Спосіб стабілізації польоту безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування

Реферат: Спосіб стабілізації польоту безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, який включає передавання сигналів про кутові швидкості, повітряний тиск, географічні координати місця положення від блока датчиків до аналого-цифрового перетворювача, передавання сигналів від аналого-цифрового перетворювача до обчислювального модуля, який автоматично UA 93824 U (12) UA 93824 U оцінює кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, автоматично обчислює розузгодження із заданою траєкторією і забезпечує автоматичне корегування положення безпілотного літального апарата у повітрі, забезпечує автоматичне формування та передавання управляючих сигналів через модуль сполучення до виконавчих механізмів. Безпілотні літальні апарати додатково оснащують системою стабілізації польоту на траєкторіях баражування, якою під час польотів стійко оперативно автоматично аналізується інформація про небезпечний та безпечний повітряний простір, обчислюється зміна в часі помилки стеження та розузгодження із заданою енергозберігаючою траєкторією та забезпечується автоматичне формування, адаптація та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх умов управляючих сигналів на виконавчі механізми, під час отримання оптимального сигналу управління, який відповідає поточному ступеню збурення, рулі висоти, рулі напрямку та елементи механізації крила безпілотного літального апарата відхиляються на відповідні кути, що забезпечує його стабілізацію по кутах тангажа, рискання та по курсу. UA 93824 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі авіації, зокрема до способів автоматичного управління польотами безпілотних літальних апаратів, а саме до способів стабілізації (керування) польотами безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування і може бути використаний з метою реалізації режимів координованих розворотів на траєкторіях баражування під час забезпечення тривалого радіозв'язку, моніторингу пошуково-рятувальних операцій під час ліквідації наслідків екологічного лиха, лісних та торф'яних пожарів, контролю технічного стану об'єктів, а також їх безпечного функціонування як на малих, так і на великих відстанях. Також корисна модель може бути застосована під час польотів на безпілотних літальних апаратах у процесі здійснення заходів щодо контролю за утилізації вибухових засобів, хімічних речовин тощо. Відомий спосіб управління динамічним об'єктом, який включає порівняння вектора станів об'єкта управління з вектором необхідних цільових значень. На основі отриманих результатів за допомогою нелінійної функції формують проміжний сигнал управління, який згодом оптимізують і уточнюють для забезпечення необхідних системі управління властивостей [патент РФ № 2302028, 27.06.2007 г., "Способ управления динамическими объектами", Винокуров Владимир Валентинович, Воробьев Александр Владимирович и др., "АВИОНИКА, Московский научнопроизводственный комплекс, ОАО]. Недоліком способу є неможливість адаптації побудованої системи управління до різних збурень об'єкта. Не можна стверджувати, що об'єкт управління залишається незмінним в процесі функціонування, а це є серйозним чинником, що впливає на такі показники якості управління, як точність і швидкість стабілізації керованого параметра. Відомий спосіб адаптивного управління динамічними системами і процесами, що включає визначення власних характеристик керованого об'єкта в процесі функціонування і подальше управління. У зазначеному способі пропонується виробляти попереднє управління об'єктом з метою підстроювання системи управління для досягнення найкращого результату [patent US № 4479176, 23.10.1984 у., "Adaptive control of a dynamic system or process", Kenneth P. Grimshaw, Metalogic Control Limited]. Недоліком даного способу є наявність значних тимчасових витрат на налаштування системи управління. Якщо функціонування об'єкта відбувається в швидкозмінних умовах, то подібна система може виявитися неефективною для забезпечення заздалегідь заданих показників якості управління. Найбільш близьким способом, як за суттю, так і за завданнями, що вирішуються, який вибраний за прототип, є спосіб, що включає передавання сигналів про кутові швидкості, повітряний тиск, географічні координати місця положення від блока датчиків до аналогоцифрового перетворювача, передавання сигналів від аналого-цифрового перетворювача до обчислювального модуля, який автоматично оцінює кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, автоматично обчислює розузгодження із заданою траєкторією і забезпечує автоматичне корегування положення безпілотного літального апарата у повітрі, забезпечує