Информационно-измерительная система пирометрического типа для малоразмерного беспилотного летательного аппарата (БПЛА)

В настоящее время в России, как и за рубежом, стремительно развивается новое направление науки и техники — разработка миниатюрных беспилотных летательных аппаратов (мини и микро-БПЛА).

Хотя БПЛА различного назначения разрабатываются уже много десятилетий (первыми БПЛА принято считать немецкие крылатые ракеты ФАУ-1 и ФАУ-2 периода конца Великой Отечественной Войны [1,2]), в том числе и в СССР, лишь с развитием и удешевлением микромеханической техники и вычислительной электроники стало возможным производить недорогие мини-БПЛА.

Первым подобным мини-БПЛА стал американский «Pointer» («Указатель»), представлявший собой самолёт, построенный по авиамодельной технологии, с размахом крыльев около 2 метров, снабжённый чёрно-белой видеокамерой и запускаемый с руки [3]. В различных модификациях «Pointer» выпускался в США в конце 80-х — начале 90-х годов прошлого века. Аналогичным ему комплексом является отечественный БПЛА «Пчела», разработка которого началась несколько ранее. Комплекс получился тяжелее, требовал для запуска специальную платформу на гусеничном ходу и дорогие ракетные ускорители [4, 5]. В 1991 г, как ответ на БПЛА «Pointer», в СССР началась разработка БПЛА «Амёба» [6]. Однако по экономическим и политическим причинам этот комплекс не получил развития. Тем временем за рубежом и, прежде всего, в Израиле шло активное развитие мини-БПЛА.

Новые технологии ведения боевых действий базируются в значительной мере на идеях создания единой информационной, управляющей и ударной среды. Главным принципом боевого применения становится непрерывная разведка, планирование и управление выполнения запланированных действий с привлечением минимально необходимых ударных средств.

Одним из типов такого оружия, вызывающего особый интерес в последнее время, стали мини-БПЛА. Повышенный интерес к этому классу аппаратов, согласно данным Управления перспективных исследований и разработок МО.

CILIA (DAPRA) [7], является результатом одновременного появления новых достижений в области миниатюризации компонент БПЛА и новых военно-технических концепций применения таких аппаратов, лежащих в канве перспективных концепций информатизации вооруженной борьбы.

Хотя тяжёлые и дорогие БПЛА аэродромного базирования по прежнему развиваются и выпускаются (примерами могут служить американский Global Hawk и применявшийся в войне с Грузией (на стороне Грузии) израильский Hermes 450), основной объём выпускаемых и набирающих популярность БПЛА относится к классу мини (взлётная масса до 10 кг) и микро (взлётная масса до 5 кг) БПЛА [8]. Такие БПЛА необходимы для проведения ближней разведки, координирования действий отрядов при спецоперациях. Работающие в Ираке солдаты армии США имеют комплекс Dragon Eye («Глаз Дракона») почти в каждом отряде [3]. Благодаря малому размеру, изготовлению из композитов и применению электрических двигателей такие БПЛА имеют минимальную визуальную, радио и акустическую заметность, что делает их неуязвимыми для стрелкового и зенитно-ракетного вооружения. Это позволяет мини-БПЛА летать ниже, а значит иметь на борту более простую и дешёвую видеоаппаратуру (полезную нагрузку). Стоимость такого БПЛА приближается к стоимости артиллерийского снаряда, что позволяет не жалеть БПЛА, добывая разведданные ценой его «жизни» или отправляя БПЛА «в один конец» на максимальную дальность для наведения по его показаниям артиллерии, ракет или пехоты.

Но главным достоинством мини и микро-БПЛА является независимость от взлётных полос. Такие БПЛА запускаются с руки (изредка с катапульты, установленной на легковом автомобиле), садятся на неподготовленную поверхность (в снег или траву) и в разобранном виде могут переноситься одним-двумя пехотинцами в рюкзаках. В современной армии, действующей малыми высокомобильными группами, это свойство нельзя переоценить.

