Автоматизоване проектування безпілотних літальних апаратів

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 681.5.001.63:519.711

АВТОМАТИЗОВАНЕ ПРОЕКТУВАННЯ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність: 05.13.12 - «Системи автоматизації проектувальних робіт»

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Раад Карім Кадем

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Синєглазов Віктор Михайлович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри авіаційних комп'ютерно-інтегрованих комплексів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Тунік Анатолій Азарійович Національний авіаційний університет, професор кафедри СУЛА

канд. техн. наук, с. н. с. Харитонов Михайло Олексійович Інститут Авіації, пров. наук. співробітник.

Захист відбудеться «16» червня 2011 року о 16 год. 00 хв. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.08 в Національному авіаційному університеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корп. 1, ауд. 001.

Автореферат розіслано «_12_» _травня_ 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

д-р техн. наук, доцент В. М. Шутко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення принципово нової техніки є важливим напрямком науково-технічного прогресу. Виконання цієї задачі може бути пов'язано з розвитком літакобудування, зокрема, безпілотних літальних апаратів (БПЛА), що сильно впливає на темпи прискорення прогресу техніки в цілому. БПЛА - це не просто новий клас літальних апаратів (ЛА), а якісно новий, більш високий рівень не тільки військової, але й цивільної авіації.

Проектування, особливо його однією початковий період, є однією з найважливіших стадій життєвого циклу БПЛА, що пояснюється складним виправленням проектних помилок на стадіях виготовлення і застосування БПЛА через їх високу вартість.

Своєчасні якісні проекти нових БПЛА, відповідаючи заданим вимогам до їх систем і агрегатів, ЛТХ та ефективності, забезпечують зниження життєвого циклу та оновлення покоління БПЛА з періодом, не перевищуючим 5-7 років.

У відповідності до даних UVS - GLOBAL PERESPECTIV 2009/2010 на сьогоднішній день у світі розробляється більш 1200 програм по створення БПЛА. За останні 30 - 40 років у всьому світі було створено для потреб своїх країн достатня кількість БПЛА, які є складовими частинами безпілотних авіаційних комплексів (БАК). Але поява нових задач, які ставляться перед БПЛА, а також технічні засоби боротьби з БПЛА змушують уряди багатьох країн з достатньо високим науково-технічним потенціалом створювати нові покоління транспортних засобів (ТЗ), які досліджуються в даній роботі. У зв'язку з цим розробником БПЛА і технічних засобів їх застосування пред'являються підвищені вимоги до ефективності реалізації своїх проектів.

При традиційному проектуванню основна увага приділяється. як правило. задачам аналізу функціонування БПЛА з метою дослідження впливу різних факторів на їх аеродинаміку (АД), міцність конструкції, точність керування і ефективність, що пояснюється наявністю досить адекватних функціональних математичних моделей. У той же час для розв'язання задач пошуку технічних ідей і фізичних принципів дії, що дозволяють реалізувати задані цілі проектування БПЛА, виявлення множини аналогів технічних рішень (ТР) по її структурі і вибору раціональних варіантів ТР використовується інтуїтивно-емпіричний підхід, ефективність якого залежить, головним чином, від рівня знань і досвіду учасників проектування. Ситуація погіршується відсутністю єдиного науково-обґрунтованого підходу до проектування обліку БПЛА, що засновано на використанні методів оптимізації. Це приводить до одержання далеко не кращих їх варіантів. Крім того, сучасна тенденція до підвищення продуктивності праці учасників проектування і зменшення термінів розробки проектів з урахуванням зазначених факторів викликає необхідність автоматизації процесу проектування.

Можливим виходом з вищенаведеної ситуації є:

- розроблення і застосування нових методик проектування, що засновано на використанні упорядкованих структурно-параметричних моделей, які дозволяють створювати множину альтернативних ТР і здійснювати вибір найкращого варіанту з можливістю автоматизації проектних процедур на електронно-обчислювальній машині (ЕОМ);

- перехід до нових моделей і методів оптимізації, що засновано на теорії векторної (багатокритеріальної) оптимізації, які дозволяють розв'язувати задачу проектування вигляду БПЛА як з урахуванням кінцевої мети її використання - одержання максимальної ефективності, так і з урахуванням критеріїв більш низької ієрархії - показників якості підсистем БПЛА. Такий підхід до проектування обліку БПЛА характеризується обґрунтованістю приймальних рішень;

- розробка і впровадження програмно-технічного комплексу засобів підтримки автоматизованого проектування вигляд БПЛА і з можливості роботи в єдиному інформаційному просторі, організації глибокого зворотного зв'язку між учасниками проектування що розташовані на всіх рівнях процесу проектування, доступу до різних інформаційно-довідкових банків даних, у тому числі що містяться на серверах Інтернету.

У зв'язку з тим, що на практиці автоматизованого проектування здійснюється за допомогою систем автоматизованого проектування (САПР), а в сучасних умовах розвитку обчислювальної техніки і програмних засобів методологія проектування відіграє важливу роль при створення САПР, то першорядним є глибокий аналіз теорії і методів в області проектування технічних систем (ТС), що досліджуються у даній дисертаційній роботі.

