X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Данная работа нацелена на анализ путей минимизации числа датчиков системы ориентации и навигации беспилотных летательных аппаратов (БЛА или БПЛА) самолетной схемы при сохранении функций системы с дальнейшим использованием его в аэрофоторазведке.

Предпосылками применения БЛА в качестве нового фотограмметрического инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка).

Данные спутниковой съемки позволяют получить снимки с максимальным общедоступным разрешением 0,5 м, что недостаточно для крупномасштабного картирования. Кроме того, не всегда удается подобрать безоблачные снимки из архива. В случае съемки под заказ теряется оперативность получения данных. В отношении компактных участков операторы и дистрибъюторы зачастую не проявляют гибкой ценовой политики.

Традиционная аэрофотосъемка, которая проводится с помощью самолетов (Ту-134, Ан-2, Ан-30, Ил-18, Cesna, L-410) или вертолетов (Ми-8Т, Ка-26, AS-350) требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.

Применение стандартных авиационных комплексов нерентабельно в следующих случаях:

- Съемка небольших объектов и малых по площади территорий. В этом случае экономические и временные затраты на организацию работ, приходящиеся на единицу отснятой площади, существенно превосходят аналогичные показатели при съемке больших площадей (тем более для объектов, значительно удаленных от аэродрома);

- При необходимости проведения регулярной съемки в целях мониторинга протяженных объектов: трубопроводы, ЛЭП, транспортные магистрали.

Таким образом, плюсами применения БЛА являются:

1) рентабельность;

2) возможность съемки с небольших высот и вблизи объектов;

3) получение снимков высокого разрешения;

4) оперативность получения снимков;

5) возможность применения в зонах чрезвычайных ситуаций без риска для жизни и здоровья пилотов.

Стоит отметить, что технология аэрофотосъемки с БЛА в значительной степени отработана. В настоящее время большая часть существующих и эксплуатируемых БЛА предназначены для воздушной разведки и наблюдения, которые осуществляются с помощью фото- и видеосъемки.

Общие сведения

Летательный аппарат (ЛА) – это общее название устройства (аппарата) для полётов в атмосфере или космическом пространстве. Принцип полёта определяется тем, каким образом и за счёт чего создаётся подъёмная сила. Наиболее распространенными ЛА являются самолеты, ракеты, вертолеты и коптеры. Первые два отличаются от вторых способом проявления подъемной силы. У самолетов подъемная сила образуется за счет воздушного потока, действующего на движущийся самолет. Соответственно, если нет перемещения самолета, то нет его подъемной силы. Коптеры и вертолеты имеют подъемную силу за счет вращающихся винтов.

Таблица 1. Типы беспилотных летательных аппаратов [1]

Для того, чтобы летательный аппарат мог осуществлять полет по требуемой траектории, необходимо сохранение определенного положения ЛА по отношению к заданной траектории в каждой её точке полета. Известно несколько путей решения данной задачи: либо при помощи пилота, который бы управлял ЛА, либо при помощи использования систем навигации, либо при помощи комбинированного управления. Если ЛА способен выполнить свою задачу без пилота, то такой аппарат называют беспилотным летательным аппаратом (БЛА или БПЛА).

БЛА могут использоваться как в гражданских, так и военных целях. Примером задач БЛА, используемых в гражданских целях, является аэрофотосъемка в целях картографирования, телевизионного наблюдения, наблюдением за отдельными участками суши и водной поверхности, определении стихийных бедствий и катастроф, выявлении очагов пожаров, выполнении поисковых работ. Пример одного из аппаратов и с его характеристиками можно увидеть на рис. 1 [2].

В военных целях для БЛА ставятся задачи такого характера как различного типа разведка, например, химическая и радиационная, а также транспортировка вооружения и бомбардировка.

Так как БЛА способны эффективно выполнять различные задачи автономно, то до тех пор, пока используется воздушный транспорт, БЛА будут являться актуальной тематикой современности.

Рис. 1. Российский гражданский БЛА «ZALA 421-Ф»

Таблица 2. Характеристики БЛА «ZALA 421-Ф» [1]

Масса пустого, кг	Макс. взлетная масса, кг	Размах крыла, м	Тип двигателя	Макс. дальность полета, км	Рабочая высота полета, м	Практический потолок (высота), м
4,1	4,5	1,6	Электрический	Не менее 100	5—500	Не менее 3600

Сердцем любого БЛА является его система управления. Но что значит управлять БЛА? Под процессом управления летательными аппаратами понимают установление и применение законов изменения режимов полета во время движения. Сохранение их определенного положения по отношению к заданной траектории является процессом стабилизации ЛА.

Для автономной работы системы управления необходимо знание причин отклонений ЛА от заданного режима полета и создание обратной связи в системах управления ЛА на эти отклонения. Датчиками этих отклонений являются системы ориентации и навигации.