Мини-БПЛА также обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолёты для фермеров Yamaha RMAX[9, 10]. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями (например, кампанией Фруктовый Сад и ФГОУ ВПО МичГАУ).

Стремительно развивающееся направление минии микро-БПЛА требует разработки информационно-измерительных систем, необходимых для определения параметров ориентации БПЛА в пространстве, построенных на различных физических принципах. Вместе с уменьшением массы и размаха крыльев БПЛА, возрастают требования к таким системам по точности определения параметров и минимизации габаритов.

В настоящее время большинство информационно-измерительных и управляющих систем пилотируемых самолётов и тяжёлых БПЛА строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, обладающие значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью [11].

Развитие микросистемной техники, в частности появление ММА и ММГ, позволяет создавать малогабаритные информационно-измерительные системы ориентации, обладающие малыми массой и габаритами, например, БСО [12−16]. Однако, все ММГ и ММА (и российские и зарубежные) все еще уступают по точности и шумовым характеристикам обычным гироскопам и акселерометрам. Кроме того, они обладают нарастающей погрешностью в автономном режиме работы (без коррекции по ММА или сигналам спутниковой навигационной системы, входящей обычно в состав БСО) [17,18]. Это вынуждает искать альтернативные способы построения систем ориентации или коррекции БСО на ММГ и ММА. Одним из таких способов является пирометрический метод ориентации.

Аппаратная простота и дешевизна реализации пирометрических преобразователей (пирометров), их высокая чувствительность, пренебрежимо малый вес, возможность работы при больших линейных и угловых ускорениях, отсутствие накапливаемой во времени погрешности и практически мгновенное время готовности делает идею использовать данные датчики для определения параметров ориентации минии микро-БПЛА весьма привлекательной. Поэтому исследование возможностей создания малогабаритных недорогих пирометрических информационно-измерительных и управляющих систем определения параметров ориентации мини и микро-БПЛА в пространстве представляется задачей весьма актуальной.

Анализ работ по предмету исследования показал, что в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности проектирования минии микро-БПЛА, а также пирометрических информационно-измерительных систем. Более того, в русскоязычных источниках публикации по пирометрическим ИИС отсутствуют.

Идея применения пирометрического датчика горизонта (или пирометрической вертикали) внутри атмосферы Земли на летательном аппарате была впервые описана в патенте США № 6,181,989 [19], зарегистрированном 30 января 2001 г. В патенте описан принцип определения углового положения по разности температур земли и небосвода, расположение пирометров вдоль строительных осей ЛА и простейшая формула вычисления углового положения по показаниям датчиков (без представления требований к датчикам и описания происхождения формулы). Патент, очевидно, нацелен на коммерческую защиту результата исследования и не отражает в достаточной мере сведений, необходимых для повторения и улучшения конструкции пирометрической вертикали. Одновременно, с 2001 года фирмой FMA Inc (США, Мериленд), со ссылкой на упомянутый патент, выпускается авиамодельный автопилот CoPilot CPD4 [20] с пирометрическим датчиком, предназначенный для обучения начинающих авиамоделистов, а с августа 2007 года полиция провинции Онтарио (Канада) использует БПЛА FIU-301 с пирометрической вертикалью этой фирмы [21, 22]. Также на рынках США и Европы присутствуют различные по возможностям автопилоты частных фирм с пирометрической вертикалью, предназначенные как для использования на авиамоделях, так и на БПЛА (ArduPilot, Paparazzi UAS, RangeVideo FPV и др.). Большинство этих фирм используют пирометрические вертикали производства FMA, добавляя к ним свой собственный автопилот. Разумеется, принципов функционирования своих изделий они не раскрывают, но растущий интерес к пирометрическим вертикалям за рубежом очевиден.

Начиная с 1993 года почти все разработки в области БПЛА в РФ велись частными коммерческими организациями, которые также избегали публикаций результатов своей работы, касающихся проектирования. В современной России существует как минимум 7 частных фирм, позиционирующих себя как производители БПЛА. Среди них концерн Вега, ТеКнол, Zala, Иркут, Транзас, Аэрокон, Новик XXI век. Продукция этих фирм охватывает область масс БПЛА от 0,25 кг (Инспектор К-01 производства Аэрокон) до 640 кг (Дозор-600 производства Транзас), но ни один из серийно выпускаемых в РФ БПЛА не содержит в своём составе системы ориентации с пирометрическими датчиками.

