Методы управления беспилотными летательными аппаратами.

Архитектура построения навигационного комплекса беспилотных летательных аппаратов может быть различной, в зависимости от требований и выполняемой задачи, ниже рассмотрены основные из них.

Как показывает опыт разработки беспилотных летательных аппаратов, в контуре управления БЛА существуют два основных элемента. Первый — исполнительный, т.е. это сам планер с силовой установкой и рулевые механизмы. Второй - командный. Это тот элемент, который ставит задачу на полёт, принимает решение в случае необходимости изменить программу полёта, выполняет коррекцию движения летательного аппарата при его отклонениях от заданной траектории движения.

При построении комплекса управления БЛА командный элемент или его часть выносится за [11,31] пределы аппарата и связывается с исполнительным элементом линией передачи.

Наибольшие трудности возникают при разработке системы управления (СУ). Это связано с тем, что БЛА должен выполнять задачи в условиях автономного полёта, следовательно, иметь полную функционально замкнутую СУ. Кроме того, малые размеры и масса БЛА приводят к увеличению количества и диапазона внешних воздействий на данные объекты по сравнению с существующими летательными аппаратами, и, следовательно, ужесточают требования к элементной базе СУ. В связи с этим СУ должна решать следующие задачи:

- стабилизация параметров движения объекта применительно к внешним помехам различной природы;

- анализ внешних данных бортовыми средствами и определение приоритетной цели в зависимости от поставленной перед БЛА задачи;

- расчет оптимальной траектории движения с целью уменьшения времени движения и расхода ресурсов БЛА;

- контроль правильности удержания траектории;

- обеспечение отказоустойчивости объекта управления или компенсация изменений его характеристик бортовыми средствами;

- выполнение вычислительных операций большого объема в реальном масштабе времени для реализации алгоритмов управления БЛА.

Следует подчеркнуть, что основной функцией, решаемой СУ, является управление движением центра масс (три канала управления) и угловыми движениями БЛА относительно центра масс (три канала управления). Если не нужно точно выдерживать движение летательного аппарата по заданной траектории, то управляют только его угловыми движениями. Управление угловыми движениями обеспечивает вполне определенное положение БЛА в пространстве по отношению к вектору скорости центра масс. Управление движением центра масс обеспечивает полёт по наилучшей (оптимальной) траектории, например, по кратчайшему пути за кратчайшее время.

Таким образом, управление полетом БЛА сводится к управлению параметрами его движения: угловыми координатами, угловыми скоростями и ускорениями, линейными координатами (дальностью, высотой, боковым перемещением) и т. д.

Существующие СУ подразделяют на автономные и неавтономные. Кроме того, в отдельную группу могут быть выделены комбинированные СУ. Особенностью автономных СУ является то, что сигналы управления движением вырабатываются аппаратурой, целиком расположенной на борту, причем эта аппаратура после запуска не получает никакой информации из пункта управления. Автономные СУ действуют по заранее определенной программе.

При использовании автономных систем существует два метода получения управляющих сигналов. Можно заранее перед стартом рассчитать, как должны изменяться во времени основные параметры движения БЛА (скорость, угол и т.д.), определяющие траекторию движения. Полученные функции времени вводятся в специальные устройства СУ в качестве заданных величин или программ. После старта в процессе полета БЛА соответствующими устройствами непрерывно изменяются текущие (действительные) значения указанных параметров. СУ осуществляет сравнение расчетных значений параметров с текущими значениями и при их неравенстве вырабатывает соответствующие сигналы управления. Если на БЛА установлена аппаратура, позволяющая вести непрерывное измерение её координат в пространстве, то автономное управление можно осуществить по-другому. Координаты, получаемые от аппаратуры, автоматически вводятся в бортовое вычислительное устройство, которое в соответствии с заранее заложенной программой вычисляет величину сигналов управления. Следовательно, заранее не задается определенная траектория, а каждый раз вычисляется в зависимости от текущих координат. При этом предполагается, что координаты объекта предварительно заложены в вычислительное устройство. На работу таких СУ не оказывают влияние искусственно создаваемые помехи. Это основное их достоинство. Кроме того, эти системы можно применять для управления БЛА с большой дальностью полета.

Определение собственных координат воздушным судном происходит ежесекундно при стандартной работе приёмника спутниковой навигационной системы (СНС). При перенастройке приемника частота определения собственных координат может быть увеличена. Практически же увеличение частоты не дает выигрыша в точности определения координат, так как скорость изменения координат накладывает ограничения на маневренность БЛА. Характер движения в течение одной секунды меняется мало, и положение БЛА можно достаточно точно рассчитать по его предыдущему положению, динамике полета и текущему маневру. В реальности стоит задача не только знать, где и в какое время находится объект, но и в зависимости от его местоположения выработать ответную реакцию.

