Полунатурное моделирование функционирования БПЛА

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полунатурное моделирование функционирования БПЛА

Введение

беспилотный летательный аппарат алгоритм

Исследуется полунатурная модель работы БПЛА, состоящая из инерциального блока, блока управления и рабочего места. Полунатурная модель построена на основе математической модели пространственного движения БПЛА при наведении на неподвижную точку прицеливания. Предлагаемый доклад посвящен реализации ресурсосберегающей модели проверки и отладки алгоритмов управления БПЛА. В процессе работы проведены наземные модульные тестирования блока управления и инерциального блока БПЛА.

1. Полунатурное моделирование функционирования БПЛА

Алгоритмы управления полетом БПЛА реализуются в бортовом процессоре и должны пройти стадию наземной отработки с целью устранения возможных ошибок. Активно развивающиеся на сегодняшний день подходы к отладке систем перспективных управляемых летательных аппаратов, а в дальнейшем и для оценивания и подтверждения их тактико-технических характеристик, базируются на ресурсосберегающей технологии [1], ключевые моменты которой:

- преобладание математического и полунатурного моделирования в сравнении с натурными работами;

- обеспечение достоверности и адекватности проводимых наземных испытаний составных частей изделий их штатному функционированию;

- проведение модульного тестирования бортового программного обеспечения.

В данном докладе рассматривается пространственное движение БПЛА воздух-земля, оснащенного инерциальным блоком, при наведении в неподвижную наземную точку интереса. Инерциальная система наведения при необходимости более точного вывода на цель может легко трансформироваться в комбинированную инерциально-спутниковую систему наведения.

Описание полунатурного стенда.

Полунатурный стенд для проверки алгоритмов наведения и стабилизации состоит из двух основных блоков (рисунок 1).

В качестве основной навигационной подсистемы используется бесплатформенная микромеханическая инерциальная навигационная система (БИНС). Задачи управления, стабилизации и наведения решаются в цифровом виде контроллером блока управления с адаптацией по скоростному напору и пропорциональным наведением по мгновенным промахам в реальном времени.

Рисунок 1. Блок-схема полунатурного стенда

В данной работе при полунатурном моделировании использовался БИНС ОАО «ГИРООПТИКА» (рисунок 2) - трехкомпонентный инерциальный измерительный блок содержит микромеханические гироскопы и акселерометры. Микромеханические гироскопы и акселерометры относятся к области низких точностей. Тем не менее, микромеханические датчики обладают целым рядом уникальных достоинств, что делает их незаменимыми для многих применений.

Прежде всего - это малые габариты и масса, также важнейший для портативных автономных устройств параметр - это энергопотребление. Низкая стоимость датчиков также ставит их в обособленное положение. Кроме того, датчики отличаются высокой надежностью.

Рисунок 2. БИНС ОАО «ГИРООПТИКА»

Инерциальная система наведения реализует следующие алгоритмы:

- алгоритм начальной выставки;

- алгоритм определения параметров ориентации объекта;

- алгоритм определения навигационных параметров объекта.

При программно-аппаратной реализации законов наведения, управления и стабилизации в блоке управления БПЛА используется процессор 1892 ВМ3Т "Мультикор" отечественного производства.

Контроллер блока управления (далее БУ) (рисунок 3) представляет собой узел, включающий в себя центральный процессор, микросхемы памяти, контроллер интерфейса, преобразователи уровня и источник вторичного электропитания.

Рисунок 3. Блок управления.

Алгоритм системы управления БПЛА переносится в БУ из математической модели пространственного движения БПЛА при наведении в неподвижную точку интереса. Моделирование полной, замкнутой системы полета объекта управления проводится в среде программирования MATLAB/Simulink.

Для регистрации измерений и функционирования полунатурного стенда необходимы источник питания, персональный компьютер, дополнительные кабели. Все это объединено под названием автоматизированного рабочего места (АРМ). АРМ предназначено для проверки, настройки и отладки аппаратных и программных средств, входящих в состав полунатурного стенда.

В комплект АРМ входят:

- персональный компьютер (совместимый IBM AT) с операционной системой Microsoft Windows XP, имеющей в своём составе порт типа RS232;

- лабораторный источник питания постоянного тока Б5-6005, на котором настраивается необходимое напряжение питания БУ БПЛА (номинал 27 В);

- двухканальный осциллограф Tektronix TDS2022B, входы которого могут подключаться к выходным и входным сигналам полунатурного стенда;

- комплект кабелей.

Результатом работы является отображаемая в программе контроля информация о выходных из БУ БПЛА телеметрических данных решения алгоритма управления, навигационного алгоритма, вырабатываемых дискретных сигналов. По полученным телеметрическим данным делаются выводы о правильности работы алгоритмов наведения и стабилизации.

Тестирование блока управления.

Модульное тестирование предполагает проверку каждого компонента в отдельности. Комплексная проверка алгоритма, реализованного в БУ, предполагает проверку реализации алгоритма, проверку предельных значений сигналов на рули и проверку замкнутой по обратной связи работы алгоритма БУ.

Проверка реализации алгоритма предполагает решение блоком управления алгоритма системы управления по данным, поступающим из ПК и имитирующим траекторию полета БПЛА. Эти данные берутся из файла, сформированного при помощи математической модели. Контролируемые параметры на выходе из БУ сравниваются с расчетными параметрами из математической модели (рисунок 4).