Система ориентации имеет функции определения углов рысканья (ψ), тангажа (θ) и крена (γ) по отношению к некоторой системе координат (СК), связанной с Землёй. В дополнение, сюда же можно отнести угол атаки (α) и угол скольжения (β).

Системы навигации предназначены для определения местоположения объекта и включают в себя определение широты местности (φ) долготы (λ), а также высоты (h). Зная все перечисленные параметры в любой момент времени можно управлять ЛА.

Схема управления БЛА приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема управления беспилотного летательного аппарата

Основными отличительными требованиями для БЛА по отношению к самолетам являются их меньшая стоимость, меньшая масса и габариты. Удешевление БЛА решается, главным образом, путем замены датчиков в системе управления на более дешевые, а также путем минимизации числа датчиков системы ориентации и навигации. Обусловлены данные допущения к БЛА тем, что зачастую от БЛА не требуется высокой точности пилотирования, а также тем, что порой БЛА строятся для разового применения.

Беспилотная авиационная система

Для выполнения специальных задач, в частности для аэрофотосъемки, БЛА должен рассматриваться в совокупности с его приборным оснащением и полезной нагрузкой, для чего введен термин беспилотная авиационная система (БАС) [1].

БАС, помимо БЛА, состоит из бортового комплекса управления, полезной нагрузки и наземной станции управления.

1. Бортовой комплекс:

интегрированная навигационная система;

приемник спутниковой навигационной системы;

автопилот;

накопитель полетной информации.

Задачи автопилота:

пилотирование;

программное управление бортовыми системами и полезной нагрузкой, например: стабилизация видеокамеры и синхронизация по времени и координатам срабатывания затвора фотоаппарата, выпуск парашюта.

Пилотирование в себя включает:

автоматический полет по заданному маршруту;

автоматический взлет и заход на посадку;

поддержание заданной высоты и скорости полета, стабилизация углов ориентации;

принудительная посадка в случае отказа двигателя или прочих серьезных неполадок.

К полезной нагрузке для задач аэрофотосъемки относится цифровая фотокамера, как дополнение могут использоваться видеокамера, тепловизор, ИК-камера.

2. Функции наземного пункта управления:

слежение за полетом;

прием данных;

передача команд управления.

Система навигации (GPS технологии)

Термин “GPS технологии” (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем (СНРС) – американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СНРС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20 000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерять расстояния.

Определение производится с помощью специальных спутниковых приёмников, измеряющих либо время, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае сигналы измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку GPS и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

Каждый приёмник может производить измерения либо независимо от других приёмников, либо синхронно с другими приёмниками. В первом случае, называемом абсолютным методом, достигается точность однократного определения координат по кодам порядка 1-15 м. Такой метод идеально подходит для навигации любых перемещающихся объектов, от пешеходов до ракет. Однако, более высокую точность можно получить при одновременных наблюдениях спутников несколькими приёмниками по фазовым измерениям. При такой методике наблюдений один из приёмников обычно располагается в пункте с известными координатами. Тогда положение остальных приёмников можно определить относительно первого приёмника с точностью до нескольких миллиметров. Этот метод GPS получил название относительного метода. При этом возможны измерения на расстояниях от нескольких метров до тысяч километров [3].

Таким образом, для определения координат ЛА, в бортовой комплекс навигации и управления можно включить приёмник спутниковой навигации, обеспечивающий, обеспечивающий приём навигационной информации от систем ГЛОНАСС и GPS.

Достоинствами данной системы является её доступность. В недостатки стоит отнести использование внешней антенны в качестве приёмника и то, что при использовании данной системы, аппарат, на котором эта система используется, не будет являться полностью автономной.

Указатель курса (магнитометрический измеритель курсов)

Магнитное поле Земли (МПЗ) удобно для измерения азимутальной ориентации объектов.

Магнитометрический компас основан на применении магниточувствительных датчиков (преобразователей), позволяющих получить электрические сигналы, пропорциональные векторам напряженности МПЗ на оси чувствительности этих преобразователей. По сигналам нескольких преобразователей можно воспроизвести их положение относительно МПЗ и, следовательно, определить магнитный курс подвижного объекта. При таком способе определения магнитного курса решается одновременно и задача дистанционной передачи информации, поскольку её получают в виде электрических сигналов.

Основные методические погрешности приборов магнитного курса – магнитное склонение, магнитная девиация и влияние вертикальной составляющей МПЗ при неточной стабилизации магниточувствительных элементов в плоскости горизонта [4].

Определение ориентации и параметров движения беспилотного летательного аппарата

В этом разделе будут приведены примеры построения гировертикали и бесплатформенных систем ориентации на микросистемных чувствительных элементах (ЧЭ).

