Основные принципы построения автопилотов

Компания «беспилотные системы» (г. Ижевск) рекламирует автопилот массой 22,8 г с размерами (мм) 105×25×18, обладающий техническими характеристиками практически одинаковыми с АП разработки ООО «Тех

Нол" (табл. 2.1). Навигация БПЛА осуществляется с помощью CHC-GPS с частотой обновления данный до 4 Гц.

Иностранные разработчики предлагают достаточно широкую номенклатуру автопилотов. Одними из наиболее рекомендуемых являются АП типа Kestrel V2.22 (рис. 2.3а), построенный на микроконтроллере Rabbit 3000 Series, и АП типа МР2128 (рис. 2.36), производства фирмы Microptlot.

Рисунок 2.3 — Автопилоты: а — Kestrel V2.22; б — MP2128

В составе АП Kestrel V2.22 имеется три акселерометра. три гироскопических датчика угловых скоростей, трехосевой магнитометр и GPS-декодер. Стабильная работа модуля обеспечивается встроенными двадцатиуровневым термокомпенсатором и импульсным стабилизатором напряжения (3,3 и 5 В; 500 Ма). Процессор работает на частоте 29 МГц и имеет 512 Кбайт ОЗУ. Имеется четыре последовательных порта, четыре встроенных и восемь внешних сервокотроллеров. Имеется три аналоговых 12-ти битных входов и двенадцать цифровых каналов информационного обмена (6 двунаправленных, 3 входа, 3 выхода). Предусмотрены контроль напряжения и тока, автоподстройка, дублирование системы передачи данных с коррекцией ошибок. стабилизация и управление видеокамерой и другие опции.

АП MP2I28 содержит трехосевые микромеханические гироскопы и акселерометры, барометрический датчик высоты, датчик воздушной скорости. модуль спутниковой навигации GPS, а также систему сбора и хранения данных. Вычислительным ядром является RISC-микропроцессор, способный выполнять 150 миллионов операций в секунду. При физических размерах модуля 10×4 см, его масса составляет всего 28 г. МР2128 обеспечивает полное управление БПЛА, начиная с момента взлета и заканчивая посадкой.

На втором и третьем Московских международных форумах и выставках «Беспилотные многоцелевые комплексы» (2008, 2009 гг.) были представлены комплексы дистанционного наблюдения и диагностики «Птеро» разработки ООО «АФМ-Серверс» с БПЛА массой 16 кг с широким спектром выполняемых задач.

Авионика БПЛА представляет комплекс бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭД) (рис. 2.4), включающий канадский блок автопилота v Micrnpilot", G PS-прием кики, радиомодемы, микроконтроллеры управления сервоприводами, выпуском парашюта, полезной нагрузкой, а также энергетическое оборудование, обеспечивающее работу электрической двигательной установки.

Рисунок 2.4 — Схема размещения бортового радиоэлектронного оборудования (авионики) на БПЛА «Птеро»

В основе управления БПЛА «ПТЕРО» лежит принцип измерения относительной высоты по прецизионным GPS приемникам Торсоп. На БПЛА размещены четыре антенны: одна в центре масс, одна в носу и две на законцовках крыльев. Измеряя разность высот между четырьмя антеннами возможно получить углы крена и тангажа в любом пространственном положении БПЛА. Кроме того, GPS позволяет определять координаты БПЛА в пространстве, высоту над уровнем моря, скорость относительно земли и курсовой угол.

Особенность системы в том, что отсутствуют временные уходы. Ошибка определения угла не накапливается со временем и не ограничивает время полета БПЛА. Т.к. измерение углов крена/тангажа производится относительно сигналов однотипных антенн однотипных приемников, точность определения углов не зависит от прохождения сигнала GPS в данный момент времени и уровня его приема. Таким образом, ошибка определения координат, присущая всем GPS приемникам, не оказывает влияния на точность определения углов крена/тангажа.

Однако не все приемники пригодны для работы в БРЭО «ПТЕРО». Наиболее распространенные GPS приемники имеют разрешение по высоте не лучше 2,5 м. Даже при условии индивидуальной калибровки и относительности измерения разрешение не удастся поднять выше 0,5 м. Этого явно недостаточно.

Таким образом, в БРЭО типа «ПТЕРО» возможно применять только прецизионные геодезические приемники, работающие в платном канале GPS. В этом случае разрешение по высоте возможно поднять до 5 мм, что на плече крыла длиной 1 м даст точность определения угла крена 0,29 градусов.

