Оптимизация системы управления легкого беспилотного летательного аппарата по частотному критерию

Актуальность проблемы.

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) и их комплексы находят широкое применение в сферах, как военного, так и гражданского назначения. Особое внимание в последние годы уделяют легким беспилотным летательным аппаратам (ЛБЛА). Они используются для получения информации о лесных пожарах, обнаружения и исследования объектов с вредными выбросами, мониторинга транспортного движения, контроля состояния нефтеи газопроводов и т. п., при этом на них устанавливается видео аппаратура и специальные сенсоры для обнаружения радио-, магнитного и теплового излучений.

Турбулентные движения воздушных масс в атмосфере оказывают существенное влияние на полет легкого беспилотного летательного аппарата. Случайные порывы ветра являются источниками дополнительных сил и моментов. Они приводят к неудовлетворительной динамике полета, обусловленной частичным совпадением амплитудно-частотных характеристик ЛБЛА и амплитудного спектра угловых скоростей турбулентности атмосферы в локальном частотном диапазоне. Кроме того, ЛБЛА являются более высокочастотными по сравнению с тяжёлыми летательными аппаратами, а эффективность автопилотов на высоких частотах существенно ниже в связи с применением исполнительных механизмов, быстродействие которых достигло своего физического предела. Для легких летательных аппаратов атмосфера даже средней интенсивности приводит к значительным угловым колебаниям, поэтому разработчики должны уделять большее внимание не только аэродинамическим, но и частотным свойствам.

Проблемы эксплуатации летательных аппаратов различного класса в сложных метеорологических условиях вынесены на обсуждение многих конференций. Так, на международной конференции, прошедшей в Англии в.

2009 г., на первый план были поставлены вопросы стабилизации беспилотных летательных аппаратов в турбулентной атмосфере.

Стабилизация ЛБЛА имеет важное прикладное значение и с точки зрения обеспечения эффективности и качества работы различной целевой аппаратуры, в частности, системы целеуказания, включающей в себя видеокамеру. Угловые колебания приводят к погрешностям определения координат цели и ухудшению получаемого изображения.

Известны два способа стабилизации изображения: электронный и оптический. Электронная стабилизация основана на резервировании элементов матрицы под возможное смещение изображения. Такая схема стабилизации эффективна в ограниченном диапазоне частот и при небольших смещениях камеры, а при съемке с движущихся объектов непригодна.

Оптическая стабилизация осуществляется с помощью системы линз, гироскопов и управляющей электромеханики. Она способна компенсировать вибрации различной амплитуды в широком частотном диапазоне от 1 до 15 Гц. Одно из самых важных преимуществ такой стабилизации — широкий интервал отрабатываемых углов обзора. Однако в качестве привода, управляющего системой линз, используют также исполнительные механизмы, ограничивающие быстродействие и увеличивающие размеры и массу видеокамеры. Существенным недостатком такой стабилизации является увеличение погрешностей определения координат цели за счет смещение поля зрения видеокамеры.

В этой связи, исследования, направленные на поиск путей эффективной стабилизации самого ЛБЛА в турбулентной атмосфере, являются актуальными. Альтернативное решение перечисленных проблем может быть найдено не столько в значительном усложнении автопилотов, сколько в согласованном проектировании планера и системы автоматического управления (САУ), чему и посвящена данная работа.

Цель работы.

Повышение качества стабилизации угловых колебаний ЛБЛА в турбулентной атмосфере путём выбора наилучшего сочетания параметров планера и автоматической системы управления.

Направление исследований.

— исследование ЛБЛА заданного класса как объекта управления;

— исследование влияния изменения геометрических параметров планера ЛБЛА на частотные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;

— синтез структуры автопилота, реализуемого в системах управления ЛБЛА;

— исследование влияния турбулентной атмосферы на спектральные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;

— оптимизация геометрических параметров планера как объекта управления на основе наилучшего сочетания его частотных свойств с частотными свойствами САУ.

Методы исследования.

В работе используются методы математического моделирования и теории систем автоматического регулирования. Анализ и обработка экспериментальных данных производились с использованием программных продуктов Mathsoft® Mathcad, MathWorks® MathLab, Microsoft® Office Excel, Solid Works®, Cosmos FloWorks.

Научная новизна.

— предложен ЛБЛА как объект управления в турбулентной атмосфере, отличающийся таким сочетанием параметров планера и автоматической системы управления, которое обеспечивает максимальное подавление внешних возмущающих воздействий в широком частотном диапазоне;

— разработана математическая модель, учитывающая влияние изменения параметров ЛБЛА (угла V-образности крыла, плеча горизонтального оперения, размаха крыла), позволяющая исследовать частотные свойства и спектральные характеристики по углам ориентации в турбулентной атмосфере различных конфигураций планера;

— разработан частотный критерий оптимизации системы управления ЛБЛА, отличающийся оценкой качества стабилизации по взаимному расположению частотных характеристик объекта управления по возмущению и замкнутой САУ.

