WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

«Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2016, 9(8), 1267-1278 ~~~ УДК 629.73.05 The Method of Syntheses of ...»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2016, 9(8), 1267-1278

~~~

УДК 629.73.05

The Method of Syntheses of Hardware

and Software Complexes

for Unmanned Aerial Vehicles Flight

Control Systems Development

Andrey M. Ageeva and Ivan V. Makarovb

Military Education and Research Centre of Military-Air Forces

a

«Military-Air Academy

Named After Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»

54а Starykh Bolshevikov Str., Voronezh, 394064, Russia

«Autonomous Aerospace Systems – GeoService»

b Research and Production Enterprise, LLC 223 office, 3 Vuzovsky Side Str., Krasnoyarsk, 660025, Russia Received 12.03.2016, received in revised form 27.06.2016, accepted 29.09.2016 The method of design of hardware and software complexes for unmanned aerial vehicles flight control systems development, used by developers during the design and testing, is presents. The results of creation of a simulation model of short-range type unmanned aircraft flight dynamics, means of interfacing simulation models and flight control hardware and specialized software development, is considered. The recommendations on the use of the developed models and programs in the problems of the synthesis of unmanned aerial vehicles flight control systems are given.

Keywords: unmanned aerial vehicles, automatic flight control system, software and hardware complex, simulation model, simulation.



Citation: Ageev A.M., Makarov I.V. The method of syntheses of hardware and software complexes for unmanned aerial vehicles flight control systems development, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2016, 9(8), 1267-1278. DOI: 10.17516/1999-494XSiberian Federal University. All rights reserved * Corresponding author E-mail address: …

– 1267 – Andrey M. Ageev, Ivan V. Makarov. The Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned… Методика синтеза программно-аппаратных комплексов автоматизированной разработки систем управления полетом беспилотных летательных аппаратов А.М. Агеев, И.В. Макаров Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил а «Военно-воздушная академия имени пр

–  –  –

Предложена методика построения программно-аппаратных комплексов автоматизированной разработки систем управления полетом беспилотных летательных аппаратов, применяемых разработчиками на этапах проектирования и испытания. Рассмотрены результаты создания имитационной модели динамики полета беспилотного летательного аппарата малой дальности самолетного типа, средств обеспечения информационного сопряжения имитационных моделей и аппаратных средств автоматизации управления, разработки соответствующего специализированного программного обеспечения. Даны рекомендации по применению разработанных моделей и программ в задачах синтеза бортовых систем управления перспективных беспилотных летательных аппаратов.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, система автоматического управления полетом, программно-аппаратный комплекс, имитационная модель, имитационное моделирование.

Введение В ближайшее десятилетие существенно увеличится количество комплексов с беспилотными летательными аппаратами (БЛА) при расширении ряда решаемых задач, что связано с увеличением высот, скоростей, дальности и продолжительности полета, точностных характеристик целевых нагрузок. Наметилась устойчивая тенденция автоматизации всех режимов полета БЛА, учитывая автоматический взлет/посадку, полет по заданному маршруту в районах патрулирования. Существующая практика разработки систем автоматического управления (САУ) БЛА основана на использовании классических схем на базе ПИД-регуляторов [1].

Расчет и настройка коэффициентов регуляторов САУ зачастую проводятся разработчиками эмпирически, не основываясь на аналитических расчетах, без привязки к конкретному планеру. Они требуют значительной коррекции на ранних стадиях испытаний и эксплуатации и в ряде случаев допускают неудовлетворительные летные характеристики и даже потери БЛА.

На предприятиях промышленности, представленных многообразием фирм-производителей БЛА, отсутствует единый законченный научно обоснованный подход к разработке САУ полетом БЛА. Научно-исследовательские организации и конструкторские бюро заинтересованы в создании инструмента проведения научных исследований в области автоматизации управления БЛА с целью разработки новых алгоритмов управления, решения задач автоматизации

– 1268 – Andrey M. Ageev, Ivan V. Makarov. The Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned… взлета и посадки, других сложных задач управления и навигации. В то же время требования к низкой стоимости и малому времени на разработку беспилотных комплексов не позволяют закладывать в бюджет предприятий затраты на разработку или приобретение дорогостоящих специализированных программных продуктов, интеграцию их с пилотажно-навигационным оборудованием БЛА. Указанные обстоятельства определяют актуальность, практическую значимость и целесообразность выполнения исследований по обоснованию технологий для разработки недорогих, доступных программно-аппаратных комплексов как универсального инструмента для проведения научно-технических исследований и автоматизированной разработки систем управления полетом БЛА.

