Методы и алгоритмы облета препятствий при маловысотном полете вертолета

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОБЛЕТА ПРЕПЯТСТВИЙ ПРИ МАЛОВЫСОТНОМ ПОЛЕТЕ ВЕРТОЛЕТА

Л.Н. Никифорова

Институт Системного Анализа РАН, Москва

В работе рассматривается проблема обхода и облета вертолетом препятствий на близких от препятствия расстояниях в режиме маловысотного полета (МВП). Предлагается алгоритм определения тип маневра - обхода или облета препятствия. Приводятся результаты математического моделирования полета вертолета вблизи препятствий с учетом специфики динамики полета вертолета как летательного аппарата.

Вопрос автоматизации режима маловысотного полета (МВП) является одним из ключевых при разработке современных бортовых систем управления летательными винтокрылыми аппаратами (вертолетами), т.к. МВП является одним из наиболее сложных режимов полета. Для решения задачи автоматизации МВП предлагается моделировать этот режим полета тремя уровнями точности:

- прокладка маршрута на значительном отдалении (дальние задачи);

- формирование траекторий на средней дистанции для укрытия в складках местности;

- облет препятствий.

Первые две задачи выполняются на основе имеющейся цифровой карты местности, в то время как определение препятствий и способа уклонения от них определяются в реальном масштабе времени на основе данных бортовых датчиков. Приближенно определенный на дальнем расстоянии маршрут уточняется в процессе движения оптимизатором траекторий на средних расстояниях, причем этот оптимизатор определяет номинальную траекторию на небольшом расстоянии впереди по полету аппарата. Ближнее наведение с целью обхода препятствий принимает информацию от подсистемы обнаружения препятствий, которая собирает в реальном масштабе времени информацию о препятствиях на пути и об их высоте над поверхностью земли в целях уточнения траектории полета вблизи номинальной траектории, определенной на средней дистанции.

Работы в области автоматизации МВП

На начальном этапе изучения МВП усилия были направлены на разработку всех необходимых компонентов системы автоматического управления, включая подсистему обхода препятствий и автопилот [Denton et al., 1986], [Heiges et al., 1992], [Nikiforova et al., 1997]. Поскольку в МВП боковой маневр обычно считался основным, в некоторых работах представляется концепция получения потенциальной траектории в горизонтальной плоскости по показаниям бортовых датчиков с учетом физических размеров аппарата. Исследуются различные возможности системы управления вертолетом на пространственном маневре, обсуждается разнообразие предполагаемых ограничений системы управления, накладываемых датчиками. Полет в вертикальной плоскости вдоль выбранной в горизонтальной плоскости траектории требует данных о высоте для дополнения заданной траектории до трехмерного вида.

Вопросы прокладки маршрута на дальних и средних дистанциях с помощью методов и моделей искусственного интеллекта подробно рассмотрены в [Никифорова и др., 2009], [Никифорова, 2010].

Кроме предпринятых усилий по оценке и модификации функций автоматического наведения и управления, разработчики автоматизации МВП уделяют большое внимание развитию интерфейса летчика в частично автоматизированном полете. Работы [Baratoff et al., 1998], [Cheng et al., 1994], [Heiges et al., 1992] определяют некоторые из возможностей, которые обещают значительное уменьшение нагрузки на летчика и увеличение безопасности по сравнению с системами, лишенными таких возможностей.

Принятые обозначения

Н - высота полета;

S - пройденный путь;

Д - дальность до препятствия;

- расход управления по общему шагу;

n_y - перегрузка;

_р - угол наклона рельефа местности;

_тр - угол наклона траектории полета;

Н_р, Н_рмах - высота (допустимая высота) препятствия;

Z_р, Z_рmax - ширина (допустимая ширина) препятствия.

Алгоритм работы вычислителя рекомендуемых маневров

При обнаружении на линии заданной траектории полета препятствий, не означенных на исходной цифровой карте, появляется необходимость выбора типа маневра обхода препятствия - в горизонтальной или вертикальной плоскости или пространственным маневром. Для автоматизации принятия решения о маневре в систему автоматического управления (САУ) вводится логическое устройство, которое в зависимости от энергетических и других возможностей вертолета определяет наиболее подходящий вид маневра. По информации от датчиков определяются дальность до препятствия Д и его размеры - высота Н_р и ширина Z_р. Эти величины сравниваются с допустимыми размерами значений Н_рmax и Z_рmax, которые полностью зависят от энергетических и конструктивных характеристик конкретного вертолета. В следующем параграфе будут изложены некоторые соображения о том, как с помощью моделирования определять зависимость Н_рmax и Z_рmax от скорости и других параметров полета вертолета, пока же будем предполагать, что данные величины известны САУ.

