1, 2, 3) и тем самым улучшается индикация маркерной точки. АНАЛИЗ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ЛАЗЕРНОЙ КУРСОГЛИССАДНОЙ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ Одним из наиболее эффективных путей повышения безопасности заключительного этапа любого полета, независимо от класса и принадлежности ВС, является применение визуальных лазерных курсоглиссадных систем посадки, разработанных на основе современных технологий с использованием новейшей элементной базы отечественного производства. Преимущества лазерного излучения, определяющие предпочтительность его использования в средствах визуальной навигации по сравнению с традиционными источниками света на электрических лампах, хорошо известны: высокая спектральная яркость обеспечивает большую дальность видимости днем, в сумерках и при неблагоприятных условиях; малая угловая расходимость пучка излучения обеспечивает требуемую точность зрительной ориентации. Прямое лазерное излучение обладает повышенной проницаемостью через поглощающие и рассеивающие среды (туман, дождь, снегопад, плотная дымка) по сравнению с обычными источниками света. Дальность обнаружения такого излучения превышает метеорологическую дальность видимости (МДВ) более чем в 3–4 раза, а дальность обнаружения огней высокой интенсивности систем посадки, применяемых в современных аэропортах, не менее чем в два раза. Система посадки летательных аппаратов содержит дальнюю и ближнюю приводные радиостанции, глиссадные и курсовой лазерные излучатели, N-пар оптических излучателей, распределенных между курсовым лазерным излучателем и ближней приводной радиостанцией. стемам аэродромов и предназначено для обеспечения пространственной ориентации. Излучатели каждой пары расположены симметрично оси взлетно-посадочной полосы, а их оптические лучи находятся в плоскости, перпендикулярной к курсовому лазерному лучу, и пересекаются в точке на его оси. Оптические излучатели в каждой паре выполнены с возможностью пространственного сканирования, амплитудной модуляции мощности излучения и изменения спектрального состава (цвета). Пространственные и оптические параметры излучателей управляются по заранее заданному алгоритму с помощью функционально связанного контроллера и блока управления. Достигается повышение надежности, увеличение дальности визуальной ориентации пилота по глиссаде, повышение информативности, эффективности, безопасности при посадке в сложных метеоусловиях. В ВУНЦ создан опытный образец монокулярной системы технического зрения (СТЗ) [3], структурная схема которого изображена на рис. 1. Система включает в себя комплект из трех наземных лазерных инфракрасных маяков (ИК-ориентиров) диапазона 1,55 мкм, размещаемых вдоль ВПП, бортовую цифровую видеокамеру диапазона 0.9…1,7 мкм с вариообъективом и узкополосный (1,55 мкм) фильтр, установленные на трехстепенном гиростабилизированном управляемом подвесе. СТЗ БЛА обеспечивает автоматический заход на посадку до высоты H = 0. Разработанное алгоритмическое обеспечение в бортовом вычислителе позволяет осуществлять поиск, захват, распознавание и сопровождение ИК-ориентиров, вычисление угловых и линейных координат самолета относительно ВПП и формирование заданных значений рассогласования этих координат от линии глиссады в автопилот БЛА для формирование заданных значений рассогласования этих координат от линии глиссады в автопилот БЛА для формирования в нем управляющих воздействий.  Программная обработка изображений осуществляется с целью определения координат маяков на фотоматрице. Особенностью этой задачи является ее навигационная направленность, и поэтому требования к минимизации погрешностей измерения достаточно высоки. Значительные флуктуации функции яркости изображения, обусловленные шумами фотоматрицы существенно ухудшают метрологические возможности системы технического зрения. Естественным путем решения этой проблемы является обработка изображения, основанная на использовании статистических методов. Поиск особых точек изображения с субпиксельной точностью, в нашем случае – изображений лазерных маяков, необходимых для решения задачи навигации осуществляют как правило посредством метода наименьших квадратов, либо корреляционного подхода [4]. Однако, эти методы требуют значительных вычислительных ресурсов, поэтому реализован весьма простой, но эффективный подход, основанный на определении