Система управления БПЛА для полета на малых высотах

Аннотация

Белоцерковский Т.В. - Система управления бпла для полета на малых высотах. В статье приведен пример решения задачи удержания высоты беспилотного летательного аппарата в рамках реальных условий.

Актуальность.

Полеты на малой высоте усложняются повышенной турбулентностью атмосферы и неспособностью отслеживать изменение высоты рельефа (на малых БПЛА измеритель относительной высоты, как правило, отсутствует либо применяется лишь для посадки [1]). Как следствие приходится увеличивать высоту автоматического полета а соответственно снижать эффективность выполнения поставленных задач.

Постановка задачи.

Целью работы было построение системы управления малого беспилотного аппарата для распыления энтомологического препарата трихограммы. Такое целевое назначение требует обеспечения полета на постоянной высоте 5-7м над поверхностью земли (чтоб мелкодисперсная трихограмма не разносилась далеко ветром), а также построения маршрута для оптимального покрытия всей площади поля полосой распыления и следование по этому маршруту.

Общая структура системы управления представлена на Рис.1

Блок датчиков включает инерциальный модуль, трехосный магнитометр, приемник спутниковых навигационных сигналов, приемники статического и динамического давления, ультразвуковой высотомер.

В качестве бортового вычислителя использован одноплатный компьютер. Хоть он и имеет несколько большие габариты и потребление питания, нежели более простые микропроцессорные системы, однако гибкость использования и запас вычислительной мощности позволяет значительно ускорить исследовательский процесс.

Стабилизация относительной высоты полета выполняется по данным с ультразвукового высотомера и информации о текущей вертикальной перегрузке. Выбор именно ультразвукового высотомера обусловлен его малыми габаритами малым потребление энергии, а также небольшой стоимостью. Проблема небольшого диапазона измерения решается комплексированием с сигналом спутниковой навигационной системы и барометрическим высотомером (при выходе за диапазон измерения ультразвукового высотомера самолет производит плавное снижения пока высотомер не увидит землю).

Так как рельеф подстилающей поверхности неизвестен, из данных о вертикальной перегрузке отнимается расчетное значение перегрузки которое возникает при отработке неровностей рельефа. Это позволит выделить перегрузку вызванную внешними возмущениями и парировать их. Также к сигналу перегрузки добавляется оцененное изменение массы аппарата (расход топлива и рабочего вещества).

Для стабилизации бокового движения рассчитывается отклонение от лини заданного пути (ЛЗП) и задается соответствующий угол крена для возврата на ЛЗП. Так как акустический высотомер имеет ограниченную по углу зону стабильной работы, если необходимый крен больше десяти градусов, то выполняется плоский разворот через канал рыскания.

Структура системы управления в режиме стабилизации высоты полета и ЛЗП приведена на Рис.2.

При выполнении поворота стабилизация ЛЗП отключается и создается крен заданного радиуса разворота. Поворот продолжается пока не будет достигнута конечная точка поворота, или пока курс не сравняется с курсом следующей ЛЗП.

Построение маршрута подразумевает при известных границах поля построение точек полета таких, чтоб полоса распыления равномерно покрыла всю поверхность поля. Все расчеты должны производится на борту, что упростит использование системы и освободит от необходимости наземного пульта управления.

Оптимальным маршрутом будет спиральная траектория. Основное ее преимущество – минимальный угол поворотов, что позволяет, в сравнении с другими траекториями, увеличить скорость и точность полета.

На Рис.5 приведен результат работы алгоритма автоматического построения маршрута для ширины распыления 5м и произвольной формы поля. По окончании прохода маршрута – возврат в точку старта.

Математическое моделирование.

Для отображения поведения самолета построена нелинейная модель БПЛА в пакете Matlab Simulink. На Рис.6,7 показаны результаты работы системы управления по отработке заданной относительной высоты полета 5м при скорости самолета 24м/с, турбулентном ветре до 1м/с (нижняя линия – рельеф, верхняя траектория полета).

При возмущающем турбулентном ветре до 1м/с точность стабилизации высоты составляет 0,5м, что достаточно для полета над пологим неизвестным рельефом на высоте 5-7м над поверхностью земли, необходимой для распыления мелкодисперсных веществ.

Список использованной литературы

1. ПавлушенкоМ. , Евстафьев Г, МакаренкоИ. Беспилотные летательные аппараты: история, применение, угроза распространения и перспективы развития. М: Права человека 2005г. 611с.
2. Development of Unmanned Aerial Vehicle Manual Control System Thae Su Aye, Pan Thu Tun, Zaw Min Naing, and Yin Mon Myint World Academy of Science, Engineering and Technology 42 2008
3. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / Под ред. М.Н. Красильщикова и Г.Г. Себрякова. – М.: ФИЗМАТЛИТ 2003. – 280 с.
4. An Autonomous Autopilot Control System Design for Small-Scale UAVs Corey Ippolito QSS Group, Inc. NASA Ames Research Center 2005.
5. Лазарев Ю. Ф. Mоделирование процессов и технических систем в MATLAB К.: 2004. – 474 с.
6. Различные сферы применения БПЛА выдвигают свои требования к режимам полета. С уменьшением аппаратов все чаще их применяют для задач требующих полет на малой высоте (обусловлено большей маневренностью малых аппаратов), это могут быть задачи боевого применения, сельскохозяйственные цели, отдельные типы мониторинга и др..
7. Различные сферы применения БПЛА выдвигают свои требования к режимам полета. С уменьшением аппаратов все чаще их применяют для задач требующих полет на малой высоте (обусловлено большей маневренностью малых аппаратов), это могут быть задачи боевого применения, сельскохозяйственные цели, отдельные типы мониторинга и др..