ОРГАНИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ СРЕДСТВ САМОДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ИЗДЕЛИЯ НА БАЗЕ УНИФИЦИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

++
+
И.В. Макаров


ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы – ГеоСервис»

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск


Развитие робототехнических систем воздушного базирования, а именно беспилотных летательных аппаратов тяжелее воздуха (БПЛА), движется в направлении усложнения системы правления в пользу повышения эксплуатационных характеристик. Работа БПЛА для ряда задач с успехом обеспечивается в полностью автоматизированном варианте, когда на всех этапах полёта решения принимаются бортовым комплексом управления (БКУ), оставляя для наземного комплекса управления (НКУ) функции постановки задачи и мониторинга её выполнения. Одним из наиболее очевидных типов работ для данной техники являются гражданские задачи аэрофотосъёмки, мониторинг различного типа, аэрогеофизика. При оздании комплекса БПЛА для этой ниши приходится учитывать следующие особенности:

  • высокий уровень конкуренции;
  • повышенные требования по эргономичности использования комплекса по причине отсутствия у потребителя навыка пилотирования;
  • высокие требования к ресурсу планера и комплекса в целом;
  • требуется минимизировать риск потери аппарата в полёте.

В отличие от комплексов для военных и специальных задач, где экономические показатели носят вторичный характер, гражданские комплексы должны быть повседневным инструментом, который приносит прибыль компании эксплантату.


Анализируя современные достижения техники БПЛА, можно утверждать, что для комплексов взлётной массой до 4 кг удаётся обеспечивать высокий уровень надёжности при минимальной цене. БКУ таких аппаратов представляет собой простейший автопилот в комплексе со стандартными сервоприводами. Данный класс БПЛА ограничен по времени полёта (60-90 минут) и массе полезной нагрузки (300-400г), что сужает выбор до компактной бытовой фотокамеры или тепловизора. Низкий уровень объектива, в следствие его малой массы резко снижает характеристики точности камеры, сводя круг возможного применения, в случае съёмки в оптическом диапазоне, к задачам мониторинга.


Транспортировка полезной нагрузки от 1 кг, в особенности, когда её стоимость соизмерима со стоимостью БПЛА требует, по опыту авторского коллектива, иного подхода в организации надёжности [1]:

  • использование помехо-защищённых интерфейсов для связи между автопилотом и внешними устройствами (рис.1); 
  • дублирование вычислительных средств (взлётная масса более 30кг);
  • дублирование средств навигационных измерений (взлётная масса более 30кг);
  • дублирование функций автоматического спасения;
  • предстартовая самодиагностика;
  • самодиагностика в полёте;
  • регулярный анализ телеметрии в том числе и для безаварийных полётов.


Pic1_Block diagram of the UAV DELTA-M.png

Рисунок 1. Структурная схема БПЛА DELTA-M


Кроме структурных и функциональных особенностей БКУ для обеспечения надёжности требуется иной подход в обеспечении качества при организации мелкосерийного производства.


При развитии технологии БПЛА взлётной массой 3-70 кг малыми предприятиями не всегда удаётся использовать в цикле автономных испытаний узлов и агрегатов климатические и вибрационные проверки из-за узкой специализации и дороговизне соответствующего оборудования. В итоге стойкость к внешним воздействиям приходится достигать на уровне проектирования, достигая требуемого уровня надёжности комплексными проверками в составе изделия в рамках наземных и лётных испытаний. Для обеспечения информативности испытаний необходимо осуществлять все измерения бортовыми средствами, без установки специального оборудования.Это накладывает требования к разработке приборов – элементов БКУ, согласно которым, требуется обеспечивать измерение наиболее показательных логических, электрических и электромеханических параметров работы прибора в составе комплекса. При современных достижениях микроэлектроники этот процесс не является затратным ни с точки зрения стоимости комплектующих, ни с точки зрения массогабаритных характеристик. Можно отметить только возрастание сложности разработки программного обеспечения соответствующих микроконтроллеров.


Большой объём формируемых телеметрических параметров позволяет по мере набора статистики формировать алгоритмы автоматической реакции на те или иные события, связанные с неисправностями, не штатными режимами работы приборов или комплекса в целом. Таким образом, определение подхода к организации процесса сбора и анализа телеметрии, а также решение соответствующих технических задач является одним из наиболее актуальных вопросов при создании робототехнической техники воздушного базирования.


Увеличивающийся в процессе разработки объём наблюдаемых параметров приводит к усложнению программного обеспечения и, как следствие, снижению его надёжности. Достижение требуемого качества возможно за счёт минимизации количества программных интерфейсов к функциональности сбора телеметрии. Данный вопрос перестаёт быть тривиальным, когда возрастает количество приборов, которые обслуживает центральный вычислитель, в частности при усложнении БКУ при реализации БПЛА взлётной массой более 50кг (рис. 2).