В 2005 году автором диссертации были начаты работы по изучению текущего состояния конструкций малоразмерных БПЛА и созданию собственной, универсальной конструкции, отвечающей современному уровню требований к БПЛА. В качестве системы ориентации БПЛА была выбрана пирометрическая система.

На основании вышеизложенного, целью диссертационной работы является:

Разработка теоретических основ проектирования микросистемной авионики микрои мини-БПЛА, включающих вывод концепции и методики проектирования авионики с учётом аэродинамических характеристик планера БПЛА и характеристик ИИС пирометрического типа.

Указанная цель требует постановки и решения следующих научно технических задач:

• разработка структуры авионики, определение её конструкции и элементного состава;

• выбор конструкции планера БПЛА, определение его аэродинамических коэффициентов;

• изучение пирометрической вертикали, её возможностей и ограничений;

• разработка математического аппарата, позволяющего вычислять углы крена и тангажа по показаниям пирометрической вертикали;

• изучение вопроса повышения качества работы пирометрической вертикали путём комплексирования с другими типами СО;

• моделирование САУ БПЛА с ПВ в своём составе с целью аналитического вычисления коэффициентов АП и оценки качества САУ;

• изготовление БПЛА и авионики с целью проведения натурных испытаний.

Теоретической и практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из трёх разделов и заключения.

В первом разделе рассмотрена текущая ситуация на рынке минии микро-БПЛА, применяемые в БПЛА системы ориентации, типы автопилотов, способы воздушной навигации и прохождения ППМ. Рассмотрены достоинства и недостатки применяющихся систем. Предложена структурная схема БПЛА с ИМА. Результатом раздела является разработка концепции БПЛА, пригодного для применения в военной и гражданской сферах с ИМА, способной комбинироваться согласно требованиям пользователя средствами пользователя. Подобная гибкость, присущая современным ПК, приведёт к продвижению БПЛА в гражданской сфере, их распространению и, как следствие, удешевлению.

Во втором разделе проведено исследование ПВ, изучение и обоснование влияния погодных условий на работу ПВ, разработка способов фильтрации и аппроксимации сигналов ПВ, а также моделирование комплексирования с микромеханическим ДУС. Результатом раздела является разработка двух конструкций пирометрической вертикали (с 4 и с 6 пирометрами), математической модели ПВ, а также вывод и анализ трёх способов вычисления углов крена и тангажа посредством ПВ. В результате натурных испытаний прототипов определены рабочая и шумовая характеристики ПВ, проанализировано три способа комплексирования ПВ с другими видами СО и разработан метод подавления помех по каналу ПВ с помощью ДУС. Метод защищен патентом на полезную модель. Для лётных испытаний ПВ и проверки теоретических положений разработан прототип БПЛА и комплект авионики.

В третьем разделе рассмотрен способ получения аэродинамических коэффициентов БПЛА методом «виртуальной продувки» элементов планера, способы оптимизации времени продувки введением подобласти и пропорциональным уменьшением размера элементов планера. Рассчитаны аэродинамические коэффициенты для четырёх авиамоделей с учётом рабочей и шумовой характеристик ПВ в цепи обратной связи АП, полученных в предыдущем разделе. Результат раздела заключается в доказательстве высокого качества результата, получаемого методом «виртуальной продувки», путём лётных испытаний БПЛА, построенного на базе исследованных авиамоделей, с ПВ в вариантах АП без контроля угловой скорости и с контролем угловой скорости, а также с коэффициентами АП подобранными экспериментально и рассчитанными аналитически.

В заключении кратко сформулированы основные научно-технические результаты работы, выполнена оценка тактико-технического и экономического уровня разработанного БПЛА и указаны области его применения.