Основные положения, выносимые на защиту.

— методика оптимизации системы управления ЛБЛА, позволяющая найти сочетание геометрических параметров планера и автопилота, обеспечивающее эффективную стабилизацию угловых колебаний в турбулентной атмосфере;

— аналитические зависимости изменения геометрических параметров планера (угол У-образности крыла, плечо горизонтального оперения, размах крыла) и аэродинамических коэффициентов, связывающие компоновку с частотными свойствами ЛБЛА;

— алгоритм оптимизации системы управления ЛБЛА в турбулентной атмосфере, обеспечивающий выбор конфигурации и параметров планера на основе согласования частотных свойств объекта управления и автопилота.

Практическая ценность.

Разработано математическое обеспечение, позволяющее на этапе проектирования, в соответствии с методикой оптимизации системы управления ЛБЛА, выбрать наилучшие сочетания геометрических параметров планера и автопилота с целью обеспечения эффективной стабилизации угловых колебаний в турбулентной атмосфере на основе расчета геометрических параметров, передаточных и частотных передаточных функций, а также спектров угловых колебаний.

Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании различных конфигураций планера и автопилотов легких беспилотных летательных аппаратов выбранной аэродинамической схемы, снизить стоимость разработки, придать комплексам новые функциональные возможности и повысить качество выполняемой целевой функции (определение координат объекта наблюдения) при неопределенных метеоусловиях в турбулентной атмосфере.

Результаты исследований внедрены на головном предприятии по комплексам с беспилотными летательными аппаратами ОАО «КБ «Луч» г. Рыбинск при разработке навигационно-пилотажной системы и планера ЛБЛА комплекса «Типчак».

Апробация работы.

Основные результаты работы были вынесены на обсуждение на следующих конференциях: XXXV Молодежная научная конференция «ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ» — Москва, 2009 г.- 62-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «МОЛОДЕЖЬ. НАУКА. ИННОВАЦИИ-2009» — Ярославль, 2009 г.- Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» — Самара, 2009 г.- Международная молодежная научная конференция «XVII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ» -Казань, 2009 г.- Всероссийская молодежная научная конференция «МАВЛЮТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» — Уфа, 2009 гI всероссийская научная конференция молодых ученых «ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА» — Рыбинск, 2010 г.- Международная молодежная конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос «КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» — Самара, 2011 г.

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ. Из них 6 тезисов докладов научных конференций и 6 статей. 4 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации содержит 132 страницы текста, 71 рисунок.

Список литературы

содержит 88 наименований.

5.5 Выводы по разделу.

1. Увеличение угла У-образности крыла обеспечивает повышение статической устойчивости в канале крена, однако негативно отражается на управляемости и стабилизации в турбулентной атмосфере. Оптимальное значение угла У-образности крыла для ЛБЛА «Типчак» составляет 0−1°, при этом максимальная амплитуда колебаний снизится на 5%.

2. Повышение статической устойчивости в канале тангажа за счет увеличения плеча горизонтального оперения до 1,29 м благоприятно сказывается на управляемости и угловой стабилизации. Угловые колебания в диапазоне частот от 0,01 до 10 рад/с снижаются на 17%.

3. Изменение размаха крыла более существенно влияет на угловую динамику ЛБЛА в канале крена. Увеличение размаха крыла на 0,5 м приводит к снижению максимальной амплитуды колебаний по крену на 25%.

4. Минимизации угловых колебаний ЛБЛА «Типчак», вызванных атмосферной турбулентностью в каналах крена и тангажа, можно достичь за счет изменения геометрических параметров планера исходной конфигурации следующим образом:

— изменить значение угла У-образности крыла с 5 до 0 — 1°;

— увеличить плечо горизонтального оперения на 0,1 м, при этом обеспечить неизменность центровки ЛА;

— увеличить размах крыла с 3,05 до 3,55 м. данных и условий полета. Разработанная математическая модель может рассматриваться как инструмент для исследования динамики жестких летательных аппаратов в турбулентной атмосфере.