центра функции яркости изображения маяка. Центр функции яркости изображения метки определяется подобно тому, как вычисляется центр массы объемного тела [5]. Определение границы изображения маяка выполняется путем его бинаризации, причем в качестве порогового значения выбирается величина определяемая следующим образом   Исследованиями установлено, что наиболее быструю сходимость обеспечивает метод последовательных приближений. При использовании разработанной процедуры определения нулевого приближения уже в первом приближении достигается погрешность не хуже 0,05 %, что вполне приемлемо для бортового алгоритма. Масса комплекта бортовой части СТЗ не превышает 2 кг, что допускает их установку даже на борту БЛА малого класса (с максимальной взлетной массой до 10 кг). Возможно использование в качестве СТЗ видеокамер целевых нагрузок БЛА, используемых по целевому назначению на других этапах полета. Наземная часть системы дополняется устройствами автоматического управления диаграммой направленности излучения, регулирования мощности источников излучения и слежения за созвездием маяков [6], а также импульсной модуляцией их излучения, что значительно расширяет ее возможности по дальности и метеоустойчивости. Функционирование системы посадки основано на алгоритме, включающем распознавание изображений маяков, субпиксельное определение их координат на фотоматрице видеокамеры, решение системы нелинейных уравнений относительно трех линейных и трех угловых координат положения ЛА. Численное дифференцирование этих координат обеспечивает автономное функционирование системы автоматического управления на этапе посадки без использования дополнительных датчиков информации. При исследовании особенностей функционирования системы технического зрения проводилось имитационное моделирование, в основу которого была положена математическая модель динамики полета ЛА, интегрированная с бортовым автопилотом ЛА и авиационным инженерным симулятором, для отображения визуального представления зоны захода на посадку и модели ВПП с маяками красного цвета, отличающимися от подстилающей поверхности и близлежащих объектов. Результаты имитационного моделирования показаны на рис. 2.  Рис. 2. Результаты полунатурного моделирования СТЗ с заходом на посадку с дальности D = 3000 м, высоты H = 150 м Математическая модель динамики полета формирует параметры движения ЛА, передает эти данные бортовому автопилоту. Многофункциональная оптико-электронная система фиксирует положение маяков на экране, вычисляет линейные и угловые координаты положения ЛА относительно ВПП, передает эти данные бортовому автопилоту. Бортовой автопилот в соответствии с заложенным законом управления ведет самолет по глиссаде на посадку. С использованием данного метода удалось скорректировать алгоритмы распознавания изображений и определения координат, отладить работоспособность системы с бортовым автопилотом, провести цикл исследований по отработке автоматического захода на посадку с различных дальностей, в том числе оценить влияние различных условий визуальной видимости (день, ночь, туман, снег, дождь) [7], а также турбулентности атмосферы и бокового ветра [8]. Проведенное полунатурное моделирование позволило отработать различные варианты захода на посадку с использованием СТЗ, в том числе и в полностью автономном режиме по линейным и угловым координатам, полученным только от системы технического зрения. Для полноценного решения задачи управления полетом ЛА в режиме обеспечения посадки до высоты 0 H = разработан алгоритм автоматического управления, обеспечивающий выдерживание параметров посадки с заданной точностью. В основу алгоритма автоматического управления положены принципы: иерархического многоуровневого деления полётного задания на этапы полёта, участки и фазы; разделения каналов непрерывного и дискретного управления [9]. На основании сформированных заданного путевого угла, заданного наклона траектории и заданной программы управления по скорости с учётом существующих ограничений формируется закон управления в терминах заданного крена и перегрузки, являющийся основой для работы модели штатной САУ ЛА. В продольном канале работа САУ на посадочном режиме построена на выдерживании заданного значения угла тангажа посредством рулей высоты и изменением тяги двигателя. Для управления боковым движением БЛА на этапе посадки используются аэродинамический руль направления и многосекционные элероны. Н  а основе полученных законов управления и рассчитанной математической модели движения БЛА на режиме посадки было проведено численное моделирование, где исследовались ошибки отклонения от заданных параметров регулирования, представленные на рис. 3 и 4.