Итак, ситуацию можно разделить на три условные категории. Первая - простейший случай мониторинга. Задача системы состоит в фиксации местоположения объекта с привязкой ко времени. Вторая - это расширение первой. Причем, в добавление к наблюдению, система вырабатывает внутри себя ответную реакцию (сигнализацию, набор вычислительных процедур, выработку внутренней команды). В этом случае время на выработку ответной реакции и на ее исполнение ничтожно мало по сравнению с дискретностью отсчета местоположения объекта. Третья категория — передача вычисленных во втором случае данных обратно на борт летательного аппарата. Например, с целью коррекции его движения. Здесь складываются времена передачи координат с летательного аппарата на пункт наблюдения, выработки команды и передачи команды обратно на борт аппарата.

Рассмотрим расположение командного элемента на пункте управления.

Одним из методов управления БЛА является пилотажный (рисунок 1.2).

БЛА

Видеоинформация

Датчики параметров полета

Параметры работы силовой установки

Внешняя среда

Наземный пункт управления БЛА

Исполнительные механизмы органов управления

Радиоканал управления

 

Рисунок 1.2 Структура пилотажного метода управления БЛАю

В этом случае управление идет непосредственно исполнительными механизмами планера. С пункта управления передаются заданные углы отклонения рулевых аэродинамических плоскостей и режимы работы силовой установки. Очевидно, что для БЛА с высокоскоростными характеристиками и высокой маневренностью требуется очень быстрая доставка команд управления с пункта управления на борт. Одновременно с этим пилотажное управление требует высокой степени вмешательства оператора в процесс управления летательным аппаратом, что, в свою очередь, требует высокой концентрации оператора, а также высокой степени подготовки.

Помимо пилотажного метода управления БЛА рассмотрим еще один метод управления, который по своей сути является навигационным (рисунок 1.3).

Глобальная навигационная спутниковая система

Навигационный комплекс БЛА

Приёмник ГЛОНАСС

Система инерционных датчиков

Внешняя Среда

Наземный пункт управления БЛА

Система воздушных сигналов

Бортовая система связи БЛА

Транспондер

ЛПД

 

Рисунок 1.3 Структура навигационного метода управления БЛА.

Управление БЛА осуществляется не передачей ему команд для исполнения маневров, а путем задания точек маршрута относительно земной поверхности. Данный способ управления требует переноса части вычислений с пункта управления на борт БЛА.

Все вычисления по обнаружению отклонений в движении от заданной траектории выполняются уже на борту. Соответственно, еще больше снимается нагрузка с радиолинии. По ней теперь передаются только изменения навигационной программы (изменение маршрута движения относительно ранее запланированного). В этом случае при возникновении каких-либо отклонений от заданной траектории навигационный вычислитель способен сам, без участия внешнего пункта управления, выработать набор команд для коррекции движения. Однако данное управление повышает требования к аппаратуре навигационного вычислителя (к памяти, производительности и программному обеспечению).

В таком случае в состав бортового комплекса навигации и управления должны входить:

• приемник спутниковой навигации, обеспечивающий прием навигационной информации от систем ГЛОНАСС и GPS;

• система инерциальных датчиков, обеспечивающая определение ориентации и параметров движения БЛА;

• система воздушных сигналов, обеспечивающая измерение высоты и воздушной скорости;

• аппаратура линии передачи данных, различные виды антенн, предназначенные для выполнения задач.

Бортовая система навигации и управления обеспечивает:

• полет по заданному маршруту (задание маршрута производится с указанием координат и высоты поворотных пунктов маршрута);

• изменение маршрутного задания или возврат в точку старта по команде с наземного пункта управления;

• облет указанной точки;

• автосопровождение выбранного объекта;

• стабилизацию углов ориентации БЛА;

• поддержание заданных высот и скорости полета (путевой, либо воздушной);

• сбор и передачу телеметрической информации о параметрах полета и работе целевого оборудования;

• программное управление устройствами целевого оборудования.

Бортовая система связи:

• функционирует в разрешенном диапазоне радиочастот;

• обеспечивает передачу данных с борта на землю и с земли на борт.

Данные, передаваемые с борта на землю:

• параметры телеметрии;

• потоковое видео- и фотоизображение.

Данные, передаваемые на борт, содержат:

• команды управления БЛА;

• команды управления целевой аппаратурой.

БЛА

Внутренняя система управления функционированием

Автопилот

Транспондер

Внешняя среда

Наземный пункт управления БЛА

ЛПД

 

Рисунок 1.4 Структура автоматического метода управления БЛА.

Информация, полученная с БЛА, должна классифицироваться в зависимости от степени представляемой угрозы. Классификация проводится оператором, либо непосредственно бортовым компьютером (автопилотом) БЛА. Во втором случае программное обеспечение комплекса содержит элементы искусственного интеллекта, и требуется выработать количественные критерии и градации уровней угрозы. Такие критерии могут быть сформулированы путем экспертных оценок и формализованы таким образом, чтобы минимизировать вероятность ложного сигнала тревоги.

Третьим методом управления БЛА является автоматический (рисунок 1.4).

Для его использования должна быть создана внутренняя система управления функционированием (ВСУФ) БЛА. Она предназначена для реализации алгоритмов функционирования внутренних систем и устройств летательного аппарата для достижения цели задания и фактически реализует локальные функции управления в воздушном пространстве.