1.  
   Гировертикаль

Гировертикаль — гироскопический прибор, предназначенный для определения направления истинной вертикали места (направления силы земного притяжения в данной точке земной поверхности) или плоскости горизонта, а также измерения углов наклона объекта относительно этой плоскости. Используется для выдачи углов крена и тангажа в системы управления самолётом, а также как измерительный прибор дистанционного авиагоризонта.

Последовательность работы гировертикали заключается в следующем: на пусковой установке до начала движения БПЛА осуществляется разгон гиромоторов. Гироскопы находятся в заарретированном положении и благодаря нижней маятниковости происходит выставка гироприбора по линии местной вертикали.

Перед стартом происходит разарретирование гироскопов и уравновешивание гиросистемы – перевод прибора в режим непосредственного гиростабилизатора, в состоянии которого он находится на пусковой установке и на участке набора высоты БПЛА.

После выхода БПЛА на горизонтальный участок полёта гироприбор переводится в режим физического маятника и происходит его коррекция по линии местной вертикали. При отсутствии ускорений на этом участке гироприбор может работать в режиме гировертикали. Если в силу фугоидных движений БПЛА по тангажу и случайных колебаний по крену ожидается появление ускорений, то более предпочтительным является режим работы непосредственного гиростабилизатора. В этом случае необходимо выполнить коррекцию гиробрибора, т.е. перевести его в режим физического маятника.

Перед входом в вираж необходима коррекция гироприбора, а на вираже прибор работает в режиме непосредственного гиростабилизатора [5].

Рис. 3. Общий вид гировертикали

Гировертикаль измеряет углы крена в диапазоне от -45 до +45, углы тангажа – от -15 до +30. Среднеквадратичная ошибка измерений 2, масса прибора до 400 г, масса вторичного источника питания до 200 г.

Гировертикали массой около 1 кг (вместе с блоком питания) используются на борту БПЛА с взлётной массой порядка 20 кг. Например, на борту БПЛА «ГРАНТ».

1.  
   Микромеханическая вертикаль

Микромеханическая вертикаль может быть реализована на базе трёх ортогонально расположенных датчиках угловой скорости, трёх микромеханических акселерометрах (МА) и вычислительного устройства, обеспечивающего обработку сигналов с датчиков и последующего интегрирования по одному из известных алгоритмов.

При проектировании таких систем необходимо учитывать, что в сигналах датчиков линейного ускорения имеются две составляющие: первая – это проектирование вектора ускорения свободного падения (ВУСП) на оси связанной системы координат, вторая – проекции ускорения, обусловленного движением объекта. Выделение первой составляющей может быть реализовано с помощью фильтра Калмана (ФК), производящего оценку проекций ВУСП. При этом изменение проекций в процессе работы может быть описано на основании информации, вырабатываемой датчиками угловой скорости [5].

Структурная схема гировертикали, реализующая данный принцип, представлена на рис.4.

Рис. 4. Структурная схема микромеханической гировертикали [5]

Прибор предназначен для использования на борту беспилотного летательного аппарата с массой до 3 кг. Вертикаль измеряет углы крена в диапазоне от -180 до +180, углы тангажа – от -90 до +90. Диапазоны угловых скоростей и линейных ускорений, при которых обеспечивается работа МСВТ 400 /С и 60 м/с² соответственно. Погрешность измерений по углам тангажа и крена 1: масса прибора менее 100 г, напряжение питания 5-12 В.

1.  
   Пирометрическая вертикаль

Принцип действия пирометрической вертикали (ПВ) основан на измерении вертикального распределения разности температур небосвода и Земли, имеющей минимум в зените и максимум в надире. Разница минимума и максимума является температурным градиентом. В ясные дни значение градиента достигает 40С, а в пасмурные может снижаться до 1С.

Если БПЛА летит горизонтально, все датчики находятся в плоскости горизонта, «видят» одинаковую тепловую картину и выходные напряжения диаметрально противоположных датчиков равны.

Рис. 5. Принцип работы пирометрической вертикали:

а – полёт БЛА на уровне горизонта, б – принципиальная схема размещения пирометров [5]

Если БПЛА накренить на некоторый угол, то диаметрально расположенные датчики будут засвечиваться неравномерно, что приведёт к рассогласованию выходных напряжений пары датчиков Dat1 и Dat3, которое преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно поперечной оси. Аналогично рассогласование сигналов пары датчиков Dat2 и Dat4 преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно продольной оси. [5].

Пирометрическая вертикаль способна указать своё горизонтальное положение по условию равности показаний четырёх горизонтальных датчиков, а также вычислять своё угловое положение в пространстве. Ошибка системы является статической и не увеличивается во времени; кроме того, пирометрическая вертикаль невосприимчива к вибрациям и перегрузкам. Недостатком системы являются невозможность работы при отсутствии видимой линии горизонта и рост ошибки с увеличением углов крена и тангажа в силу нелинейности выходной характеристики пирометров, что ограничивает диапазон углов крена и тангажа до 30. При углах крена и тангажа 30 ошибка достигает 1,5, вне этого диапазона ошибка экспоненциально растёт.