Основные задачи проведенного исследования:

1. Обоснование концепции и технологии построения программно-аппаратных комплексов исследования и автоматизированной разработки систем управления БЛА.

2. Разработка программных имитационных моделей динамики полета БЛА, элементов комплекса управления БЛА, земной поверхности, атмосферы.

3. Разработка аппаратуры обеспечения информационного сопряжения программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА.

4. Разработка специализированного управляющего программного обеспечения информационного сопряжения программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА.

5. Разработка рекомендаций по применению программно-аппаратного комплекса в задачах синтеза бортовых систем управления перспективных БЛА.

Обоснование концепции программно-аппаратных комплексов исследования и разработки систем автоматизации управления БЛА При анализе состава и типовой структуры САУ БЛА, средств их исследования, разработки и испытания было обосновано, что на современном этапе программно-аппаратные комплексы исследования и автоматизированной разработки являются необходимым дополнением комплексов с БЛА, обеспечивающим всестороннюю поддержку изделия на всех стадиях его жизненного цикла [2]. Методологической основой таких комплексов может быть выбрана технология тестирования программного обеспечения САУ методом сравнения с эталонной моделью, применяемая при разработке систем управления пилотируемых и проектируемых в рамках опытно-конструкторских работ по созданию БЛА массой свыше 20 т, беспилотных ЛА [3].

С учетом существующего научно-технического задела была определена концепция и разработана технология создания программно-аппаратных комплексов исследования систем автоматизации управления ЛА, апробирована их работа на действующих макетах с использованием недорогих радиоуправляемых моделей [3]. Наработки в области имитационного моделирования, обеспечения аппаратного и информационного сопряжения программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА позволили обосновать тактикотехнические требования и приступить к разработке проекта научно-исследовательского программно-аппаратного комплекса на базе бортового комплекса управления (БКУ) беспилотного летательного аппарата [5]. Исследования были выполнены специалистами ВУНЦ ВВС

– 1269 – Andrey M. Ageev, Ivan V. Makarov. The Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned…

–  –  –

ра БЛА, уточнены летно-технические характеристики аппарата, определены ограничения по высотам и скоростям полета. Также были определены потребные и располагаемые тяги силовой установки, максимально и минимально допустимые значения высот, скоростей полета и углов тангажа, произведен расчет взлета и посадки на ВПП. Расчеты проводились путем дачи тестовых входных воздействий, моделирования и последующей обработки его результатов, выполнения тестовых полетных заданий по отработке соответствующих режимов полета.





Информационное сопряжение программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА При разработке аппаратуры обеспечения информационного сопряжения программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА был использован подход с централизованным управлением всем комплексом с помощью операционной системы реального времени QNX Neutrino, единым мультиплексным синхронным протоколом, связывающим все элементы комплекса. Операционная система QNX Neutrino работает в защищённом режиме, т. е. осуществляет виртуализацию адресов выполняемых процессов и отслеживает работу со сбойными указателями, что в значительной степени повышает надёжность всего программного комплекса [7].

В рамках решения задачи по автоматизации взлета, полета по заданному маршруту и посадки БЛА разработано специализированное управляющее программное обеспечение информационного сопряжения программных моделей БЛА и аппаратных средств автоматизации управления полетом БЛА [8, 9]. Конфигурация модуля связи с внешними устройствами предусматривает одновременную работу механизма обмена на нескольких физических последовательных интерфейсах (RS485), при этом каждый физический интерфейс обслуживается одним потоком, который разграничивает по времени доступ внешних процессов к шине интерфейса, что гарантирует отсутствие коллизий. Модуль конфигурируется с внешнего файла в энергонезависимой памяти, где формулируется перечень интерфейсов, а также назначенные адреса устройств на интерфейсе и имена для доступа внешних процессов.