автоматичне формування та передавання управляючих сигналів через модуль сполучення до виконавчих механізмів. [Патент РФ № 2310899, 27.08.2012 г., "Способ формирования интегрального адаптивного сигнала стабилизации планирующего движения беспилотного летательного аппарата и устройство для его осуществления", Сыров Анатолий Сергеевич, Пучков Александр Михайлович и др, Федеральное государственное унитарное предприятие Московское опытноконструкторское бюро "Марс"]. Недоліками відомого способу є обмеженість функціональних можливостей управління при істотній нестаціонарності параметрів безпілотного літального апарата і невисока точність за наявності збурень, що діють на безпілотний літальний апарат, наприклад вітрових поривів, що призводять до нестійкості плануючого руху. В основу корисної моделі поставлено задачу за рахунок змінювання чинних та здійснення додаткових технологічних операцій щодо оснащення безпілотних літальних апаратів додатковим обладнанням, а також автоматичного передавання сигналів від задатчиків до системи стабілізації енергозберігаючої траєкторії баражування оброблення цих сигналів та подавання оптимальних з точки зору діючих збурень сигналів управління від обчислювальних до виконавчих засобів стабілізації польоту забезпечити польоти (баражування) безпілотних літальних апаратів за оперативно обчисленими та заданими енергозберігаючими траєкторіями, покращити автономну маневреність безпілотних літальних апаратів у повітряному просторі в умовах турбулентної атмосфери, забезпечити зниження енерговитрат польотів у процесі керування польотами. 1 UA 93824 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача розв'язується тим, що в способі стабілізації польоту безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, який включає передавання сигналів про кутові швидкості, повітряний тиск, географічні координати місця положення від блока датчиків до аналого-цифрового перетворювача, передавання сигналів від аналого-цифрового перетворювача до обчислювального модуля, який автоматично оцінює кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, автоматично обчислює розузгодження із заданою траєкторією і забезпечує автоматичне корегування положення безпілотного літального апарата у повітрі, забезпечує автоматичне формування та передавання управляючих сигналів через модуль сполучення до виконавчих механізмів, згідно з корисною моделлю, безпілотні літальні апарати додатково оснащують системою стабілізації польоту на траєкторіях баражування, якою під час польотів стійко оперативно автоматично аналізується інформація про небезпечний та безпечний повітряний простір, обчислюється зміна в часі помилки стеження та розузгодження із заданою енергозберігаючою траєкторією та забезпечується автоматичне формування, адаптація та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх умов управляючих сигналів на виконавчі механізми, під час отримання оптимального сигналу управління, який відповідає поточному ступеню збурення, рулі висоти, рулі напрямку та елементи механізації крила безпілотного літального апарата відхиляються на відповідні кути, що забезпечує його стабілізацію по кутах тангажа, рискання та по курсу. Додаткове оснащення безпілотного літального апарата системою стабілізації польоту забезпечує стабілізацію польоту на траєкторіях баражування дозволяє забезпечити стійкість адаптивної системи керування, зменшити час її адаптації до збурень, зменшити середнє значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу і як наслідок зменшення енергозатрат в процесі керування. Під час польоту складові елементи системи стабілізації польоту сприймають сигнали від зовнішніх датчиків про кутові швидкості, повітряний тиск, географічні координати місця положення від блока датчиків до аналого-цифрового перетворювача, передавання сигналів від аналого-цифрового перетворювача до обчислювального модуля, який автоматично оцінює кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, автоматично обчислює розузгодження із заданою траєкторією і забезпечує автоматичне корегування положення безпілотного літального апарата у повітрі, забезпечує автоматичне формування та передавання управляючих сигналів через модуль сполучення до виконавчих механізмів. Системою стабілізації під час польотів стійко оперативно автоматично аналізується інформація про небезпечний та безпечний повітряний простір, обчислюється зміна в часі помилки стеження та розузгодження із заданою енергозберігаючою траєкторією та забезпечується автоматичне формування, адаптація та передавання постійно обновлюваних залежно від зовнішніх умов управляючих сигналів на виконавчі механізми через помножувачі, підсилювачі, інтегратори, блок задавання