Вычислитель рекомендуемых маневров, включенный в схему логического устройства, сравнивает характеристики препятствия - величины Н_р и Z_р, определенные по данным датчиков, и максимально допустимые на данном режиме значения этих величин Н_рmax и Z_рmax, вычисляя разности

Н_р=Н_р-Н_рmax; Z_р=Z_р-Z_рmax.

В зависимости от сочетания знаков вычисленных разностей вырабатываются разовые команды по рекомендации того или иного маневра по следующему алгоритму:

1. Z_р<0 и Н_р<0 (препятствие невелико и по протяженности, и по высоте) - маневр возможен любой - и в горизонтальной, и в вертикальной плоскости (обход или облет).

2. Z_р0 и Н_р0 (препятствие невелико по протяженности и велико по высоте) - маневр обхода в горизонтальной плоскости с включением в работу поперечного и путевого каналов управления.

3. Z_р>0 и Н_р<0 (препятствие велико по протяженности и невелико по высоте) - маневр облета в вертикальной плоскости с включением в работу канала общего шага и при необходимости - продольного канала управления.

4. Z_р0 и Н_р0 (препятствие велико по высоте и по протяженности) - выбор маневра производится по заданному приоритету, например, по закону простейшей функции: F=К₁*Н_р-K₂*Z_р, где К₁ и К₂ - весовые коэффициенты, при этом: F>0 - маневр облета; F<0 - маневр обхода.

Если параметры препятствия велики, то необходимо включить режим торможения и при уменьшенной скорости осуществить выбор повторно.

На рис.1 представлен пример включения вычислителя рекомендуемых маневров, работающий по описанному алгоритму, в блок-схему управления вертолетом на режиме МВП.

Рис. 1. Основные блоки системы автоматизации МВП

По сигналу от датчиков (1), определяющих дальность до препятствия, в вычислителе рекомендуемых маневров (2) в соответствии с приведенной выше методикой вырабатываются рекомендации по определению типа маневра (в горизонтальной, вертикальной плоскости или пространственный). Затем в вычислителе параметров траектории (3) задаются количественных характеристики маневра (постоянная скорость или торможение, угол крена и др.) в зависимости от условия полета и характеристик препятствия (4). Рекомендации поступают в систему автоматического управления (5) и через исполнительный элемент (6) обеспечивают управление вертолетом (7).

Методика определения Нmax и Zmax

Величина максимально допустимого значения высоты препятствия H_рмax определяется из ограничения максимальных возможностей вертолета при облете препятствия в вертикальной плоскости, которые в свою очередь зависят от скорости, энергетических возможностей двигателя, от конструктивных особенностей вертолета. Фактически единственным способом определить Н_рмax для конкретного вертолета на конкретном режиме полета (в рамках МВП) является моделирование (а также - последующие летные испытания). Ниже будут представлены результаты подобного моделирования.

Моделирование динами полета вертолета выполнено для автоматизированного маловысотного полета, т.е. полета вертолета с обычно располагаемым ходом автопилота (20% от общего ходя управления). На рис.2-3 показан облет профиля местности с углом наклона профиля местности _р=30 на двух скоростях полета: V=140 и 250 км/ч. Траектории облета в вертикальной плоскости представлены на рис.2а и рис.3а. Изменение параметров полета - угла общего шага и перегрузки на режиме облета n_y - представлено на рис.2б и рис.3б. На рис. 2а показана также величина «просадки» Н - величина разности высот реального полета и «теоретического», который соответствовал бы неограниченному расходу управления по каналу высоты на режиме. Из рис.3 видно, что для облета препятствия на скорости 250 км/ч требуется начать траекторию облета существенно раньше, чем на скорости 140 км/ч.

Рис. 2. Облет препятствия на скорости 140 км/ч. а) траектория облета; б) изменение параметров полета

Рис. 3. Облет препятствия на скорости 250 км/ч. а) траектория облета; б) изменение параметров полета

Сравнение параметров полета при облете рельефа с углом _р=30^о при полете с постоянной скоростью 250 км/ч и полете с торможением представлено на рис.4. Как видно из графика, при торможении доступная для облета высота рельефа - Н_рmax - существенно больше, чем при полете на постоянной скорости.