Рисунок 4. График одного из контролируемых параметров от времени. Сравнение одного из параметров на выходе из БУ (нижний график) с расчетными параметрами из математической модели.

Явная разница видна между интегральными характеристиками и параметрами, включающими в себя интегральные характеристики. Это объясняется различной частотой интегрирования, различной точностью вычисления. Так как данная проверка реализована без обратной связи, то ошибка накапливается с течением времени. При проверке алгоритма в БУ с обратной связью реализуется замкнутая полунатурная модель, которой необходимо задать лишь начальные данные. К траекторным параметрам, принятым из ПК, в БУ перед расчетом алгоритма системы управления добавляются данные, идущие из неподвижной БИНС. Контролируемые параметры на выходе из БУ сравниваются с расчетными параметрами из математической модели (рисунок 5). Итоговая разница между контролируемым параметром и параметром из математической модели несущественна.

Рисунок 5. График одного из контролируемых параметров от времени. Сравнение одного из параметров на выходе из БУ с расчетными параметрами из математической модели при проверке алгоритма в БУ с обратной связью.

При действии внешних возмущений на датчики БИНС во время работы БУ выходные параметры достаточно быстро стабилизируются, точность наведения не уменьшается. Отсюда можно сделать вывод, что дополнительная корректировка законов управления не требуется. На рисунке 6 действие возмущений (удар) производилось в момент времени 37,5 секунды.

Рисунок 6. График одного из контролируемых параметров от времени. Сравнение одного из параметров на выходе из БУ с расчетными параметрами из математической модели при проверке алгоритма в БУ с обратной связью при действии внешних возмущений.

Тестирование БИНС.

Наземное тестирование БИНС представляет собой комплекс мероприятий, включающий проверку точности определения координат в автономном режиме функционирования в движении.

Для реализации движения полунатурная модель перемещалась на тележке. Полунатурная модель устанавливалась на тележку, так же на тележке размещалась аппаратура, необходимая для питания изделия и приёма информации (рисунок 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7. Полунатурная модель на тележке.

Для проведения начальной выставки БИНС устанавливался в специальной подставке (трегере), имеющей три подъемных винта, позволяющих выполнять горизонтирование изделия с помощью жидкостного уровня, устанавливаемого на корпусе блока. Погрешность жидкостного уровня не превышала 2. При точности горизонтирования 2 погрешность определения координат не превышает 14 м.

Тележка перемещалась на расстояние 30 метров с последующим разворотом на 180 градусов и возвратом в исходную точку. Продолжительность движения составляла 70 80 с.

Погрешности определения координат блоком БИНС в автономном режиме при перемещении на тележке, за 5 измерений, представлены в таблице 1.

Таблица 1.Погрешности определения координат блоком БИНС

Тестирование совместной работы БИНС и приемника спутниковой навигации.

Погрешности автономной БИНС вследствие ошибок датчиков первичной информации, ошибок начальной информации и ошибок исходной информации неограниченно возрастают с течением времени. Поэтому практическое использование БИНС в автономном режиме возможно на сравнительно небольших интервалах времени.

Цель объединения БИНС и приемника спутниковой навигации (ПСН) состоит в том, чтобы устранить недостатки и обеспечить сочетание преимуществ обеих систем, построив более точную, надежную, помехозащищенную, целостную систему, оптимально обрабатывающую информацию от двух систем. В результате комплексирования достигается:

- повышение помехоустойчивости, надежности и точности определения координат, скорости и параметров ориентации объекта;

- уточнение параметров калибровки датчиков первичной информации (дрейфы гироскопов, смещения нулей акселерометров, масштабные коэффициенты датчиков и др.);

- обеспечение непрерывности навигационных определений на всех этапах движения объекта, в том числе при временной потере спутниковой информации, в случаях воздействия помех или маневрах объекта;

- улучшение характеристик целостности навигационно-временного определения.

Для полунатурной модели с приемником спутниковой навигации проводилась проверка, при которой производилась одновременная запись телеметрии БИНС при комплексировании с ПСН и данных GPS приемника GlobalSat BT-338. Движение выполнялось по замкнутой траектории. Блок БИНС предварительно был выставлен в плоскость горизонта для осуществления начальной коррекции чувствительных элементов (акселерометров и гироскопов).

Траектория на выходе блока БИНС и траектория GPS приемника совмещенные друг с другом отображены на рисунке 8.

Рисунок 8. Траектории БИНС и BT-338 (земная нормальная СК).

По оси ординат - координата X, м; по оси абсцисс - координата Z, м.

Заключение

Реализована ресурсосберегающая модель проверки и отладки алгоритмов управления БПЛА, проведены наземные модульные тестирования блока управления и инерциального блока БПЛА. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что после синтеза системы управления и стабилизации в математической модели дополнительная корректировка законов управления по результатам полунатурного моделирования не требуется.

Литература

беспилотный летательный аппарат алгоритм

1. Матвеев А.В Синтез алгоритмов и наземное тестирование микромеханической инерциально-спутниковой системы наведения // Матвеев А.В., Гришечкин А.А., Волков Г.А., Иванов Д.С., Иванов И.А., Алексеев А.В., Пестова К.С. - труды X международной четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление» том 3, Казань 2012.

Размещено на Allbest.ru