коефіцієнтів. Обчислення зміни в часі помилки стеження та розузгодження із заданою енергозберігаючою траєкторією надає можливість стабілізувати рух безпілотного літального апарата на заданій траєкторії баражування, тим самим зменшуючи енергозатрати в процесі керування. При цьому забезпечуючи безперебійний та своєчасний моніторинг заданих територій, контроль технічного стану об'єктів та стійкий радіозв'язок між заданими об'єктами. Автоматичне формування, адаптація та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх умов оптимальних управляючих сигналів дозволяє забезпечити стійкість адаптивної системи, зменшити час її адаптації до збурень, зменшити середнє значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу. Подавання оптимальних управляючих сигналів на виконавчі механізми забезпечує своєчасне корегування траєкторії польоту за енергозберігаючою траєкторією. Постійне оновлювання оптимальних управляючих сигналів залежно від зовнішніх умов забезпечує коректне урахування будь-якої зміни впливу умов зовнішніх сприятливих і агресивних чинників на безпілотний літальний апарат. Суть способу пояснюється кресленням, де показано функціонування рулів висоти, рулів напрямку та елементів механізації крила безпілотного літального апарата залежно від сигналів управління, які стабілізують енергозберігаючу траєкторію польоту залежно від зовнішніх збурень. Спосіб стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування реалізується так. 2 UA 93824 U Процес керування безпілотним літальним апаратом описується рівнянням стану:  X  AX( t )  BE( t )  ( t ), (1) Y  CX( t )  ( t ), де X  R n - вектор стану БПЛА; E  R n - вектор керування; Y - вектор вимірювань A( t ) , B( t ) - n  n і n  m матриці параметрів безпілотного літального апарата;  та  - вектор 5 10 шумів збурень та шумів вимірювання. Бажана динаміка польоту безпілотного літального апарата з урахуванням вимог, які пред'являються до системи: зменшення часу адаптації, зменшення середнього значення помилки вихідного сигналу безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу і внаслідок чого зменшення енергозатрат у процесі керування задається за допомогою еталонної моделі:  X M  A M X M ( t )  B MU( t ) , (2) 15 де X M  R n - вектор стану еталонної моделі, U  R m - вектор керування, A M , BM , матриці відповідних розмірностей. Оптимальне значення показника якості функціонування системи автоматичного керування безпілотного літального апарата, а саме зменшення середнього значення помилки вихідного сигналу безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процесу задається як формалізована ціль адаптивного керування: lim X( t )  0 , (3) t  де 20 25 30 35 X( t )  X( t )  XM ( t ) - помилки стеження та розузгодження із заданою траєкторією (2) і (3). Під час польоту безпілотного літального апарата вихідний сигнал U(t )  U задатчиків 1 подається до обчислювального модуля системи стабілізації польоту 2, в якому автоматично оцінюється кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, обчислюється математична модель зміни в часі помилки стеження X та розузгодження із заданою траєкторією X( t )  X( t )  XM ( t ) та передається в контур адаптації в якому забезпечується автоматичне формування, адаптація та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх збурень 3 оптимальних управляючих сигналів на рулі висоти 4 (див. фіг. 1). Під час отримання оптимального сигналу управління, який відповідає поточному ступеню збурення, рулі висоти 4, рулі напрямку 5 та елементи механізації крила 6 безпілотного літального апарата відхиляються на відповідні кути, що забезпечує його стабілізацію по кутах тангажа, рискання та по курсу. Для системи керування в повздовжньому каналі безпілотного літального апарата розглядаються два режими: режим стабілізації висоти та кута тангажа, при керуванні швидкістю польоту через відхилення сектору тяги та режим стабілізації швидкості, при керуванні висотою польоту через відхилення рулів висоти 4. Для повздовжнього каналу вектор змінних стану має вигляд X T X  u, w, q, ,H, , B , T  , де u - швидкість відносно осі x , w - швидкість відносно осі z , q - кутова швидкість тангажа,  - кут тангажа, H - висота,  - частота обертання вихідного вала двигуна,  B ,  T кути повороту вала рулів висоти 4. Вектор керування має вигляд 40 T T U   B ,  T  , а вектор виходу Y  Va, , q, ,H , де  - кут атаки, Va - дійсна повітряна швидкість. Для бокового каналу розглядається режим стабілізації кута рискання та крену через відхилення елеронів та руля напрямку. T X має вигляд X  v,p,r, , , E , H  , де v швидкість відносно осі y , p - кутова швидкість крену, r - кутова швидкість рискання,  - кут крену,  - кут рискання,  E ,  H кути повороту вала