Pic2_Block diagram of the UAV GAMMA.png


Рисунок 2. Структурная схема БПЛА GAMMA

   

В своём подходе к созданию БКУ БПЛА авторский коллектив сориентировался на единый мультиплексный синхронный протокол, который был внедрён во все периферийные бортовые устройства: блок управления питанием, сервопривод, радиомодем (технологический стык), полезная нагрузка (канал управления). В составе блока автопилота (АП), который находится под управлением QNX Neutrino, этот протокол обслуживается отдельным программным процессом – исполняемым модулем взаимодействия с периферийными устройствами (МВПУ).


В качестве программного интерфейса внутри системы используется традиционный для *nix систем тип – администратор ресурса, где межпроцессное взаимодействие осуществляется через обращение к файлу стандартными вызовами открытия, чтения, записи, конфигурирования, закрытия (функции библиотеки Си open, read, write, devctl, closeсоответственно). МВПУ регистрирует в системе файлы, обращения к которым обслуживаются как обращение к адресу соответствующего заранее предопределённого устройства на шине. Программное обращение к файлам МВПУ осуществляется POSIXстандартизованным вызовом devctl(), который имеет синхронную логику взаимодействия в соответствие протоколу. Вызов характеризуется командой и отправляемыми или принимаемыми данными.


Аналогичный тип вызова (devctl) реализует сбор данных, настройку и управления с остальных модулей АП: модуль навигационных измерений (МНИ), модуль управления БПЛА (МУБ), модуль связи (МС), модуль полезной нагрузки (МПН), модуль аппаратного состояния (МАС). Таким образом, на уровне системы был сформирован единый механизм синхронного доступа к данным измерений, как внешних приборов, так и внутренних программных процессов блока АП.

Единая логика запросов данных привела к созданию отдельной библиотеки, которая автоматически осуществляет необходимые запросы через модули системы [2]. Разработчик, одновременно с развитием системы, поддерживает в актуальном состоянии файл реестра параметров системы (РПС), который определяет структуры всей совокупности кадров данных с программных модулей и внешних проборов, а также правила доступа к ним. Испытатель или пользователь экспериментальной системы для формирования целевого телеметрического кадра (ЦТК) формирует перечень параметров, которые необходимы для анализа конкретной функциональности. На основании сформированного запроса, библиотека автоматически осуществляет чтение соответствующих кадров РПС и из избранных параметров внутри кадров сериализует целевой пакет телеметрической информации. Целевой пакет (кадр) формируется в текстовом, либо в бинарном виде для последующего сохранения в энергонезависимой памяти или отправки по радиоканалу, IPсети [3].

В качестве примера предлагается перечень параметров, регистрируемых в составе комплекса DELTA-M, разработки авторского коллектива, который представлен в таблице 1.


В процессе испытаний и отработки перечисленные параметры протоколируются в энергонезависимую память, по командно-телеметрической радиолинии передаются только данные необходимые для обеспечения контроля выполнения задачи.

Выполнение экспериментальных задач, квалификация программного обеспечения при его развитии требует регулярного изменения состава наблюдаемых параметров системы. Используемый подход позволяет с меньшими затратами осуществлять процесс расширения без риска снижения надёжности программного обеспечения.


По мере развития технологии и увеличения налёта возникают сложности при обработке большого числа данных из-за ограниченности трудовых ресурсов. В то время как для непрерывного совершенствования комплекса управления БПЛА необходим регулярный анализ параметров эксплуатации вне зависимости от того, кто эксплуатирует беспилотную авиационную систему (БАС): разработчик или конечный потребитель. Возникает актуальность автоматизации как процессов формирования телеметрических данных, так и их централизованного формирования и доставки.


Таблица 1. Перечень телеметрических параметров БПЛА DELTA-M

Тип регистрируемых параметров

Тип источника данных для параметра

Напряжение питания от аккумуляторных батарей (АКБ) с номерами 1 и 2

Устройства управления питанием АКБ 1 и 2.
(через МВПУ)

Распределение напряжений между элементами каждой АКБ

Ток потребления приборами БКУ

Ток потребления маршевым электродвигателем по каждой АКБ

Объём свободной оперативной памяти

АЦП блока автопилота и программные средства операционной системы.
(через МАС)

Объём свободной энергонезависимой памяти с файловой системой

Средняя загрузка процессора в течении 5 секунд, 1 минуты, 10 минут.

Параметры жизнеобеспечения вычислителя автопилота: температура, измерения питающей линейки напряжений

Количество принятых и отправленных пакетов по командно-телеметрической радиолинии (КТР)

Модуль радиосвязи (МС)

Количество ошибок при приёме данных по КТР

Тип ошибок и количество ошибок каждого типа при взаимодействии между автопилотом и периферийными устройствами

Модуль взаимодействия с периферийными устройствами (МВПУ)

Первичные навигационные измерения инерциальных датчиков, датчиков системы воздушных сигналов

Модуль навигационных измерений (МНИ)

Навигационное решение инерциальной навигационной системы, спутниковой навигационной системы, системы воздушных сигналов

Характеристики точности спутникового навигационного приёмника

Количество полученных снимков с фотокамеры

Модуль полезной нагрузки (МПН)

Фактическая ориентация опорно-поворотного устройства

Период получения решения САУ

Модуль навигационного и пилотажного уровней управления (МУБ)

Значения входов регуляторов

Значения выходов регуляторов

Невязка позиционирования сервопривода

Специализированный сервопривод.
(через МВПУ)

Напряжение питания сервопривода


Для решения данной задачи авторским коллективом был задействованы ресурсы командно-телеметрической радиолинии, а также стыков Ethernet, которыми обладает и бортовой и наземный комплексы управления (рис. 3).

