Тимошенко Максим Олександрович
Факультет: Компьютерниx інформаційних технологій та автоматики
Кафедра: Електронної техніки
Спеціaльність: "Електронні системи"
Тема магістерської роботи: Дослідження та обгрунтування структурної схеми системи розпізнання перешкод стосовно конвертоплану
Науковий керівник: доц. к.т.н., Сєнько Віктор Федорович
Реферат з теми випускної роботи
- Вступ
- Конвертоплан
- Автопілот
- Автопілоти безпілотних літальних апаратів (БПЛА)
- Список використаних джерел
Вступ
На даний момент існує безліч різних засобів для фізичного переміщення того чи іншого об'єкту. Якщо в якості об'єкта брати людину, то цей перелік починається з велосипедів, роликів, мотоциклів, автомобілів, і закінчується літаками, вертольотами, пілотованими космічними кораблями. Якщо ж в якості об'єкта взяти, наприклад, відео або фото камери, будь-який інший невеликий вантаж – цей список раціональніше буде почати з радіокерованих наземних і повітряних моделей. Але, як правило, такі моделі не постачають системами автопілота, та й автопілот, по суті, не динамічний.
Автопілот – пристрій або програмно-апаратний комплекс, провідний транспортний засіб за певною, заданою йому траєкторією [1]. Дане визначення передбачає статичну траєкторію польоту. Це ще можна застосовувати на великих висотах, але як бути з низькими, або взагалі наземними пересуваннями? Тут статичні траєкторії не допоможуть, тому що ситуація постійно змінюється. Сьогодні була рівнина – завтра мегаполіс, сьогодні тут не було стовпа – завтра він є. Все змінюється, а технології автопілота дещо застаріли.
У даному випадку не обійтися без системи, яка б виявляла перешкоди на своєму шляху і змінювала траєкторію руху, щоб задавалися лише кінцеві координати, а весь процес переміщення був динамічний і раціональний. Для цього, так чи інакше, буде необхідний масив різних датчиків, тому що перешкоди бувають різних типів, і не всі датчики зможуть їх зафіксувати.
Конвертоплан
Конвертоплан – літальний апарат з поворотними гвинтами, які на зльоті і при посадці працюють як підйомні, а в горизонтальному польоті – як тягнучі (при цьому підйомна сила забезпечується крилом літакового типу). Конструкція по суті дуже близька до літака вертикального зльоту і посадки (СВВП), але зазвичай їх відносять до гвинтокрилих літальних апаратів через конструктивні особливості гвинтів і їх великого діаметру, порівнянного з розмахом крила. Великі гвинти конвертоплану допомагають йому при вертикальному зльоті, проте в горизонтальному польоті вони стають менш ефективними в порівнянні з гвинтами меншого діаметру традиційного літака [2].
В даний час в США експлуатується діючий зразок конвертоплану V-22 Osprey з польотної масою 27,4 т і швидкістю польоту в літаковому режимі 463 км/год, а у вертолітному режимі 185 км/год.
Конвертоплан з поворотними гвинтамиКонвертоплан з поворотними гвинтами (tiltrotor) – літальний апарат, що суміщає вертикальний зліт/посадку по вертолітному принципу з переміщенням зі швидкістю турбогвинтового літака.
Зазвичай поворотними є не самі гвинти, а гондоли з гвинтами і двигунами (як у Bell V-22 Osprey), але зустрічаються також і конструкції, у яких повертаються тільки гвинти, а двигуни (наприклад, розташовані у фюзеляжі) залишаються нерухомими. Прикладом гвинтокрила, у якого повертаються тільки гвинти, є Bell XV-3.
Потрібно відзначити, що термін тілтротор не є еквівалентом конвертопланів, оскільки є конкретною схемою реалізації конвертоплану.
Конвертоплан з поворотним криломІснує варіант конвертоплану, званий конвертоплан з поворотним крилом (Tiltwing, від tilt – повертати і wing – крило), коли повертається все крило, а не тільки закінцівки, як у тілтротора.
Недоліком поворотного крила є велика складність, перевага в тому, що при вертикальному зльоті крила не затінюють повітряний потік від гвинтів (збільшуючи тим самим ефективність роботи гвинтів).