Аналіз теорії і досвіду проектування показав, що до цього часу існує ряд не вирішених проблем в області проектування вигляду БПЛА серед яких слід виділити:

- ускладнення перспективних БПЛА утруднює цілісний огляд і необхідне ув'язування підсистем і елементів, з яких вони складаються. Принцип декомпозицій ТС, що використовується при цьому, приводить до появи проблеми узгодження параметрів підсистем і елементів БПЛА і БАК з метою поліпшення характеристик усього БАКа;

- невизначеність при виборі проектних рішень на етапі побудови множини припустимих варіантів структури БПЛА, що пояснюється розкидом значень проектних характеристик через неточність деяких початкових даних. До того ж, вибір варіантів структури по сукупності локальних критеріїв оптимальності дуже складний, тому що ряд критеріїв узагалі не має кількісного виразу, а точно оцінювальні критерії можуть бути суперечливі;

- розрахунки при виборі оптимальних проектних рішень з метою спрощення розрахункових моделей, як правило, ґрунтуються на детермінованому характері початкових даних і умов функціонування БПЛА, що може приводити до протиріччя розрахунків з реальною дійсністю.

Крім зазначених вище проблем існують деякі проблеми, які пов'язані з постановкою і розв'язанням задачі оптимального проектування. До відзначених проблем слід віднести складність пошуку розв'язання задач векторної оптимізації в умовах суперечливості прийнятих локальних критеріїв, суб'єктивний підхід до призначення вагових коефіцієнтів відносної важливості локальних критеріїв у згортці і до призначення поступок або обмежень на критерії. Крім того, складно розв'язуються задачі оптимізації по пошуку екстремумів цільових функцій, що характеризуються такими властивостями, як нелінійність, неопуклість, негладкість і розірваність.

Вищевикладене підтверджує необхідність проведення дослідження і розв'язан-ня зазначених задач, тому актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася у Національному авіаційному університеті при проведенні науково-дослідних робіт з таких тем: «Ресурс» (реєстраційний номер 010U006265), «Методологія автоматизованого проектування пілотажно-навігаційного комплексу гелікоптера» (реєстраційний номер 0102U000376) та «Методики створення інтегрованої інформаційної системи літаків малої авіації на основі безплатформеної нанотехнологічної інерціальної навігаційної системи» (реєстраційний номер 0109U000689).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення науково-обґрунтованих методик, моделей алгоритмів і процесів проектування, спрямованих на розв'язок проблем проектування вигляду БПЛА, навісного обладнання та підвищення ефективності БПЛА.

Для досягнення цієї мети у роботі було виділено та розв'язано такі задачі:

- проведення системного аналізу БПЛА;

- розроблення структури САПР вигляду БПЛА;

- розроблення структурно-параметричних математичних моделей та моделей структурного синтезу БПЛА на рівні формування його конструктивно-компоновочної схеми;

- побудова і дослідження моделей функціонування БПЛА;

- розроблення формалізованих методів вибору та критеріїв оптимальності при структурному синтезі і параметричному проектуванні БПЛА; автоматизований безпілотний літальний апарат

- розроблення алгоритмів процесу оптимального проектування вигляду БПЛА та його навісного обладнання;

- розроблення програмного забезпечення автоматизованого проектування вигляду БПЛА;

- використання отриманих результатів для розв'язання практичних задач проектування вигляду БПЛА.

Об'єктом дослідження є процес проектування вигляду БПЛА та його навісного обладнання.

Предмет дослідження - методологія автоматизованого проектування вигляду БПЛА, математичні моделі БПЛА та його підсистем, структура САПР вигляду БПЛА.

Методи дослідження для вирішення поставлених завдань використані у роботі: елементний аналіз функцій, метод комп'ютерного моделювання для дослідження варіантів функціонального структур, морфологічні методи проектування, методи параметричної оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримані такі наукові результати:

- розроблено структурно-параметричну математичну модель БПЛА у вигляді її функціональної структури та ознак функціональних елементів, які разом створюють морфологічні множини технічних розв'язків по конструктивній структурі БПЛА та його підсистем. На основі структурно-параметричної моделі БПЛА для пошуку нових варіантів його конструктивно-компоновочної схеми розроблено та програмно реалізовано методику структурного синтезу БПЛА, яка базується на використанні морфологічних множин відомих та нових технічних розв'язків, показників якості альтернатив ознак БПЛА та їх оцінок, одержаних експертним шляхом;

- розроблено і програмно реалізовано аналітичний метод прискореного кількісного аналізу обираних варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА, що базується на використані статистичних даних і спрощених розрахункових моделей;

- обґрунтовано вибір методу багатокритеріальної оптимізації, що базується на використанні принципу кубічних сіток та множини випадкових точок, рівномірно розподілених у багатовимірній області допустимих розв'язків;

- на основі системного підходу до аналізу БПЛА з позиції ієрархії проектного опису за рівнями деталізації представлено процес проектування вигляду БПЛА у вигляді послідовного вирішення приватних взаємопов'язаних оптимізаційних задач, які містяться на різних рівнях проектного пошуку;

- сформовано безліч базових функцій БПЛА і відмічено необхідність поелементного аналізу функцій для пошукового конструювання БПЛА. Розглянуто взаємозв'язок функції та структури БПЛА, визначено множину структури БПЛА, що становить область допустимих рішень у разі вибору варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА;

- наведено зв'язок критерію проектування БПЛА з аеродинамічними коефіцієнтами, зокрема, розглянуто модель аеродинамічного розрахунку, що включає силу лобового опору, підйомну силу, фокус, поздовжній момент тангажу, аеродинамічну якість. Визначено основні льотно-технічні характеристики БПЛА, включаючи розрахунок швидкостей польоту, швидкопідйомності після відриву, стелі, довжини розбігу і злітної дистанції, стартової маси, відносної маси фюзеляжу, маси крила, оперення, маси силової установки, маси шасі, маси рульового приводу з джерелом енергії, маси корисного навантаження;

- запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА, включаючи визначення геометричних параметрів крила (площа, подовження, звуження, відносна товщина, профіль, геометричні параметри механізації крила і елеронів), горизонтального оперення і керма висоти, вертикального оперення і керма напряму, фюзеляжу, вибір схеми шасі;

- вирішено задачу оптимального вибору пристроїв спостереження для БПЛА на підставі розв'язання задачі багатокритеріальної оптимізації. Для розв'язання задачі багатокритеріальної оптимізації було використано метод аналізу ієрархій.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методики, моделі, алгоритми, які реалізують процеси проектування та програмне забезпечення, дозволяють в автоматизованому режимі:

- формувати та порівнювати, а з використанням методу експертних оцінок і відбирати конструктивно-компоновочні схеми БПЛА;

- виконувати попереднє оцінювання обраних варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА на відповідність проектному завданню;

- розраховувати значення критеріїв якості і функціональних обмежень БПЛА;

- проводити чисельний експеримент з обґрунтування вигляду БПЛА;

- виконувати оптимальний вибір аеродинамічної схеми проектуємого БПЛА і розрахунок оптимальних геометричних параметрів елементів його конструкції.

Використання розроблених методик, рекомендацій, алгоритмів та розробленого програмного забезпечення, що наведено у дисертаційній роботі, показало високу ефективність при виконанні таких тем: «Ресурс» (реєстраційний номер 010U006265), «Методологія автоматизованого проектування пілотажно-навіга-ційного комплексу гелікоптера» (реєстраційний номер 0102U000376) та «Методики створення інтегрованої інформаційної системи літаків малої авіації на основі безплатформеної нанотехнологічної інерціальної навігаційної системи» (реєстраційний номер 0109U000689) і дозволило зменшити витрати на проведення випробувань та підвищити достовірність результатів. Результати дисертаційної роботи використовуються при проведенні лекційних та лабораторних занять по курсу «Основи систем автоматизованого проектування» для студентів спеціальності 8.092502 «Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва» та можуть бути використані для подальшого проектування безпілотних літальних апаратів на етапах технічних пропозицій і ескізного проектування у дослідно-конструкторських бюро відповідного профілю.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані Раад Карімом Кадемом самостійно та приведені у 6-ти наукових статтях, одна з яких написана самостійно і п'ять - у співавторстві.

Наукова стаття [1] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кеворковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні і розробці структури з цілеорієнтованою системою автоматизованого проектування.

Наукова стаття [2] написана особисто Р. К. Кадемом. У даній статті автор виконав компонентний аналіз безпілотних літальних апаратів.

Наукова стаття [3] написана у співавторстві з В.М. Синєглазовим, А.В. Брикаловим. Особистий внесок автора в даній статті полягає у розробленні моделі аеродинамічного розрахунку безпілотних літальних апаратів для системи автоматизованого проектування.

Наукова стаття [4] написана у співавторстві з В.М. Синєглазовим, О.М. Мельниченко. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оптичних систем спостереження, які входять до складу навісного обладнання БПЛА.

Наукова стаття [5] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кеворковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оптимального алгоритму сортування для модуля інтеграції проектних даних системи автоматизованого проектування.

Наукова стаття [6] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кеворковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оптимального алгоритму пошуку для модуля інтеграції проектних даних системи автоматизованого проектування.

Апробація результатів дисертації. Наукові положення і результати дисертаційної роботи повністю висвітлені в публікаціях, пройшли апробацію і доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях і спеціалізованих наукових семінарах.

Наукові положення і результати дисертаційної роботи повністю висвітленні в публікаціях, пройшли апробацію і доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях та спеціалізованих наукових семінарах.

Основні результати досліджень доповідалися і обговорювалися на Четвертому світовому конгресі «Безпека в авіації» м. Київ, 2010 р., Першій міжнародній конференції «Методи і системи навігації та керування рухом» м. Київ, 2010 р., на Міжнародній науково-технічній конференції «Авіа-2011».

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статей у виданнях, перелік яких стверджений ВАК України та 3 матеріалів доповідей на наукових конференціях.

Основні положення, що виносяться на захист. Системний підхід щодо проектування БПЛА; декомпозиція загальної задачі проектування вигляду БАК, БПЛА та його підсистем; структурні моделі множини ТР; методика структурної оптимізації БПЛА; математична модель розрахунку проектних характеристик БПЛА на етапі вибору його коструктивно-компоновочної схеми; критерії оцінки якості БПЛА; математична модель багатокритеріальної оптимізації тактико-технічних характеристик (ТТХ) БПЛА; структурні моделі процесів автоматизо-ваного проектування вигляду БПЛА під задані тактико-технічні вимоги (ТТВ) і з умови досягнення максимальної ефективності; структура та состав математичної моделі розрахунку функціональних обмежень та критеріїв; структура та состав програмно-технічного комплексу засобів підтримки автоматизованого проектування вигляду БПЛА.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 301 сторінок. Основна частина викладена на 141 сторінках друкованого тексту. Робота містить 35 рисунків, 12 таблиць, 5 додатків. Список використаних джерел містить 135 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, показано актуальність теми, показано зв'язок проблеми з науковими програмами, планами та темами, сформульовано методи та основні завдання досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведено різні класифікації БПЛА та БАК, а саме за можливістю застосування у військовій та цивільній сферах, за принципом пілотування. Показано, що при створенні БПЛА необхідно користуватися принципом уніфікації.

Визначено дві змістовні постановки задачі проектування вигляду БПЛА - проектування під задані ТТВ і проектування з метою досягнення максимальної ефективності виконання поставленої задачі.