Специализированное программное обеспечение взаимодействия автопилота с моделями MATLAB/Simulink на первом этапе осуществляет чтение формата XML с приведением блоков редактора во внутренние программные узловые блоки САУ модуля пилотажного уровня f-cont, между которыми формируется связь в виде ссылок. Далее в процессе подготовки модели к итерированию осуществляется программная верификация модели, которая отслеживает уникальность имён сигналов и блоков, сверяет структуру САУ, проверяет результаты расчётов статических тестов.

Программно-аппаратное сопряжение математической имитационной Simulink-модели с автопилотом АП-05 реализовано путем передачи вектора информационного решения в конфигурационный XML-файл АП-05, а также передачи вектора управляющих сигналов обратно в модель по протоколу UDP с использованием специализированных модулей сетевого обмена MATLAB (рис. 4).

Данный способ позволяет при необходимости передавать и принимать и другие управляющие сигналы в автопилот, в том числе сигналы на управление различной целевой нагрузкой.

– 1273 – XML- -05, UDP Andrey M. Ageev, MATLAB ( The4).

Ivan V. Makarov.. Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned…

–  –  –

Рекомендации по применению программно-аппаратного комплекса, в задачах анализа и синтеза бортовых систем управления БЛА.

При разработке рекомендаций по применению программно-аппаратного комплекса в задачах синтеза бортовых систем управления перспективных БЛА основной акцент сделан на прикладные аспекты исследования систем автоматического управления, синтеза алгоритмов их управления. В работе рассмотрена методика расчета характеристик системы управления БЛА с применением разработанного комплекса моделей на примере расчета коэффициентов регуляторов продольного канала стабилизации управления полетом БЛА в задачах автоматизации взлета, полета по маршруту и посадки БЛА на ВПП. Методика основана на синтезе контуров ПИД-регуляторов для разработанной модели БЛА с применением инструментария Control and Estimation Tools Manager, включающего Simulink Control Design и PID Tuner.

Методика расчета характеристик системы управления БЛА с применением разработанного комплекса моделей рассмотрена на примере расчета коэффициентов регуляторов продольного канала стабилизации управления полетом БЛА.

Задачу расчета продольного канала управления можно декомпозировать на следующие подзадачи (этапы):

1. Предъявление требований к характеристикам устойчивости и управляемости в выделенном канале движения.

2. Составление структурной схемы динамики полета БЛА с системой управления.

3. Декомпозиция полной математической модели динамики полета БЛА на изолированные движения и выделение необходимого канала путем исключения составляющих, оказывающих несущественное влияние на динамику исследуемого канала.

4. Линеаризация выделенного канала известными методами [10].

5. Составление законов управления выделенным каналом.

6. Разработка структурной схемы управления выделенным каналом.

7. Составление имитационной Simulink-модели канала управления.

8. Расчет коэффициентов регуляторов известными способами [11].

– 1274 – Andrey M. Ageev, Ivan V. Makarov. The Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned…

9. Моделирование работы системы «БЛА-САУ» на упрощенной модели с выделенным каналом.

10. Моделирование работы системы «БЛА-САУ» на полной модели БЛА.

11. Повторение этапов 4-10 до достижения требуемого результата (требуемых характеристик устойчивости и управляемости).