Масса прибора 25 г, напряжение питания 5 В. Предназначена для использования на борту БПЛА с массой от 300 г.

1.  
   О подходе к построению безгироскопной системы ориентации (БСО) манёвренного объекта

В известных безгироскопных системах ориентации на основе жестко закреплённых на ЛА линейных акселерометров и магнитометриеских датчиков углы отклонения от плоскости горизонта определяются по сигналам акселерометров, а угол курса по сигналам магнитометрических датчиков. Недостатком подобных БСО является их малопригодность для манёвренных объектов, особенно при нестационарных режимах полёта из-за значительных погрешностей определения параметров ориентации. Наличие полной информации о двух измеряемых векторах (ускорения силы тяжести и напряженности геомагнитного поля) обуславливает информационную избыточность для задачи определения параметров ориентации подвижного объекта. Поскольку одновременное действие горизонтальных продольных и поперечных ускорений для малогабаритных летательных аппаратов (МЛА) является довольно редким, то имеется возможность использования различных групп алгоритмов для режимов движения “Разгон”, “Горизонтальный полёт”, “Разворот”. При этом каждый раз используются сигналы тех датчиков, которые не возмущаются при данном режиме движения. Выбор групп алгоритмов происходит по командным сигналам. Для указанных выше режимов движения получены алгоритмы определения параметров ориентации.

При различных режимах движения МЛА с учётом модели атмосферы показывает, что в средних широтах ожидаемые погрешности данной БСО не превышают 2-3 угл. град [6].

1.  
   Управление полётом малоразмерного БЛА без использования информации об углах крена и тангажа

На сегодняшний день разработана методика аналитического синтеза законов управления автопилота БЛА без использования информации об углах крена и тангажа, обеспечивающего эффективную и многофункциональную работу БЛА при снижении стоимости и массогабаритных характеристик САУ летательного аппарата.

Данная задача достигнута путём решения следующих задач:

- разработки методики аналитического выбора оптимальных передаточных отношений и параметров фильтров законов управления в боковом канале при полёте летательного аппарата со скольжением и без скольжения;

- разработки методики аналитического выбора оптимальных передаточных отношений и параметров фильтров законов управления продольного канала в режимах управления вертикальной скоростью и высотой полёта;

- разработки методики аналитического выбора оптимальных передаточных отношений и параметров фильтров законов управления при управлении центром масс ЛА в боковой плоскости;

- разработки методики аналитического выбора оптимальных передаточных отношений и параметров фильтров законов управления продольным движением на основе автомата продольного управления;

- моделированием пространственного движения ЛА с синтезированными законами управления бокового и продольного движений в горизонтальном полёте, при разворотах по курсу с оценочными значениями углов крена   30 и   30 ( = 45). [7]

Заключение

В данной работе изучены общие сведения о беспилотных летательных аппаратах, рассмотрены возможные сферы их применения, а также актуальные задачи, которые необходимо решать при построении БЛА.

Помимо этого, в работе делается акцент на рассмотрение существующих методов решения задачи ориентации и навигации БЛА с описанием достоинств и недостатков каждого метода.

Список использованных источников:

Зинченко О.Н. Беспилотный летательный аппарат: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования / Ракурс. – М., 2011. – 12 с.

Беспилотные летательные аппараты в МЧС России: виды и классификация // Fireman.club, клуб пожарных и спасателей. [2017-2017]. Дата обновления: 11.06.2017. URL: https://fireman.club/statyi-polzovateley/bespilotnyie-letatelnyie-apparatyi-v-mchs-rossii-vidyi-i-klassifikatsiya/ (дата обращения: 17.10.2017).

Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». – М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. – 334с.

Одинцов А.А. Теория и расчет гироскопических приборов: Учеб пособие. – Киев: Высшая школа, 1985. - 392 с.

Распопов В.Я., Шведов А.П. Решение задачи ориентации для беспилотных летательных аппаратов // Гироскопия и навигация. – 2011. – №2(73). – С. 27-26

Никишин В.Б., Скрипкин А.А. О подходе к построению безгироскопной системы ориентации маневренного объекта // Гироскопия и навигация. – 1995. – №1(8). – С. 55-56.

Самарова Г.Г. Управление полётом малоразмерных беспилотных летательных аппаратов без использования информации об углах крена и тангажа: Автореф. дис. кан. тех. наук: 05.13.01 / Казанский нац. исслед. тех. ун-т. Казань, 2016. 183с.

 

 

Код для цитирования: Скопировать