Сравнение выигрыша в минимальной величине дальности до препятствия Д в зависимости от угла наклона рельефа местности _р представлено в таблице 1. Эти данные получены для конкретного вертолета в результате численного моделирования динамики полета и показывают влияние торможения на потребную дальность начала маневра облета.

Рис. 4. Изменение параметров полета вертолета при облете препятствия в вертикальной плоскости на скорости 250км/ч с торможением и без.

Табл. 1. Зависимость дальности начала маневра (дальности до препятствия) от скорости полета

Как видно из таблицы 1 и рис.4, торможение помогает облету препятствий в том, что облет можно начинать существенно позднее (ближе к препятствию). При этом потребная дальность начала маневра Д уменьшается при торможении практически вдвое, что позволяет существенно расширить возможности вертолета при облете незапланированных препятствий на близком расстоянии.

В отличие от самолета вертолет в состоянии облетать отдельные препятствия типа вертикальной стены или отдельно стоящего препятствия (башни). Это связано с тем, что при необходимости вертолет может перейти на режим вертикального взлета или снижения. Результаты моделирования облета вертикального препятствия высоты, намного большей, чем высота полета вертолета, представлены на рис.5 (траектория в вертикальной плоскости - рис.5а; требуемая вертикальная перегрузка - рис.5б).

Рис. 5. Облет препятствия на скорости 140 км/ч. а) траектория облета; б) изменение параметров полета

Оценка возможностей вертолета на маневре в горизонтальной плоскости на разных режимах определяется также с помощью моделирования. Наиболее простой способ - определение максимальной протяженности препятствия Z_рмax, которое можно обойти маневром в горизонтальной плоскости, по значению максимально допустимого угла крена на данной скорости полета. На рис.6 представлен пример зависимости Z_pmax=f(S) для нескольких скоростей полета V=100, 150, 200 и 250 км/ч. при крене 20^о. Как следует из рис.6, при увеличении скорости полета растет радиус виража (для разворота в горизонтальной плоскости), отсюда - рекомендация снижения скорости полета для более «крутого» разворота.

Рис. 6. Зависимость максимальной протяженности препятствия от скорости полета в горизонтальной плоскости.

полет вертолет летательный аппарат

В настоящей работе рассмотрены проблемы и особенности автоматизации маловысотного полета вертолета (МВП) на ближней дистанции. Предложен алгоритм выбора маневра при облете препятствий, не нанесенных на цифровую карту местности и обнаруженных датчиками летательного аппарата. Описана система автоматического управления вертолетом на режиме МВП. Приведены результаты моделирования динамики полета вертолета при различных характеристиках рельефа, позволяющие получить настроечные параметры, необходимые для алгоритма выбора маневра.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №09-07-00043).

Список литературы

1. Никифорова Л.Н., Яковлев К.С. Маловысотный полет вертолета и проблемы его автоматизации // Искусственный интеллект и принятие решений, №3. М: ИСА РАН, 2009.

2. Никифорова Л.Н. Построение оптимальной траектории маловысотного полета вертолета на средних дистанциях. // Авиакосмическое приборостроение, №3. М: НАУЧТЕХЛИТИЗДАТ, 2010.

3. Baratoff G., Toepfel C., Wende M., Neumann H. Real-Time Navigation and Obstacle Avoidance from Optical Flow on a Space-Variant Map. // Proceedings of the 1998 IEEEISIC/CIRA/ISAS Joint Conference, 1998.

4. Cheng V.H.L., Lam T. Automatic Guidance and Control for Helicopter Obstacle Avoidance. // Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 17(6), 1994.

5. Denton R.V., Pekelsma N.J., Hagen M., McGree L.A. Guidance Automation for Nap-of-the-Earth Flight // Proceeding of the 7th Digital Avionics System Conference, 1986.

6. Heiges M.W., Mennon P.K.A, Schrage D.P. Synthesis of Helicopter full Authoring Controller // Journal of Guidance, Conrol and Dynamics, 15(1), 1992.

7. Nikiforova L.N., Petrosian E.A., Feofilov E.B. On-Board Automation of Helicopter Flight Path Generation // Proceedings of Conference "Aviation Technologies-2000" Russia, 1997.

Размещено на Allbest.ru