8. На основании теоретических исследований и проведенных экспериментов качество стабилизации угловых колебаний ЛБЛА «Типчак» в турбулентной атмосфере повысилось в каналах крена и тангажа на 30 и 17% соответственно по сравнению с исходной конфигурацией. Такие показатели стабилизации достигнуты за счет выбора следующих геометрических параметров планера: угол У-образности крыла 0−1°, плечо горизонтального оперения 1,29 м, размах крыла 3,55 м. При этом коэффициенты основных звеньев автопилота в каналах крена и тангажа имеют следующие значения: пропорциональная и интегральные части изодромного звена — 0,7 и 0,01 соответственно, постоянная времени форсирующего звена — 0,1 спроизводная введена с коэффициентом 0,2.

1987.-240 с.

39 Браславский, Д. А. Авиационные приборы и автоматы [Текст] / Д. А. Браславский, С. С. Логунов, Д. С. Пельпор. — М: Машиностроение, 1978.-432 с.

40 Агеев, В. М. Приборные комплексы ЛА и их проектирование [Текст] / В. М. Агеев, Н. В. Павлова. — М.: Машиностроение, 1990. — 432 с.

41 Дмитриевский, А. А. Прикладные задачи теории оптимального управления движением беспилотных ЛА [Текст] / А. А. Дмитриевский, Л. Н. Лысенко. -М.: Машиностроение, 1978. — 328 с.

42 Козлов, В. И. Системы автоматического управления ЛА [Текст] / В. И. Козлов. — М.: Машиностроение, 1979. — 216 с.

43 Байбородин, Ю. В. Бортовые системы управления полетом [Текст] / Ю. В. Байбородин — М.: Транспорт, 1975. — 336 с.

44 Алексеев, С. М. Принципы управления комплексом, получения и обработки информации [Текст] / Гл. конструктор С. М. Алексеев // Комплекс артиллерийской разведки с управляемыми снарядами. Эскизно-технический проект — 4.1 Общесистемные вопросы построения комплекса. — Кн.З. -Рыбинск, 2000. — 179 с.

45 Тихонов, В. И. Статистическая радиотехника [Текст]: 2-е изд., перераб. и доп. / В. И. Тихонов — М.: Радио и связь, 1982. — 624с.

46 Новоселов, А. С. Системы адаптивного управления летательного аппарата [Текст] / А. С. Новоселов, В. Е. Болнокин, П. И. Чинаев, А. Н. Юрьев — М.: Машиностроение, 1987. — 280 с.

47 Сейдж, Э. П. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении [Текст] / Э. П. Сейдж, Дж. П. Мелса: пер. с англ. под ред. Б. Р. Левина. — М.: Радио и связь, 1976. — 356 с.

48 Дудко, Г. А. Доплеровские измерители скорости и угла сноса [Текст] / Г. А. Дудко, Резников Г. Б — М.: Сов. Радио, 1964. — 344 с.

49 Иванов, Ю. П. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие для вузов / Ю. П. Иванов, А. Н. Синяков — Л.: Машиностроение, 1984. — 207 с.

50 Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического регулирования [Текст] / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов — М.: Наука. — 1975. — 768 с.

51 Крамер, Г. Математические методы статистики [Текст] / Г. Крамер: пер. с англ. — М.: Мир, 1975. — 568 с.

52 Бен дат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов [Текст] / Дж. Бендат, А. Пирсон: пер. с англ. — М.: Мир, 1974. — 464 с.

53 Браславский, Д. А. Точность измерительных устройств. [Текст] / Д. А. Браславский, В. В. Петров. — М.: Машиностроение, 1976. — 312 с.

54 Браславский, Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. [Текст] / Д. А. Браславский — М.: Машиностроение, 1970. — 392 с.

55 Вентцель, Е. С. Теория вероятностей. [Текст]: учебное пособие для вузов / Е. С. Вентцель — М.: Высш. шк., 1999. — 576 с.

56 Боднер, В. А. Приборы первичной информации [Текст] / В. А. БоднерМ.: Машиностроение, 1981. — 344 с.

57 Тихонов, В. И. Статистическая радиотехника [Текст] / В. И. Тихонов — М.: Радио и связь, 1982. — 624 с.

58 Ильинский, А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация [Текст] / А. Ю. Ильинский — М.: Наука, 1976. — 670 с.

59 Тихонов, В. И. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов [Текст] / В. И. Тихонов, В. А. Смирнов — Радиотехника и электроника, 1978.-№ 7. с.1441−1452.

60 Летунов, Д. А. Оптимизация малоразмерного беспилотного летательного аппарата как объекта управления [Текст] / Д. А. Летунов, М. А. Лебедев // XXXIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: тез. докл. науч-техн. конф. — Москва: МАТИ, 2009. -том2- С. 148.

61 Летунов, Д. А. Малоразмерный беспилотный летательный аппарат как объекта управления [Текст] / Д. А. Летунов, М. А. Лебедев // Молодежь.