Визначена найбільш загальна декомпозиція задачі проектування вигляду БПЛА.

Виконано функціонально-структурний аналіз існуючих конструкцій БПЛА, що показав доцільність застосування методів пошукового конструювання для синтезу конструктивно-компоновочної схеми БПЛА.

Аналіз методів пошукового конструювання показав доцільність використання морфологічних методів проектування, що дозволяють формалізувати процес проектування вигляду БПЛА на етапі синтезу його конструктивно-компоновочної схеми. Відзначено перспективність цих методів для синтезу нових ТР за умови включення до них процедур вибору і структурної оптимізації.

У другому розділі здійснено дослідження БПЛА з використанням системного підходу. Побудовано компонентну модель БПЛА, у якій БПЛА надано у вигляду ТС і складною багаторівневою ієрархічною структурою, що, в свою чергу, входить у ТС більш високого рівня ієрархії.

На підставі функціонально-структурного аналізу існуючих БПЛА у якості основних підсистем БПЛА виділено: цільовий вантаж (ЦВ), систему керування (СК), двигун, бортові джерела енергії (БДЕ) і планер, які утворено по функціональній ознаці з елементів більш низького рівня.

Компонентний аналіз показав, що проектування вигляду БПЛА нерозривно зв'язано з дослідженням БПЛА на рівні БАК, власне БПЛА і підсистем БПЛА.

У зв'язку з тим, що підсистеми БАК, у тому числі і БПЛА описуються дуже великою кількістю змінних параметрів, що ускладнює обчислення критеріїв і функціональних обмежень, то загальна задача проектування вигляду БПЛА розбивається на етапи шляхом уведення ієрархії проектного опису по рівнях деталізації. Таким чином, розв'язання загальної задачі оптимального проектування вигляду БПЛА надається як процес послідовного розв'язання локальних взаємозалежних задач оптимізації, що розташовані на різних рівнях ієрархії.

Декомпозиція процесу оптимального проектування вигляду БПЛА з позиції системного підходу наведено на рис. 1.

Виконано формальний опис базових функцій основних функціональних елементів БАК і БПЛА, що приведено у компонентній моделі БПЛА, з використанням структурної формули: F = (D, G, H), де F - функція ТС; D - множина дій ТС, що призводять до бажаного результату; G - множина об'єктів, на які ці дії спрямовані; H - множина особливих умов і обмежень, що накладаються на реалізацію функції.

Рис. 1 Декомпозиція процесу оптимального проектування вигляду БПЛА з позиції системного підходу: ЦН - цільове навантаження; РП - рульові приводи; БД - блок датчиків; РУ - рухові установки; АД - аеродинамічні

З урахуванням опису базових функцій елементів БАК і БПЛА побудовані функціональні структури БАК, БПЛА і підсистем БПЛА у вигляді графів функціональної взаємодії, що складають основу побудови структурної моделі множини ТР.

На основі аналізу базових функції і функціональних елементів існуючих конструкцій БАК і БПЛА виявлено додаткові функції, а також синтезовано нові функції і визначено пристрої, що їх реалізують у функціональних структурах перспективного БПЛА і системи керування перспективної БПЛА, що дозволяє досягти цілей проектування «підвищення точності влучення в ціль», «зниження враження операторів і пускових установок» і «збільшення завадозахищеності».

Аналіз функції елементів БПЛА і БАК показав, що множина технічних функцій у процесі їх розвитку безупинно розширюється і структурно змінюється. У зв'язку з цим для проектування БПЛА як об'єкта одного класу доцільне створення систематизованого фонду (банків даних) описів технічних функцій, в яких указуються відомості про засоби їх реалізації.

У банки даних, що сформовані на комп'ютерній основі, повинні вводитися технічні функції з описом їх компонент. Для кожної функції слід вказати альтернативні функціональні елементи, за допомогою яких вони можуть бути реалізовані, а також цілі що досягаються цими функціями.

Для функціональних елементів БПЛА і її підсистем визначені найбільш істотні (з точки зору розв'язання задачі) конструктивні ознаки, що відносяться до груп ознак взаємозв'язок, і взаємне розташування функціональних елементів.

У результаті доповнення функціональних структур БПЛА і її підсистем конструктивними ознаками їх функціональних елементів і визначення зв'язків між ними розроблено структурні моделі ТР у вигляді ієрархічних І-АБО графів, що мають два рівня ієрархії (пристрій у цілому і його основні функціональні елементи).

З використання структурних моделей БПЛА і її підсистем у вигляді морфологічних І-АБО графів визначені такі найбільш загальні БПЛА, як аеродинамічна схема, схема компонування, конструктивна схема планера і двигуна, тип корисного навантаження, що спрощують вибір вигляду БПЛА.

Визначено локальні критерії якості для задач структурної й параметричної оптимізації.

У зв'язку з неточністю або відсутністю деяких початкових даних для обчислення критеріальних функцій на етапі структурної оптимізації БПЛА деякі кількісні критерії якості переведено до розряду якісних вимог, що оцінюються експертним шляхом.

У третьому розділі запропоновано алгоритм проектування, розроблення та виготовлення БПЛА, який представлено на рис. 2.

Завдання проектування БПЛА формулюється наступним чином: знайти значення основних конструктивних параметрів БПЛА (параметри, сукупність яких визначають форму, розміри і масу конкретного БПЛА), які забезпечують досягнення цілей, поставлених у тактико-технічні вимоги (ТТТ).