Конвертоплан з гвинтами в кільцевих каналахЛітаки з вертикальною (або укороченою) зліт-посадкою з гвинтами в кільцевих каналах можуть відноситись як до тих що мають поворотні гвинти, так і до тих що мають поворотне крило.
Особливістю ж їх є те що гвинти розташовані всередині особливого кільця, яке іноді називається "кільцевим" крилом, в авіа моделюванні ж такий гвинт у кільцевому каналі, часто називається терміном "вентиляторним" рушієм (в авіа моделюванні такий гвинт зазвичай ховають всередині макету реактивного двигуна). Даний тип рушія володіє дуже високою швидкістю відкидання гвинтом повітряного потоку, що дозволяє обійтися дуже маленькими крильцями, забезпечуючи високу компактність конвертоплану. Ця ж перевага обертається серйозним недоліком при виконанні функцій вертольоту, внаслідок чого фінансування розробок подібних конвертопланів припинялося, як тільки мова заходила про їхню здатність повністю замінити вертоліт.
Прикладами подібних конвертопланів є Bell X-22A, VZ-4DA і Nord 500 [3].
СВВП із вертикальним положеннямЛітак вертикального зльоту і посадки з вертикальним положенням корпусу (tailsitter, від tail – хвіст і sitter – сидить) – варіант компонування СВВП. Такий літак здійснює зліт і посадку на свій хвіст подібно зльоту і посадці вертольота, а потім переходить у горизонтальний “літаковий” політ. Незважаючи на неможливість посадки “як літак”, конвертопланом не являється, так як при переході в горизонтальний режим польоту не відбувається поворот гвинтів щодо крила і фюзеляжу літального апарату.
Складність схеми полягає в організації управління на режимах вертикального і горизонтального польотів, а також перехідних – льотчику складно зорієнтуватися, тому як одні й ті ж органи управління виконують різні функції на різних режимах, крім того утруднений огляд при вертикальних режимах. Проте відсутність великих поворотних частин, а також єдина силова установка для режимів вертикального і горизонтального польоту дозволяли спростити конструкцію апарату і ця схема довгий час була популярна у конструкторів. Дану схему використовували як реактивні, так і гвинтові СВВП. Декілька побудованих за цією схемою СВВП так і залишилися експериментальними прототипами.
Автопілот
Існує кілька основних методів для виявлення перешкод, це:
- Світлодіодний;
- Лазерний;
- Ультразвуковий;
- Радіохвильовий;
- Технічний зір.
Всі методи, крім останнього, діють за принципом локації (рис. 1), різне в них лише джерело сигналу і його приймач.
Рисунок 1 – Принцип дії локатору
Світлодіодний і лазерний методи локації відрізняються між собою тим, що лазерний діод володіє більшою точністю, ніж світлодіод, але ефективний тільки на дальніх дистанціях, тому що ширина променя вкрай мала. Світлодіод же навпаки, ефективний на ближніх дистанціях, і в зв'язку з тим що промінь набагато ширше – точність не велика. Схожість методів в тому, що принцип дії у них однаковий. Випромінювач випускає потік світлових частинок, деяка їх частина хаотично розсіюється середовищем, але більша частина, якщо досягає непрозорого тіла в межах радіусу дії – повертається в приймач. Далі вимірюється час відгуку – час, за який сигнал долає шлях з випромінювача в приймач, за наявності непрозорого тіла в радіусі дії далекоміра. Як світлодіод, так і лазерний діод можуть працювати в одному з трьох діапазонів електромагнітного випромінювання – інфрачервоний, видимий і ультрафіолетовий. Найбільшу популярність придбали інфрачервоні і червоні випромінювачі.
Ультразвуковий і радіохвильової методи відрізняються один від одного набагато більше, якщо радіохвильової використовує радіовипромінювання, що є підвидом електромагнітного випромінювання, то ультразвуковий метод використовує фізичні коливання для визначення місцезнаходження об'єкту. В авіації використовується радіохвильовий метод, а деякі живі організми використовують ультразвуковий метод.
Технічний зір відрізняється від всіх перерахованих вище методів. Для його реалізації необхідна відеокамера і програмний або апаратний блок обробки зображень. Суть полягає в тому, що імітується зір людини, що несе за собою свої переваги і недоліки.