Поясним суть решения указанных задач на примере расчета контура стабилизации продольного канала управления БЛА. Расчет целесообразно начинать на модели, для которой проведен расчет балансировочных значений положения рулей и дроссельной заслонки двигателя для установившихся режимов полета. Первый этап подготовительный и предъявляет требования к качеству управления БЛА в продольном канале (время регулирования, перерегулирование и др.). На втором этапе собиралась простейшая система стабилизации БЛА в продольном канале, представленная каскадом ПИД-регуляторов (PID_wz, PID_tang, PID_H и PID_V). На третьем этапе выделялся изолированный канал управления путем назначения входов и выходов линеаризуемой системы. В нашем случае входами линеаризуемой системы были выходы параметров состояния модели в продольном движении (угол тангажа, угловая скорость тангажа, высота, скорость, нормальная перегрузка). В качестве выходов линеаризуемой системы выступали входы вектора управления по каналам руля высоты и положения дроссельной заслонки. Четвертый этап – процесс линеаризации реализовывался с помощью утилиты Control and Estimation Tools Manager. Результаты линеаризации могут быть представлены в виде системы в пространстве состояния либо в виде передаточных функций от каждого входа по каждому выходу системы. Этапы 5-7: составление законов управления, структурных схем и моделей управления выделенным каналом, для чего в MATLAB были собраны схемы трех аналогичных ПИД-регуляторов, управляющих креном тангажом и рысканием. На входы регуляторов приходят значения текущего угла (крена, рыскания) или высоты полета и требуемого желаемого значения (задатчика). Этап 8 – расчет регуляторов замкнутой системы одним из существующих способов расчета коэффициентов ПИД-регуляторов, например метод Циглера-Николса [12], метод биноминального распределения корней (метод Ньютона) [13] и др. В Matlab/Simulink для этой цели применяется инструментарий Simulink Control Design и, в частности, инструмент настройки регуляторов PID Tuner. На этапах 9-11 происходит моделирование работы системы «БЛА-САУ» на упрощенной модели с рассчитанными коэффициентами регуляторов, проверка соответствия параметров переходных процессов (по тангажу) заданным, моделирование работы системы «БЛА-САУ» с данными значениями регуляторов на полной модели БЛА. В случае несоответствия характеристик требуемым возвращаемся к этапу расчета регуляторов (этап 8) либо выбираем иную схему стабилизации (этап 2) и повторяем весь процесс.

–  –  –

[2] Моисеев B.C. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами. Казань: РЦМКО, 2013. 768 с. [Moiseev V.S. Applied theory of unmanned aircraft control. Kazan:

RCMCO, 2013, 768 p (in Russian)].

[3] Сильвестров М.М., Бегичев Ю.И., Варочко А.Г. и др. Технология создания комплексов управления многоцелевых беспилотных и пилотируемых аэрокосмических комплексов М.: Издательство МБА, 2014. 296 с. [Silvestrov M.M., Begichev Y.I., Varochko A.G. Technology

of multipurpose manned and unmanned aerospace complexes control systems development. Moscow:

MBA, 2014, 296 p (in Russian)].

[4] Агеев А. М., Чепурной Д.Ю, Садырев Е.А. Разработка программно-аппаратных средств исследования систем автоматизации управления полетом летательных аппаратов, Сборник статей по материалам докладов XXIV Межвузовской НПК «Перспектива-2014». Авиационное оборудование, Воронеж: ВУНЦ ВВС, 2014, 73-78. [Ageev A.M., Chepurnoy D.Y., Sadirev E.A.

XXIV Interuniversity conference «Perspective 2014». Aeronautical equipment, Voronezh, Air Force Academy, 2014, 73-78 p (in Russian)].

[5] Агеев А.М., Попов А.С. Работы по созданию универсальной научно-исследовательской платформы на базе БПЛА. Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «ХI Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского» (г. Москва 17–18 апреля 2014 г.), М: ВВИА, 2014. 123-125. [Ageev A.M., Popov A.S. All-Russian Scientific and Technical Conference «XI Scientific Readings on aviation memory of N.E. Zhukovsky» (Moscow, April 17-18, 2014), M: VVIA, 2014. 123-125. (in Russian)].

[6] Агеев А.М., Ищук И.Н., Попов А.С. Методика синтеза метеозависимой имитационной модели динамики полёта беспилотного летательного аппарата по данным расчета в ANSYS CFX. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии, 2015, 2. [Ageev A.M., Ishuk I.N., Popov A.S. Methods of synthesis meteodependent flight dynamics simulation model of an unmanned aerial vehicle according to the calculation in ANSYS CFX. Bulletin of Voronezh State University. Series: System Analysis and Information Technology, 2015, 2. (in Russian)].

[7] Makarov I. Control and Communications (SIBCON), International Siberian Conference IEEE, 2011. p. 152-154.