У ролі поставлених цілей для БПЛА виступають часні критерії якості, які являють собою деякі характеристики БПЛА (заданих в ТТЗ або визначені в процесі проектування), які використовуються для порівняння її варіантів. В якості цих критеріїв зазвичай використовують такі параметри:

- масу корисного навантаження m_н або питоме навантаження на крило p; - розрахункову дальність польоту L_p; - висоту застосування H; - максимальну швидкість польоту V_max. Ці критерії становлять вектор часних критеріїв оптимізації W = (W₁, W₂,... W_n), де W₁ - питоме навантаження на крило БПЛА;

Основні геометричні розміри БПЛА (параметри) представлено у табл. 1. До основних геометричних параметрів БПЛА (в залежності від типу) відносяться: розмах крила, його площа і профіль, довжина середньої аеродинамічної хорди (САХ), кут установки крила, розмах і площа горизонтального оперення (ГО), висота і площа вертикального оперення, довжина, висота і ширина БПЛА, база шасі.

Сформулюємо постановку задачі багатокритеріальної параметричної оптимізації вигляду БПЛА.

Нехай задано вектор проектних параметрів БПЛА Х = (Х ₁, …, Х_n)^Т, який будемо вважати точкою в n-мірному просторі, де n - кількість проектних параметрів; T знак транспонування.

Маємо вектор функцій G(Х) = (G₁(Х), …, G_e(Х))^Т, що описують функціонування досліджуваного БПЛА, де e - кількість функцій.

Маємо вектор часних критеріїв W(Х) = (W₁(Х), …, W_k(Х))^Т, компоненти якого за змістом цільового призначення БПЛА, припустимо, потрібно збільшувати, де k - кількість критеріїв.

У випадку, якщо критерії W₁(Х),…, W_k(Х) суперечливі і серед них є такі, величину яких, бажано, зменшити, то формально їх можна представити у вигляді зворотних функцій, які потрібно збільшити.

У процесі вирішення оптимізаційної задачі необхідно врахувати обмеження:

параметричні (Х_i)_min X_i (Х_i)_max у разі i = 1, 2,…, n, де (Х_i)_min, (Х_i)_max відповідно нижня і верхня межі зміни параметра Х_i, які задаються на початку проектування;

4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Алгоритм розроблення, проектування та виготовлення БПЛА

Таблиця 1

Основні геометричні параметри БПЛА

№ п/п	Параметр	Позначення
	КРИЛО
1	Площа, м2	S
2	Розмах, м	l
3	Коренева хорда, м	b0
4	Кінцева хорда, м	bк
5	Кут стріловидності по передній кромці, град.	чп
6	Кут стріловидності по задній кромці, град.	чз
7	Відносне подовження
8	Звуження	з
9	Середня аеродинамічна хорда (САХ), м	bА
	ГОРИЗОНТАЛЬНЕ ОПЕРЕННЯ
1	Площа, м2	SГО
2	Розмах, м	LГО
3	Коренева хорда, м	bо ГО
4	Кінцева хорда, м	bк ГО
5	Кут стріловидності по передній кромці, град.	чп ГО
6	Кут стріловидності по задній кромці, град.	чз ГО
7	Відносне подовження
8	Звуження	з ГО
9	Середня аеродинамічна хорда (САХ), м	b ср ГО
	ВЕРТИКАЛЬНЕ ОПЕРЕННЯ
1	Площа, м2	SВО
2	Розмах, м	LВО
3	Коренева хорда, м	b0 ВО
4	Кінцева хорда, м	bк ВО
5	Кут стріловидності по передній кромці, град.	чп ВО
6	Кут стріловидності по задній кромці, град.	чз ВО
7	Відносне подовження
8	Звуження	ЗВО
9	Середня аеродинамічна хорда (САХ), м	bср ВО
	ФЮЗЕЛЯЖ И МОТОГОНДОЛИ
1	Довжина фюзеляжу, м
2	Відносне подовження фюзеляжу
3	Еквівалентний діаметр фюзеляжу, м	dэ. ф
4	Довжина мотогондоли, м	Lмг

- функціональні G_j^* G_j(X) G_j^** у разі j = 1, 2,…, e, де G_j^*, G_j^** - відповідно нижня та верхня границі зміни функції G_j(X), які також задаються на початку проектування;

- критеріальні W_t(X) W_t^* у разі t = 1, 2,…, k, де W_t^* найгірші значення критеріїв W_t(X), на які можна погодитися і які задаються в процесі вирішення оптимізаційної задачі після попереднього дослідження можливості проектованого об'єкта за кожним з критеріїв W₁(X),…, W_k(X).

Тоді загальна постановка задачі векторної оптимізації БПЛА може бути представлена у вигляді

(1)

(X_i)_min X_i (X_i)_max; G_j^* G_j(X) G_j^** ; W_t(X) W_t^*,

де - вектор оптимальних проектних параметрів в області H; H область допустимих рішень.

Рішення оптимізаційної задачі (1) можна знайти за допомогою методу, заснованого на систематичному перегляді (зондуванні) багатовимірних областей точками послідовності, рівномірно розподілених у просторі параметрів.

Найбільш простий спосіб генерації пробних точок засновано на використанні такої формули

x_i = (x_i)_min + r_i((x_i)_max - (x_i)_min) у разі i = 1, …, N, (2)

де x_i - пробна точка; r_i - випадкові числа, рівномірно розподілені на інтервалі (0,1); (x_i)_max - верхня границя точки x_i; (x_i)_min - нижня границя точки x_i; N - кількість пробних точок.

