ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЁТА КОМПЛЕКСА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

++
+

И.В. Макаров

 

ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы – ГеоСервис»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

 

Рассматривается подход к имитационному моделированию полёта летательного аппарата для отработки программного обеспечения его автоматического пилотирования при разработке бортового комплекса управления беспилотного летательного аппарата. Представлен пример программно-аппаратной реализации подхода, а также результаты моделирования полёта.

 

Развитие элементной базы в последнем десятилетии, прежде всего в области микромеханических инерциальных датчиков определило бурное развитие по всему миру коммерческих комплексов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для задач дистанционного зондирования земли и наблюдения. В условиях не сформированного спроса и соответственно рынка на данные продукты развитие осуществляется по различным направлениям: в области эргономики, уменьшения массогабаритных характеристик, минимизация цены, совершенствование конструкции, совершенствование комплекса управления, повышение степени информационной автономности летательного аппарата. Последнее осуществляется за счёт совершенствования бортового комплекса управления (БКУ), прежде всего в области программного обеспечения.

 

Данная статья излагает подход к организации тестирования алгоритмов пилотирования в форме имитационного моделирования объекта управления – самолёта. Кроме этого освещаются вопросы оптимальной разработки программного обеспечения для БКУ.

 

При решении задачи разработки БПЛА с максимальной взлётной массой от 0.5 до 10 кг предъявляются жесткие требования к массогабаритным характеристикам БКУ. Этот факт требует информационной и аппаратной централизации максимально возможного числа функций в виде единого устройства на базе единого вычислителя: инерциальная навигационная система, спутниковая навигационная система, датчики давления, интерфейсы к исполнительным устройствам и полезной нагрузке. Интеграция подобной системы осуществляется на уровне программного обеспечения, поэтому при разработке необходим выбор структуры, позволяющей осуществить тестирование элементов ПО независимо друг от друга и при этом в лабораторных условиях.

Pic_1_Functional diagram of the UAV autopilot.png
   
Рисунок 1. Функциональная схема системы автопилотирования БПЛА

 

На рисунке 1 представлена схема функционирования системы автопилотирования в составе БКУ в штатных условиях. Элемент ПО, решающий навигационную задачу непрерывно опрашивает навигационные датчики и подсистемы (например, спутниковую навигационную систему (СНС). Результатом работы навигационного элемента системы формируется вектор решения, состоящий из линейных, угловых координат, а также скорости. В зависимости от реализации, в векторе навигационного решения могут присутствовать данные о воздушной скорости, барометрической высоте, линейных ускорениях и т.д. Программное обеспечение самолётовождения осуществляет интерпретацию полётного задания (например, маршрута) и формирует необходимые для его выполнения сигналы на исполнительные устройства.

 

При разработке программного обеспечения самолётовождения для бортового комплекса управления (БКУ) основной сложностью является его отладка. В общем случае она требует лётных испытаний и сопряжена с риском потери летательного аппарата в случае ошибок. Для сравнительно простых формализованных постановок полётного задания отказ разработчика от моделирования может быть оправданным. Однако, для сложных многорежимных автономных систем отсутствие возможностей имитировать рабочие условия для ПО самолётовождения может многократно увеличить технические и финансовые риски проекта.

 

С учётом требований по централизации бортового комплекса управления средства для имитации работы управляемого объекта должны закладываться в бортовом программном обеспечении. Задачи непосредственного моделирования полёта могут решаться как на базе бортового вычислителя, так и на базе внешней системы. В случае с внешней системой необходимо решать задачу передачи параметров моделирования. А для внутреннего вычислителя необходим определённый запас вычислительных ресурсов. С учётом требований по массогабаритным характеристикам, а также из соображений снижения цены и электропотребления предлагается использование внешних средств моделирования полёта летательного аппарата (рис. 2).

 

Предложенная структура тестирования накладывает требования при разработке бортового ПО. Наиболее оптимальным видится подход, в котором навигационные алгоритмы могут свободным образом замещаться с реальных на виртуальные, которые являются фактически поставщиками информации с внешней моделирующей машины. Одновременно с навигационным решателем требуется замещать или дополнять механизмы вывода сигналов управления.

 

Достоинством подобного моделирования можно отнести возможность штатного функционирования остальных элементов бортового комплекса, таких как полезная нагрузка или исполнительные устройства.


Pic_2_Functional diagram.png


Рисунок 2. Функциональная схема комплекса имитационного моделирования объекта управления для отработки программного обеспечения самолётовождения

 

Структура примера реализации предложенного подхода представлена на рисунке 3. В данном случае навигационное программное обеспечение работает в операционной системе реального времени в виде отдельного процесса в защищённом режиме. Штатный режим работы навигационного процесса предусматривает опрос навигационных датчиков и систем и получение решения для трансляции телеметрии и управления. Функции управления летательным аппаратом вынесены в отдельный процесс, большинство циклов которого работают синхронно с выдачей навигационного решения. Таким образом, управляющий процесс полностью абстрагирован от источника навигационных данных. Это позволяет навигационному процессу иметь возможность вместо реального решающего режима считывать данные с дополнительной системы, которая осуществляет моделирование. В данном случае это осуществляется через стек TCP\IP протоколов по технологическому каналу Ethernet блока автопилота.