Для решения поставленной задачи использовался комплексный метод исследования, который характеризуется применением аналитических методов, теории генетического программирования и генетических алгоритмов, теории оптимальной фильтрации, методов математического моделирования с применением ЭВМ, методов физического моделирования в лабораторных условиях и натурных экспериментов.

Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

1. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиентазависимость градиента от погодных условийэкспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ).

5. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведённые автором в Тульском государственном университете, и способствует решению актуальных научно-технических задач создания информационно-измерительных систем пирометрического типа, а таюке современных БПЛА для военной и гражданской сфер.

Основные результаты работы по разработке ИИС ориентации пирометрического типа для работы в составе БПЛА использованы при создании действующего образца БПЛА.

На защиту выносятся:

1. Концепция интегрированной модульной авионики (ИМА) современного БПЛА, структура и элементный состав ИМА.

2. Математическое и экспериментальное обоснование возможности применения пирометров для задач определения угловой ориентации БПЛА.

3. Математическая модель ПВ. Способ аппроксимации сигнала ПВ противовесной функцией.

4. Шумовая характеристика ПВ (зависимость шума от значения температурного градиентазависимость градиента от погодных условийэкспериментально определённые граничные погодные условия, пригодные для работы ПВ).

5. Способы комплексирования ПВ с инерциальными и магнитными датчиками.

6. Методика проектирования авионики БПЛА с учётом параметров планера и параметров ИИС пирометрического типа, в рамках которой аэродинамические коэффициенты планера определяются методом «виртуальной продувки».

Основные теоретические результаты исследования были изложены в публикациях [23−31], защищены патентами на полезные модели [32,33], а также докладывались на различных конференциях гг. Тулы, Санкт-Петербурга, Алушты и Москвы [34−40]. Разработанный на основе проведённого исследования БПЛА «Беркучи» внедрён в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «аэрокосмические методы зондирования земной поверхности» (см. прил. Г).

Выводы.

Анализируя результаты данной главы, можно сделать следующие выводы:

1. Метод виртуальной продувки (численного моделирования) для определения аэродинамических коэффициентов сил и моментов малоразмерных БПЛА опробован на четырёх планерах, выполненных по самолетной схеме, и доказал свою работоспособность.

2. Достоинством предлагаемого метода определения аэродинамических коэффициентов является то, что он встраиваем в концепцию 3D-проектирования и может быть включен в этап проектирования комплекса БПЛА. Для повышения точности результатов рекомендуется увеличивать количество конечномерных элементов области вычислений. При этом «разумным» временем расчета каждой точки является диапазон 50−80 минут, в этом случае на определение всех коэффициентов для одной модели будет затрачено порядка 3−5 рабочих дней.

3. При помощи численного моделирования получены коэффициенты АП по каналам рысканья, крена и тангажа с учётом модели ПВ в составе САУ.

4. Произведены натурные испытания авионики БПЛА с АП, содержащими экспериментально полученные и рассчитанные аналитически коэффициенты. Доказано более высокое качество стабилизации с АП, содержащими аналитически рассчитанные коэффициенты, что доказывает заявленные в главе положения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным результатом представленной работы является вывод концепции и методики проектирования современного БПЛА и создание на их основе дешёвого и ремонтопригодного гражданского БПЛА «Беркучи» (см. рис. Б.1 и рис. Б.2 прил. Б) для нужд сельского хозяйства и обучения обращению с БПЛА (версия УБПЛА) с комплектом ИМА (см. рис. А.1 — рис. А. 11 прил. А) с ПВ в качестве СО. В основе БПЛА «Беркучи» лежит выпускаемая серийно авиамодель, снабжённая серийным оборудованием (двигателем, рулевыми машинками, аккумулятором и т. д.) из авиамодельной сферы.

Решающее значение в создании удобного для применения в гражданской сфере БПЛА имел выбор:

• концепции ИМА с двуядерным вычислителем;

• модульной архитектуры ИМА (включая архитектуру ПО);

• системы ориентации пирометрического типа;

• выбор в качестве носителя БПЛА серийных авиамодельных планеров с серийным оборудованием из авиамодельной сферы.