Застосування випадкових чисел з високою щільністю розподілу на заданому інтервалі дозволяє отримувати порівняно повну інформацію про досліджуваний об'єкт в результаті ефективного перегляду простору параметрів і обчислення значень критеріїв у пробних точках.

Перевагами на користь вибору даного методу є відносна простота, отримання необхідного результату за прийнятний час, мінімальні вимоги до гладкості областей функціональних обмежень і критеріїв, можливість автоматизації чисельного алгоритму.

Модель процесу параметричної оптимізації за багатьма критеріями можна представити у вигляді алгоритму, блок-схему якого зображено на рис. 3.

Відповідно до представленої блок-схеми, на першому етапі параметричної оптимізації з використанням ЕОМ вибирається кінцеве число N пробних точок X_i, …, X_N, рівномірно розташованих у n-мірній області J. Обмеженням на вибір N служить час розрахунку.

Для вибору пробних точок можна використати генератор випадкових чисел, при кожному зверненні до якого повертається випадкове число рівномірно розподілене на відрізку (0,1). При цьому декартові координати точки X_i, що належить паралелепіпеду П, визначаються за формулою

X_i,j = (X_j)_min + r_i((X_j)_max - (X_j)_min) у разі j = 1, …, n, (3)

де X_i,j - декартові координати точки X_i; r_i - випадкові числа, рівномірно розподілені на інтервалі (0,1); (X_j)_max - верхня границя точки X_i; (X_j)_min - нижня границя точки Х_i; n - кількість проектних параметрів.

Рис. 3 Блок-схема процесу параметричної оптимізації за багатьма критеріями

Для чергової точки X_i за допомогою прийнятих математичних моделей розраховуються проектні характеристики БПЛА та перевіряються функціональні обмеження G_l^* G_l(X) G_l^**, де (l = 1, 2,…, e). Якщо для досліджуваної точки X_i функціональні обмеження виконуються, то вона відбирається в якості пробної в області J і обчислюються всі критерії W_t(X_i) (t = 1, 2, …, k), у іншому випадку точка X_i відкидається.

По кожному критерію W_t(X_i) складається таблиця випробувань, в якій значення критеріїв розташовані в порядку зростання:

W_t((X_i)₁) … W_t((X_i)_N), (4)

де i - номер пробної точки; 1,…, N - кількість випробувань.

На другому етапі проводиться неформальний аналіз таблиць випробувань з метою вивчення можливостей проектованої БПЛА за кожним критерієм і визначення можливого діапазону зміни критеріїв.

У результаті аналізу таблиць випробувань особа, що приймає рішення, призначає критеріальні обмеження W_t^*.

На третьому етапі здійснюється перевірка розв'язання оптимізаційної задачі (1). Для цього за допомогою ЕОМ проводиться перебір значень таблиць випробувань з метою виявлення точок X_i, для яких справедливі всі три типи обмежень (параметричні, функціональні та критеріальні).

При існуванні таких точок X_i безліч припустимих рішень H, визначається зазначеними типами обмежень, не порожньо і задачу (1) можна розв'язати. У цьому випадку для отриманої множини Парето оптимальних розв'язків X⁰ розв'язується задача (1) за визначенням єдиного рішення X^* в області Парето.

Якщо серед значень таблиць випробувань (4) шуканих точок X_i виявити не вдалося, то слід повернутися на другий етап даного чисельного алгоритму і зробити послаблення на значення критеріальних обмежень W_t^*. При цьому, якщо з точки зору логіки розв'язання задачі послаблення критеріальних обмежень здійснити не можливо, то слід повернутися до першого етапу і збільшити число пробних точок N, щоб повторити розрахунок з більшою кількістю варіантів точок X_i.

Наведено зв'язок критерію проектування БПЛА з аеродинамічними коефіцієнтами, зокрема, розглянуто модель аеродинамічного розрахунку, яка включає силу лобового опору, підйомну силу, фокус, поздовжній момент тангажу, аеродинамічну якість. Визначено основні льотно-технічні характеристики БПЛА, що включає розрахунок швидкостей польоту, швидкопідйомність після відриву, стелі, довжини розбігу і злітної дистанції, стартової маси, відносної маси фюзеляжу, маси крила, оперення, маси силової установки, маси шасі, маси рульового приводу з джерелом енергії, маси корисного навантаження.

Запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА, що включає визначення геометричних параметрів крила (площі, подовження, звуження, відносну товщину, профіль, геометричні параметри механізації крила і елеронів), горизонтального оперення і керма висоти, вертикального оперення і керма напряму, фюзеляжу, вибір схеми шасі.

Запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА, включаючи визначення геометричних параметрів крила (площа, подовження, звуження, відносна товщина, профіль, геометричні параметри механізації крила і елеронів), горизонтального оперення і керма висоти, вертикального оперення і керма напряму, фюзеляжу, вибір схеми шасі.

У четвертому розділі розглянуто основне приладне обладнання для забезпечення візуальної і розвідувальної інформації на БПЛА. Наведено перелік електронно-оптичних систем спостереження та розвідки.

Поставлено задачу оптимального вибору оптичних пристроїв спостереження та наведено алгоритм її розв'язання на основі використання методу аналізу ієрархій.

У п'ятому розділі виконано аналіз інтеграційних властивостей САПР та використання інформаційних технологій на всіх стадіях життєвого циклу БПЛА. Розроблено структуру програмного забезпечення САПР БПЛА. Наведено опис інтерфейсу користувача.