[8] Макаров И.В., Хорошко А.Ю. Создание конфигурируемой системы автоматического управления в составе унифицированного комплекса управления беспилотными летательными аппаратами. [Makarov I.V., Horoshko A.Y. Creation of configurable automatic control system in the composition of unification UAV flight control system. URL: http://www.uav-siberia.com/content/ sozdanie–configuriruemoj-sistemy-avtomaticheskogo-upravleniya-v-sostave-unificirovannogo (in Russian)].

[9] Макаров И.В. Имитационное моделирование полёта комплекса беспилотного летательного аппарата. Вестник СибГАУ. 6 (32), 2010, 78–82. [Makarov I.V. Simulation modeling of unmanned aerial vehicle complex flight// Bulletin Siberian State Aerospace University. 6 (32), 2010, 78-82 (in Russian)].

[10] Буков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука, 1987. 232 с. [Bukov V.N. Adaptive predictive flight control system. Moscow: Nauka, 1987. 232 p. (in Russian)].

– 1277 – Andrey M. Ageev, Ivan V. Makarov. The Method of Syntheses of Hardware and Software Complexes for Unmanned… [11] А.А. Красовский. Справочник по теории автоматического управления. М.: Nauka, 1987.

[Handbook of automatic control theory. Ed. A.A. Krasovsky. Moscow: Science, 1987 (in Russian)].

[12] Ziegler J.G., Nichols N.B. Optimum settings for automatic controllers. Trans. ASME, 64, 759–768.

[13] Chien K.L., Hrones J.A., Reswick J.B. On automatic control of generalized passive systems.




Похожие работы:

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный юридический университет имени О.Е. Кутафина" кафедра банковского права "ВЕКСЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦ...»

«СОГЛАШЕНИЕ "PTC"C ЗАКАЗЧИКОМ НАСТОЯЩЕЕ ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОГЛАШЕНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ ИМЕЮЩИМ ЮРИДИЧЕСКУЮ СИЛУ СОГЛАШЕНИЕМ МЕЖДУ ВАМИ, ЗАКАЗЧИКОМ, ВЫСТУПАЮЩИМ САМОСТОЯТЕЛЬНО КАК ФИЗИЧЕСКОЕ ЛИЦО ИЛИ ПО ПОРУЧЕНИЮ ЮРИДИЧЕСКОГО ЛИЦА, ОСУЩЕСТВИВШЕГО ПОКУПКУ НАСТОЯЩЕГО ПР...»

«Все ЕТКС в одном месте! Документ скачен с сайта ALLETKS.RU. Навещайте наш сайт почаще! Единый тарифно-квалификационный справочник работ и профессий рабочих Выпуск 61 Разделы: Общие профессии производства художественных издел...»

«Система "PSB On-Line" (многофилиальная версия) Модуль "Рублевые операции юридического лица" Руководство пользователя Редакция от 20.07.2006 Содержание РЕДАКЦИЯ ОТ 20.07.2006 СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 2. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ 3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 1. Минимальные требования к ком...»

«Ольга Колдасова Советник по правовым вопросам Порядок проведения общего собрания акционеров Как нарушаются права акционера? Ненадлежащее уведомление акционеров об ОСА Максимально размытые повестки дня Низкий кворум повторного общего собрания...»

«1 МОЖЕТ, ДЕЛО ЛИШЬ В НАС САМИХ? Я задуматься вас прошу, И, возможно, не вас одних: Когда что-то вокруг не так — Может, дело лишь в нас самих? Почему каждый должен любить То, что свято и дорого вам? Почему — лишь по прав...»

«ДОГОВОР О ПРЕДОСТАВЛЕНИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСЛУГ г.Одесса г. Общество с ограниченной ответственностью Ай Си Эн, именуемое в дальнейшем Провайдер, в лице директора Ковтуненко И.Г., действующего на основании Устава, с одной...»

«Аннотация основной профессиональной образовательной программы по специальности 09.02.03 (230115) Программирование в компьютерных системах Правообладатель: Федеральное государственное автономное учреждение "Федеральный институт развития образования". Общие положения Федеральный государственный образовательный стандарт среднего профе...»








 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.