Разработка БПЛА «Беркучи» и создание на его основе УБПЛА базировалась на теоретических и экспериментальных исследованиях, основное содержание которых изложено в диссертации. Основные научно-технические результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. Разработана концепция ИМА с двуядерным вычислителем, на основе которой получена сетевая архитектура организации ИМА БПЛА, инвариантная к составу модулей авионики.

2. Исследована вертикаль пирометрического типаполучен математический аппарат вычисления углов крена и тангажа на основе показаний ПВ.

3. Разработаны опытные образцы ПВ различного элементного составаизучены области их применения, показатели точности, шумности и погодные ограничения.

4. Разработаны три метода расширения функциональных возможностей ПВ путём комплексирования её показаний с ДУС и БСО, которые позволяют эффективно подавлять шумовую и систематическую составляющую погрешности в сигнале комплексированной системы ориентации на базе ПВ, а также эффективно бороться с мощными тепловыми помехами по каналу ПВ. Метод мастер-фильтра защищен патентом на полезную модель.

5. Разработан метод расширения возможностей ПВ путём добавления угла курса в вырабатываемых параметрах введением в конструкцию ПВ трёхосевого магнитометра, что упрощает интеграцию ПВ в автопилоты, рассчитанные на работу с БСО. Решение защищено патентом на полезную модель.

6. Проанализирован и испытан метод виртуальной продувки планера БПЛА с целю вычисления аэродинамических коэффициентов и получения передаточных коэффициентов АП различной конфигурации.

7. Разработан, изготовлен и испытан комплекс БПЛА «Беркучи» для применения в сельском хозяйстве для охраны садов, экологического мониторинга, контроля урожая и обучения персонала (см. рис. Б.1 — рис. Б.8 прил. Б). Результаты испытаний комплекса подтвердили достоверность заявленных в диссертации положений и закреплены актом внедрения и протоколом испытаний (см. приложение Г).

В конструкции БПЛА «Беркучи» и УБПЛА «Беркучи» использованы новейшие достижения современной технологии. Это технологии микросистемных датчиков, однокристальных ЭВМ, сетевых протоколов обмена, кодированных радиопередач, бесколлекторных тяговых двигателей и литий-полимерных аккумуляторов.

БПЛА «Беркучи», снабжённые соответствующей полезной нагрузкой, позволяют проводить аэрофотосъёмку местности, передачу видео в реальном масштабе времени, постановку радиопомех, производство радиоперехвата, обработку и охрану посевов, экологический мониторинг [122, 123].

БПЛА «Беркучи» внедрён в учебный процесс Мичуринского государственного аграрного университета (МичГАУ) по специальности «Садово-парковое и ландшафтное строительство» по дисциплине «аэрокосмические методы зондирования земной поверхности» (см. прил. Г).

Технические решения, положенные в основу БПЛА «Беркучи», защищены патентом на полезную модель № 96 950 от 20.08.2010 г. [32] (см. прил. Г).

На момент написания работы получено положительное решение (от 13.07.10 г.) на выдачу патента на полезную модель комплексированной системы ПВ-ДУС по заявке № 2 010 110 360 от 18.03.10 г., Товкач С. Е., Распопов В. Я. «Пирометрическая вертикаль» [33] (см. прил. Г).

БПЛА «Беркучи» полностью соответствуют предъявляемым к БПЛА требованиям. БПЛА прошли с положительными результатами испытания в сентябре 2009 года в городе Мичуринске (см. рис. Б. З — рис. Б.8 прил. Б), что подтверждено протоколом испытаний (см. прил. Г).

По мнению автора, БПЛА «Беркучи» могут с успехом применяться в гражданской и военной сфере как с пирометрической системой ориентации, так и с классическими БСО, корректируемыми магнитным датчиком или пирометрами. ПВ с незначительными доработками может применяться на разнообразных БПЛА и ЛА (включая управляемые боеприпасы) в качестве как самостоятельной системы ориентации, так и в качестве корректора имеющихся систем ориентации.