У додатках наведено акт впровадження результатів дисертаційної роботи у навчальний процес, матеріали з уніфікації ДПЛА, огляд сучасних ДПЛА та перспективи їх розвитку, технічне забезпечення САПР, опис базових функцій БПЛА, класифікацію конструкції БПЛА, методики розрахунку сили лобового опору, підйомної сили, фокусу, поздовжнього моменту тангажу, аеродинамічної якості, відносної маси фюзеляжу, маси крила, оперення, маси силової установки, маси шасі, маси рульового приводу з джерелом енергії, геометричних параметрів крила, огляд САПР систем загального та спеціального призначення.

ВИСНОВКИ

1. Запропоновано структуру САПР БПЛА, яка включає забезпечення: математичне, загальносистемне програмне, спеціальне (прикладне) програмне, інформаційне, технічне, методичне, організаційне. Визначено критерії ефективності використання САПР.

2. Запропоновано дві змістовні постановки задачі проектування вигляду БПЛА: проектування під задані тактико-технічні вимоги та проектування з умови максимальної ефективності виконання поставленої задачі. Встановлено, що перша задача характеризується малою розмірністю за кількістю змінних параметрів, але великим розкидом результатів розв'язку та малою ймовірністю одержання розв'язку, а друга задача - меншим розкидом результатів розв'язку і більшою вірогідністю отримання розв'язку за високої розмірності та кількості змінних параметрів.

3. Аналіз методів пошукового конструювання показав доцільність використання морфологічних методів проектування, що дозволяють формалізувати процес проектування вигляду БПЛА на етапі синтезу його конструктивно-компоновочної схеми. Відзначено перспективні можливості цих методів для синтезу нових технічних рішень за умови включення до них процедур вибору та структурної оптимізації. Сформовано безліч базових функцій БПЛА і наголошено на необхідності поелементного аналізу функцій для пошукового конструювання БПЛА. Розглянуто взаємозв'язок функції та структури БПЛА, визначено множину структури БПЛА, що становить область допустимих рішень при виборі варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА.

4. Обґрунтовано вибір методу багатокритеріальної оптимізації, що базується на використанні принципу кубічних сіток і безлічі випадкових точок, рівномірно розподілених в багатовимірній області допустимих рішень, які дозволяють отримувати оптимальні проектні характеристики БПЛА та його основних підсистем одночасно за всіма критеріями якості.

5. На основі системного підходу до аналізу БПЛА з позиції ієрархії проектного опису за рівнями деталізації представлено процес проектування вигляду БПЛА у вигляді послідовного вирішення часткових взаємопов'язаних оптимізаційних задач, розташованих на різних рівнях проектного пошуку, що дозволяє спростити вирішення поставленої проектної задачі.

6. Наведено зв'язок критерію проектування БПЛА з аеродинамічними коефіцієнтами, зокрема, розглянуто модель аеродинаміч-ного розрахунку, що включає силу лобового опору, підйомну силу, фокус, поздовжній момент тангажу, аеродинамічну якість. Визначено основні льотно-технічні характеристики БПЛА, що включає розрахунок швидкостей польоту, швидкопідємності після відриву, стелі, довжини розбігу і зльотної дистанції, стартової маси, відносної маси фюзеляжу, маси крила, оперення, маси силової установки, маси шасі, маси рульового приводу з джерелом енергії, маси корисного навантаження.

7. Запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА, включаючи визначення геометричних параметрів крила (площа, подовження, звуження, відносна товщина, профіль, геометричні параметри механізації крила і елеронів), горизонтального оперення і керма висоти, вертикального оперення і керма напряму, фюзеляжу, вибір схеми шасі.

8. Розроблено алгоритм розрахунку геометричних параметрів БПЛА на основі розв'язку задачі багатокритеріальної оптимізації з використанням методу перебору.

9. Розв'язано задачу оптимального вибору пристроїв спостереження для БПЛА на підставі вирішення задачі багатокритеріальної оптимізації. Для вирішення задачі багатокритеріальної оптимізації було використано метод аналізу ієрархій. Використання запропонованого підходу дозволить підвищити ефективність, скоротити час проектування комплексу технічних засобів пристроїв спостереження для БПЛА і підвищити ефективність їх використання.

10. Розроблено програмне забезпечення САПР БПЛА, засноване на вирішенні задач багатокритеріальної оптимізації, розглянуто розв'язок конкретного прикладу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Синеглазов В. М. Разработка структуры целеориентированной системы автоматизированного проектирования / В. М. Синеглазов, С. Г. Кеворков, Р. К. Кадем / Електроніка та системи управління. 2009. № 4(22). C. 109-115.

2. Кадем Р. К. Компонентный анализ беспилотных летательных аппаратов / Р. К. Кадем // Електроніка та системи управління. 2010. № 2(24). C. 45-51.

3. Синеглазов В. М. Использование модели аэродинамического расчета беспилотных летательных аппаратов в системе автоматизи-рованного проектирования / В. М. Синеглазов, А. В. Брыкалов, Р. К. Кадем // Електроніка та системи управління. 2010. № 3(25). C. 73-82.

4. Синеглазов В. М. Оптимальний выбор устройств наблюдения для беспилотных летательных аппаратов / В. М. Синеглазов, Р. К. Кадем, А. Н. Мельниченко // Електроніка та системи управління. 2010. № 4(26). C. 64-72.

5. Sineglazov V. M. Choice of the project design data integration module sorting algorithm of a computer-aided design / V. M. Sineglazov, S. G. Kyevorkov, R. K. Kadhim // Proceedings of NAU. 2010. № 3(44). Р. 25-29.