рульових приводів. Вектор керування має Для бокового каналу вектор змінних стану 45  T , де  E - кутове відхилення елеронів 8,  H T вектор виходу Y  , p, r, ,   , де  - кут ковзання. вигляд U   E ,  H 3 - відхилення руля напрямку 6, а UA 93824 U Ціль адаптивного керування (3) розв'язується за рахунок синтезу алгоритму обчислення ідеальних коефіцієнтів які реалізують ідеальний закон управління E( t )  K Ix X( t )  K IU X( t ) ,(4) де K Ix , K IU - ідеальні коефіцієнти, які задовольняють рівнянням: 5 BK Ix  A M  A, (5) BK IU  B M . (6) На основі ідеального закону управління будується реальний закон управління E( t )  K x ( t )X( t )  K U ( t )X( t ) . (7) 10 Для режиму керування кутом тангажа  при стабілізації повітряної швидкості система стабілізації обчислює ідеальні коефіцієнти та формує оптимальний закон керування рулем висоти та сектором тяги: B  k 11u  k 12 w  k 13 q  k 14    зад   k 15 H  k 16   k 17 B  k 18 T ,  T  k 21u  k 22 w  k 23 q  k 24   k 25 H  k 26   k 27 B  k 28 T . 15 (8) Для режиму керування швидкістю при стабілізації висоти та для режиму керування висотою при стабілізації швидкості система стабілізації обчислює ідеальні коефіцієнти та формує оптимальний закон керування рулями висоти 4 та вектором тяги 9: B  k 11u  k 12 w  k 13 q  k 14   k 15 H  k 16   k 17 B  k 18  T ,  T  uзад  k 21u  k 22 w  k 23 q  k 24   k 25 H  k 26   k 27 B  k 28  T , B  k 11u  k 12 w  k 13 q  k 14   Н  k 15 H  k 16   k 17 B  k 18  T , (9)  T  k 21u  k 22 w  k 23 q  k 24   k 25 H  k 26   k 27 B  k 28  T . Для бокового каналу при стабілізації кута рискання та крену система стабілізації 2 визначає ідеальні коефіцієнти та формує закон керування елеронами 8 та рулем напрямку 5: Е  k11v  k12p  k13r  k14   k15    зад   k16 Е  k17 Н, 20 25 30 Е  k 21v  k 22p  k 23r  k 24   k 25    зад   k16 Е  k 27 Н. (10) Суттєвою особливістю способу стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування є те, що вона здійснює автоматичне формування, адаптацію та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх збурень оптимальних управляючих сигналів, що дозволяє забезпечити стійкість адаптації системи стабілізації польоту, зменшення часу її адаптації до зовнішніх збурень, зменшення середнього значення помилки стабілізації координат руху безпілотного літального апарата за весь час стабілізаційного процес, тим самим зменшуючи енергозатрати в процесі керування. Таким чином, реалізація способу стабілізації безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування вперше забезпечує виникнення найкращих показників польоту безпілотного літального апарата та забезпечує виконання широкого спектра завдань (забезпечення тривалого радіозв'язку, моніторингу пошуково-рятувальних операцій під час ліквідації наслідків екологічного лиха, лісних та торф'яних пожарів, контролю технічного стану об'єктів, а також їх безпечного функціонування як на малих, так і на великих відстанях, здійснення заходів щодо контролю за утилізації вибухових засобів, хімічних речовин тощо). 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Спосіб стабілізації польоту безпілотного літального апарата на траєкторіях баражування, який включає передавання сигналів про кутові швидкості, повітряний тиск, географічні координати місця положення від блока датчиків до аналого-цифрового перетворювача, передавання сигналів від аналого-цифрового перетворювача до обчислювального модуля, який автоматично оцінює кутове положення безпілотного літального апарата по параметрах курсу, крену, тангажа, поточної і заданої висоти, а також швидкості, автоматично обчислює розузгодження із заданою траєкторією і забезпечує автоматичне корегування положення безпілотного літального апарата у повітрі, забезпечує автоматичне формування та передавання управляючих сигналів через модуль сполучення до виконавчих механізмів, який відрізняється тим, що безпілотні літальні апарати додатково оснащують системою стабілізації польоту на траєкторіях баражування, якою під час польотів стійко оперативно автоматично аналізується інформація про небезпечний та 4 UA 93824 U 5 безпечний повітряний простір, обчислюється зміна в часі помилки стеження та розузгодження із заданою енергозберігаючою траєкторією та забезпечується автоматичне формування, адаптація та передавання постійно оновлюваних залежно від зовнішніх умов управляючих сигналів на виконавчі механізми, під час отримання оптимального сигналу управління, який відповідає поточному ступеню збурення, рулі висоти, рулі напрямку та елементи механізації крила безпілотного літального апарата відхиляються на відповідні кути, що забезпечує його стабілізацію по кутах тангажа, рискання та по курсу. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5