Користь системи полягає у високій швидкості роботи, можливості 24-годинної роботи і точності повторюваних вимірювань. Так само перевага технічного зору перед людським полягає у відсутності стомлюваності, хвороб або неуважності. Тим не менше, люди володіють тонким сприйняттям протягом короткого періоду і більшою гнучкістю в класифікації та адаптації до пошуку інших проблем [4].
Застосування технічного зору в системі виявлення перешкод дуже складно, тому що згрупувати об'єкти як перешкоди по якомусь одному принципу практично неможливо, правда це залежить від ситуації. Самий часто використовуваний приклад застосування технічного зору як системи розпізнавання перешкод, це метод бінаризації. Даний метод полягає в перетворенні зображення в сірих тонах в бінарне (білі та чорні пікселі) з подальшою обробкою. Але це лише один з можливих методів побудови карти перешкод, потрібно також застосовувати метод сегментації (використовується для пошуку та / або підрахунку деталей), метод вимірювання (вимірювання розмірів об'єктів в дюймах або міліметрах), та метод виявлення країв.
Для дослідження та реалізації прикладів різних систем розпізнавання перешкод існують різні змагання, наприклад RoboCup, Умник-Бот, Робофест, VEX Robotics та інші [5].
На даний момент, питань розпізнавання перешкод у контексті автопілотування приділяють занадто мало уваги, хоча напрямок дуже перспективен для автоматизації процесів пересування наземних і повітряних об'єктів різних розмірів і призначень.
Автопілоти безпілотних літальних апаратів (БПЛА)
Завдання, які вирішуються в даний час за допомогою безпілотних літальних апаратів (БПЛА) вимагають їх повноцінного приладового оснащення. Сучасний БПЛА за рівнем технічного оснащення часто перевершує пілотований літак. Наявність повноцінного автопілота – цим відрізняється безпілотний літальний апарат від дистанційно керованої моделі [6].
До складу бортового комплексу навігації та управління БПЛА входять:- Інтегрована навігаційна система;
- Приймач супутникової навігаційної системи;
- Модуль автопілота БПЛА.
- Автоматичне управління БПЛА при польоті по заданій траєкторії;
- Стабілізація кутів орієнтації БПЛА в польоті;
- Визначення навігаційних параметрів (координат, кутів орієнтації, параметрів руху БПЛА);
- Видача телеметричної інформації про навігаційні параметри, кути орієнтації та параметри управління БПЛА;
- Управління бортовим обладнанням.
Автопілот БПЛА здійснює вироблення керуючих команд у вигляді ШІМ (широтно-імпульсно модульованих) сигналів, згідно законам управління, закладеним у його обчислювач.
Крім навігації та управління БПЛА, автопілот програмується на управління бортовою апаратурою:
- Стабілізація відеокамери;
- Синхронізоване за часом і координатами спрацьовування затвора фотоапарату;
- Випуск парашута;
- Скидання вантажу або відбір проб в заданій точці;
- Інші функції;
До пам’яті автопілоту може бути занесено до 255 поворотних пунктів маршруту. Кожна точка характеризується координатами, висотою проходження і швидкістю польоту. У польоті автопілот також забезпечує видачу телеметричної інформації для стеження за польотом БПЛА.
Управління БПЛАУправління БПЛА – завдання для добре підготовленого професіонала. В армії США операторами БПЛА стають діючі пілоти ВПС після річної підготовки та тренінгу. У багатьох аспектах це складніше, ніж пілотування літака, і, як відомо, більшість аварій безпілотних ЛА викликані помилками пілота-оператора [7].
Автоматичні системи БПЛА, оснащені повноцінним автопілотом, вимагають мінімальної підготовки наземного персоналу, при цьому вирішують завдання на великому видаленні від місця базування, поза контакту з наземною станцією, в будь-яких погодних умовах. Вони прості в експлуатації, мобільні, швидко розгортаються і не вимагають наземної інфраструктури. Високі характеристики систем БПЛА, оснащених повноцінним автопілотом, знижують експлуатаційні витрати і вимоги до персоналу.