БРЭО «ПТЕРО» имеет радиоканал с землей через высокоскоростной Wi-Fi радиомодем. Через радиоканал осуществляется управление БПЛА, а также загрузка/выгрузка полетных данных. Точностные характеристики работы БРЭО практически соответствуют значениям, приведенным в табл. 2.1 для режима работы СНС.

Недостатком такого типа авионики является зависимость от лицензионного канала, предоставляемого иностранным государством. Получение лицензий на прецизионный канал контролируется МО США, кроме того, стоимость четырех прецизионных GPS приемников превосходит стоимость даже классической авионики на инерциальных элементах. Масса такого типа авионики также не отличается экономичностью: один GPS приемник весит около 60 т.

Заключение

В настоящее время существует две основные проблемы проектирования БПЛА — создание эффективной аэродинамической компоновки и создание микросистемной авионики, способной решать все задачи проектирования.

Аэродинамика БПЛА непосредственно влияет на летные характеристики, определяет его продольную и боковую устойчивость, управляемость автопилота для различных режимов полета БПЛА.

Существующая микросистемная элементная б, аза пока в основном зарубежного производства, позволяет создавать аппаратную часть всех модулей бортовой и наземной аппаратур управления, а также аппаратуру связи.

Управление малоразмерными БПЛА особо трудная задача. При полете в автоматическом режиме БПЛА должен летать на малых высотах с огибанием рельефа местности. При этом должна быть обеспечена точность поддержания высоты в пределах пяти метров.

Создание адаптивной системы автоматического управления БПЛА, ядром которой является бортовая аппаратура управления (авионика), возможно только при использовании в автопилоте в качестве системы для оценки состояния БПЛА интегрированной навигационной системы и настройки коэффициентов автопилота на конкретные режимы полета БПЛА. В частности, должны быть предусмотрены варианты выхода из критических режимов полета, например, из критического крена, который может возникнуть вследствие порыва ветра при совершении маневра по развороту БПЛА.

Таким образом, предметная область, необходимая для проектирования микросхемной авионики БПЛА, включает:

функциональные и структурные схемы построения бортовой, наземной аппаратуры управления и связи;

математические модели динамики движения ЛА;

законы управления автопилотами;

датчики для измерения физических величин, характеризующих полет БПЛА;

системы ориентации и навигации; рулевой привод.

Основной проблемой при разработке БПЛА является снижение его массогабаритных характеристик и повышение функциональных возможностей. При этом необходимо иметь в виду возможность унификации планера для выполнения разнообразных задач: проведение разведывательных операций с помощью фотои видеокамер, не только в военных целях, но и в гражданских — ледовая разведка, мониторинг технических объектов и т. д.

Таким образом, разработка малоразмерных БПЛА является сложной инженерной задачей со многими нерешенными вопросами. Масса САУ составляет около 10% от массы МБПЛА, что накладывает серьезные технические ограничения на ее разработку. Использование технологий микросистемной техники позволяет создавать авионику небольших размеров и массы, относительно дешевую, надежную и совместимую с персональным компьютером через стандартные интерфейсы.

Авианесущие корабли и морская авиация: В. Н. Шунков — СПб.: Попурри, 2003. 576 с.

Авиация и флот. Рекорды, достижения, открытия: М. Г. Коляда — СПб.: БАО, 2006. 336 с.

Аэрокосмическое обозрение, № 6, 2009: — М.: Бедретдинов и Ко, 2009. 126 с.

Взлет. Национальный аэрокосмический журнал, № 9, сентябрь, 2010: — СПб.: Аэромедиа, 2010. 64 с.

Распопов, В. Я. Микросхемная авионика: учебное пособие. — Тула: «Гриф и К», 2010. — 248 с.: ил.

Авианесущие корабли и морская авиация: В. Н. Шунков — СПб.: Попурри, 2003. 576 с.

Аэрокосмическое обозрение, № 6, 2009: — М.: Бедретдинов и Ко, 2009. 126 с.

Авиация и флот. Рекорды, достижения, открытия: М. Г. Коляда — СПб.: БАО, 2006. 336 с.

Взлет. Национальный аэрокосмический журнал, № 9, сентябрь, 2010: — СПб.: Аэромедиа, 2010. 64 с.

Распопов, В. Я. Микросхемная авионика: учебное пособие. — Тула: «Гриф и К», 2010. — 248 с.: ил.