 

Для вывода управляющих воздействий в процессе автоматического управления предусмотрена абстракция от конечных драйверов вывода сигналов на приводы. В данном примере два типа драйверов работают параллельно: штатный выводит сигналы в сервоприводы, а модельный транслирует требуемые относительные положения органов управления через протокол UDP в решающую систему.

 

Возможность штатной работы исполнительных устройств позволяет осуществлять наработку системы на отказ в целом в лабораторных условиях. При этом алгоритмы пилотирования остаются идентичными.


  Pic_3_Functional diagram.png 


Рисунок 3. Функциональная схема комплекса имитационного моделирования объекта управления для отработки программного обеспечения самолётовождения

 

Процесс автоматического управления и самолётовождения осуществляет стабилизацию летательного аппарата в зависимости от режима по крену, тангажу, скорости, высоте и курсу. В данном примере система реализована в виде каскада ПИД-регуляторов (рис. 4). Интерпретатор полётного задания в зависимости от географического положения аппарата задаёт требуемую высоту, курс и скорость. Регулирование высоты осуществляется за счёт изменения угла тангажа. Регулирование курса за счёт угла крена. Крен и тангаж регулируется в случае классической аэродинамической компоновки летательного аппарата элеронами и рулём высоты соответственно [1].

 

В качестве моделирующего программного обеспечения используется авиасимулятор с открытым исходным кодом FlightGear [2]. Данный программный продукт обладает графическим трёхмерным интерфейсом, а также развитым набором инструментов для подключения внешних устройств или решателей.

   

Pic_4_Functional diagram of the control system.png


Рисунок 4. Функциональная схема системы управления. Где каналы управления обозначены:

θ - курс;         Φ - угол крена; φ - угол тангажа; λ - широта; μ - долгота; σрв– угол отклонение руля высоты; σэ – угол отклонения элеронов; σд-требуемая тяга двигателя.

   

Pic_5.jpg

Рисунок 5. График переходных процессов при смене угла крена от 30 градусов к 0, -30 и обратно

   

Pic_6.jpg

Рисунок 6. График положения элеронов, соответствующий процессу регулирования

 

Рисунок 5,6. - График переходных процессов при смене угла крена от 30 градусов к 0, -30 и обратно, а также график положения элеронов, соответствующий процессу регулирования.

На рисунке 5 представлены результаты имитационного моделирования полёта в режиме стабилизации тангажа и крена, где периодически испытателем на вход регулятора выставляется типовое ступенчатое воздействие.

 

Рисунок 6 отражает положение элеронов для осуществления управления.

   Pic_7_Schedule height adjustment in the simulation of flight.jpg

Рисунок 7. График регулирования высоты в процессе имитации полёта

 

Рисунок 7 отражает работу имитационного комплекса в режиме стабилизации курса и высоты. Заданный курс остаётся постоянным, а на регулятор высоты подаётся ступенчатое воздействие.

   

Pic_8_Flight simulation result for a given closed rectangular route.jpg

Рисунок 8. Результат имитации полёта по заданному замкнутому прямоугольному маршруту

 

На рисунке 8 показана траектория прохождения заданного маршрута в режиме следования по линии заданного пути (с минимизаций отклонения от отрезка между поворотными пунктами маршрута). В данном примере отрабатывался алгоритм выполнения упреждающего поворота, то есть определения момента смены поворотного пункта маршрута. Рисунок 9 отражает угол крена в процессе следования по маршруту.

   

Pic_9_Schedule roll angle with respect to time in the simulation of flight on the closed route.jpg

Рисунок 9. График угла крена по времени в процессе имитации полёта по замкнутому маршруту

 

При использовании изложенного в статье подхода, для перехода от имитационного моделирования к лётным испытаниям разрабатываемых алгоритмов необходимо скорректировать только значения коэффициентов каскада ПИД-регуляторов. Это может быть выполнено как за счёт подбора этих коэффициентов экспериментальным путём (при подстраховке летательного аппарата в режиме ручного управления), так и на основании расчёта с учётом динамики летательного аппарата.

 

Представленный опыт имитационного моделирования позволил свести задачи лётных испытаний только к комплексной отработке работы всех систем и агрегатов при разработке комплекса беспилотного летательного аппарата для задач видеонаблюдения и мониторинга.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.         Макаров И.В. Кокорин В.И. Создание блока автопилота малого беспилотного летательного аппарата. //Современные проблемы радиоэлектроники : сб. науч. тр. / науч. ред. : А. И. Громыко, А. В. Сарафанов ; отв. за вып. : А. А. Левицкий. -Красноярск : ИПК СФУ, 2009. - 465 с. – С 56 – 59

2.         FlightGearFlightSimulator[электронный ресурс]: режим доступа

АДРЕС:

660025, Россия, г. Красноярск,
ул. Электриков, 156/1

номер телефона: +7 (391) 286-61-09