6. Синеглазов В. М. Вибір оптимального алгоритму пошуку модуля інтеграції проектних даних системи автоматизованого проектування / В. М. Синеглазов, С. Г. Кеворков, Р. К. Кадем // Вісник НАУ. 2010. № 4(45). C. 18-22.

7. Melnychenko O. N. Optimal Choice of the Devices of Observation for Unmanned Aerial Vehicles / O. N. Melnychenko, R. K. Kadhim // I-st International Conference “Methods and Systems of Navigation and Motion Control” (Kyiv, 13-16 october 2010) / М-во освіти і науки України [та ін.]. К.: НАУ, 2010. C. 66-69.

8. Sineglazov V. M. Quality estimation of unmanned aerial vehicles automated design / V. M. Sineglazov, R. K. Kadhim // Proceedings The Fourth World Congress “Aviation in the XXI-st Centry” “Safety in Aviation and Space Technologies” (Kyiv, September 21-23 2010, Vol. 1) / М-во освіти і науки України [та ін.]. К.: НАУ, 2010. C. 21.30-21.33.

9. Синеглазов В. М. Автоматизированное проектирование БПЛА как решение задачи многокритериальной оптимизации / В. М. Синеглазов, Р. К. Кадем // Х Міжнародна науково-технічна конференція «Авіа-2011» (19-21 квітня 2011), М-во освіти і науки, молоді та спорту України. К.: НАУ, 2011. C. 66-69.

АНОТАЦІЯ

Раад Карім Кадем Автоматизоване проектування безпілотних літальних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.12 - Системи автоматизації проектувальних робіт. - Національний авіаційний університет, Київ, 2011.

Дисертацію присвячено подальшому розвитку теорії і процесів автоматизованого проектування безпілотних літальних апаратів.

У роботі наведено різні класифікації БПЛА та БАК. Визначено дві змістовні постановки задачі проектування вигляду БПЛА - проектування під задані ТТВ і проектування з умови досягнення максимальної ефективності виконання поставленої задачі.

Визначена найбільш загальна декомпозиція задачі проектування вигляду БПЛА.

Виконано функціонально-структурний аналіз існуючих конструкцій БПЛА, що показав доцільність застосування методів пошукового конструювання для синтезу конструктивно-компоновочної схеми БПЛА.

Здійснено дослідження БПЛА з використанням системного підходу. Побудовано компонентну модель БПЛА, у якій БПЛА надано у вигляду ТС і складною багаторівневою ієрархічною структурою, що, в свою чергу, входить у ТС більш високого рівня ієрархії.

З урахуванням опису базових функцій елементів БАК і БПЛА побудовані функціональні структури БАК, БПЛА і підсистем БПЛА у вигляді графів функціональної взаємодії, що складають основу побудови структурної моделі множини ТР.

На основі аналізу базових функції і функціональних елементів існуючих конструкцій БАК і БПЛА виявлено додаткові функції, а також синтезовано нові функції і визначено пристрої, що їх реалізують у функціональних структурах перспективного БПЛА і системи керування перспективної БПЛА.

Для функціональних елементів БПЛА і її підсистем визначені найбільш істотні (з точки зору розв'язання задачі) конструктивні ознаки, що відносяться до груп ознак, взаємозв'язок і взаємне розташування функціональних елементів.

Визначено локальні критерії якості для задач структурної й параметричної оптимізації.

Наведено методику багатокритеріальної параметричної оптимізації, що заснована на систематичному перегляді (зондуванні) багатомірних областей точками послідовності, що рівномірно розподілена в просторі параметрів.

Наведено зв'язок критерію проектування БПЛА з аеродинамічними коефіцієнтами.

Запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА.

Розглянуто основне приладне обладнання для забезпечення візуальної і розвідувальної інформації на БПЛА.

Поставлено задачу оптимального вибору оптичних пристроїв спостереження та наведено алгоритм її розв'язання на основі використання методу аналізу ієрархій.

Виконано аналіз інтеграційних властивостей САПР та використання інформаційних технологій на всіх стадіях життєвого циклу БПЛА. Розроблено структуру програмного забезпечення САПР БПЛА. Наведено опис інтерфейсу користувача.

АННОТАЦИЯ

Раад Карим Кадем Автоматизированное проектирование беспилотных летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектных работ - Национальный авиационный университет, Киев, 2011.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию теории и процессов автоматизированного проектирования беспилотных летательных аппаратов. В работе приведены различные классификации БПЛА и БАК.

Определены две содержательные постановки задачи проектирования вида БПЛА - проектирование под заданные ТТВ и проектирования из условия достижения максимальной эффективности выполнения поставленной задачи.

Определена наиболее общая декомпозиция задачи проектирования вида БПЛА.

Выполнен функционально-структурный анализ существующих конструкций БПЛА, показана целесообразность применения методов поискового конструирования для синтеза конструктивно-компоновочных схемы БПЛА.

Осуществлено исследование БПЛА с использованием системного подхода. Построена компонентная модель, в которой БПЛА предоставлен в виде ТС со сложной многоуровневой иерархической структурой, что в свою очередь, входит в ТС более высокого уровня иерархии.

С учетом описания базовых функций элементов БАК и БПЛА построены функциональные структуры БАК, БПЛА и подсистем БПЛА в виде графов функционального взаимодействия, составляющих основу построения структурной модели множества ТР.

На основе анализа базовых функций и функциональных элементов существующих конструкций БАК и БПЛА выявлены дополнительные функции, а также синтезированы новые функции и определены устройства, которые реализуют в функциональных структурах перспективного БПЛА и системы управления перспективной БПЛА.

...