Рис. 3 Ошибки регулирования по вертикальному ΔY отклонению при влиянии турбулентности ветра ( V 2 σ = м/с, L = 300 м)  Рис. 4 Ошибки регулирования по боковому ΔZ отклонению при влиянии турбулентности ветра ( V 2 σ = м/с, L = 300 м)Полученные результаты моделирования показывают, что точность измерения и регулирования параметров посадки достаточна для решения задачи выполнения автоматической посадки с применением разработанного алгоритмического обеспечения. Исследованиями установлено, что доминирующими являются погрешности дискретизации, поэтому приведем соотношения, описывающие эти погрешности измерения линейных и угловых координат ЛА. Предел абсолютной погрешности измерения высоты  где Δу*– погрешность измерения расстояния между изображениями на фотоматрице, 2 L– расстояние между маяками, F – фокусное расстояние объектива, X – дальность, расстояние от фронтально расположенных маяков до ЛА. Предел абсолютной погрешности измерения дальности  где Δz*− погрешности измерения расстояния между изображениями на фотоматрице. Погрешности измерения расстояния между изображениями маяков на фотоматрице определяются размером пиксела при попиксельной обработке изображения, а при субпиксельной обработке они зависят от метода обработки и снижаются примерно на порядок. Графики погрешностей измерения высоты, дальности в зависимости от дальности для диапазона 0…500 м, позволяющие оценить потенциальные точностные возможности используемого подхода в момент посадки, изображены на рис. 5.  Рис. 5 Оценка точности измерения линейных координат (дальность, высота и боковое отклонение) на различной дальности от точки посадки Приведенные графики погрешностей измерения параметров положения БЛА, полученные теоретическим путем, превосходно подтверждаются экспериментальными зависимостями, изображенные на рис. 6, публикованы китайскими разработчиками системы посадки, аналогичной по принципу действия [10].  Рис. 6 Точности измерения координат в натурном эксперименте системы-аналога (Военный университет НОАК. Китай) Существенным отличием этой системы является измерение только линейных координат, а также использование светодиодных маяков (диапазона 940 мкм). Заключение В результате анализа информации по данной теме, можно сделать вывод, что автоматические системы управления, как и авиастроение в целом, активно развивается в нашей стране. Однако хочется заметить, что, в отличие от зарубежных коллег, у нас больше наработок, а не готовых моделей. Поэтому правильным решением будет наращивание темпов построения изделий и проверка их в жизни. Список используемых материалов Патент RU2575554C2. ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (ЛА). Анисимов Вячеслав Иванович, Бутузов Владимир Васильевич Логвин А. И. Алгоритмы автоматического распознавания взлетно-посадочной полосы на видеоизображениях / А. И. Логвин, А. В. Волков // Научный вестник – М. : МГТУ ГА. 2015. – № 213. – С. 115–117. В. Г. Бондарев, Д. В. Лопаткин, Д. А. Смирнов. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОСАДКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ./ ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (г. Воронеж) Басов Ю.Г. Светосигнальные устройства. - М.: Транспорт, 1993. - 309 с. Визильтер Ю. В. Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения / Ю. В. Визильтер. – М. : Физматгиз, 2010. – 249 с. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. – М. : Наука, 1981. – 332 с Зеленюк Ю. И. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи / Ю. И. Зеленюк, И. В. Огнев, С. Ю. Поляков, С. Е. Широбакин. – М. : Вестник связи, 2002. – № 4. – С. 85–97. Алпатов Б. А. Методы автоматического обнаружения и сопровождения объектов / Б. А. Алпатов, П. В. Бабаян, О. Е. Балашов, А. И. Степашкин. − М. : Радиотехника, 2008. – 176 с. Монография ГосНИИАС. Котик М. Г. Динамика взлета и посадки самолетов / М. Г. Котик – М. : Машиностроение. 1984. – 134 с. Yang G. Airborne Vision-Based Navigation Method for UAV Accuracy Landing Using Infrared Lamps / G. Yang. – J. Intell : Robot. Syst., 2013. – 197 p. |