БКУ осуществляет автоматическое протоколирование в энергонезависимую память автопилота всех требуемых дежурных параметров, перечень которых определяет разработчик, исходя из решаемых задач. Данные хранятся в виде файлов в привязке к дате и времени начала протоколирования. Средствами IPсети данные доставляются либо при стыковке БПЛА к сети (наиболее удобный вариант для разработчика), либо с промежуточной передачей протокола прошлого вылета от БКУ к НКУ в процессе подготовки к взлёту (наиболее приемлемо для потребителя БПЛА).


Pic3_Functional diagram of the data collection and subsequent analysis of the UAV.png


Рисунок 3. Функциональная схема сбора данных с БПЛА и последующего анализа.

   

Автоматизированное рабочее место (АРМ) аналитика телеметрии осуществляет подключение к серверу с базой данных и осуществляет работу с накопленными данными, которые привязаны к заводским серийным номерам изделий БПЛА. Задачей аналитика становится выявление количественных и качественных критериев возникновения того или иного события с последующим формированием базы знаний экспертной системы, целью создания которой является сокращение затрат на обработку данных.

Решение задач системного анализа регулярно получаемых данных и развитие базы знаний в перспективе позволит определять автоматически:

  • общий налёт системы, наступление периода технического обслуживания;
  • возникновение неисправностей приборов, их частоту, регулярность, продолжительность;
  • насколько корректно эксплуатируется БПЛА, соблюдается ли инструкция по эксплуатации;
  • износ двигательной установки;
  • износ аккумуляторных батарей;
  • износ планера;
  • несовершенство программного обеспечения;
  • низкое качество работы системы автоматического управления в особых условиях.

В процессе решения поставленной задачи возникает вопрос о принципах формирования базы знаний. На текущем этапе развития системы приоритетом для мониторинга является безопасность эксплуатации. Рассмотрим наиболее сложный этап полёта БПЛА – взлёт, на примере DELTA-M.

БПЛА DELTA-Mимеет аэродинамическую схему «бесхвостка» и осуществляет взлёт с катапульты. Алгоритм взлёта выглядит следующим образом:


1. Ожидание взлёта по сравнению с пороговыми значениями ускорения по оси X связанной системы координат, а также приборной скорости `V_a`,начало взлёта – момент времени `t_s`).

2. Мощность двигателя 100%, регулирование положения по крену – 0° по тангажу –24°.

3. Ожидание набора крейсерской скорости и истечения 3 секунд с момента начала взлёта.

4. Начало регулирования приборной скорости.

5. Ожидание набора минимальной высоты.

6. Окончание взлёта (момент времени `t_f`), переход к выполнению полётного задания.


Таблица 2. Перечень интегральных диагностических параметров взлёта БПЛА DELTA-M


Описание
Обозна-
чение
Начало регистра-
ции
Окончание регистра-
ции
Алгоритм вычисления

1

2

3

4

5

6

1
Интеграл модуля ошибки регулятора крена `ξ_φ`
`t_s`
`t_s+Deltat_I` <здесь алгоритм вычисления интеграла модуля ошибки регулятора крена>
2
Интеграл модуля ошибки регулятора тангажа  `ξ_θ`
`t_s`
`t_s+Deltat_I`
<здесь алгоритм вычисления интеграла модуля ошибки регулятора тангажа>

3


Скорость ЛА после схода с катапульты `V_{as}`
`t_s`
-
Vas=Va(ts)
4
Задержка выхода двигателя на взлётный режим `Deltat_m`
`Deltat_m`
`t_s+Deltat_{II}`
Δtm для которого
Pm(t0+Δtm)
= max Pm(t)
t0≤t≤t0+ΔtII
5
Оценка ошибки позиционирования по ГНСС (среднеквадратическое отклонение) `σ_G^max`
`t_s`
`t_f`
σmaxG = max >σG(t)
t0≤t≤t1
6
Время набора минимальной высоты `Deltat_{взл}`
`t_s`
`t_f`
Δtвзл = tf-ts
7
Уровень балансировочного сигнала элевонов по тангажу `μ_θ`
`t_f-Deltat_{III}`
`t_f`
<здесь алгоритм вычисления уровня балансировочного сигнала элевонов по тангажу>
8
Уровень балансировочного сигнала элевонов по крену `μ_φ`
`t_f-σt_{III}`
`t_f`
<здесь алгоритм вычисления уровня балансировочного сигнала элевонов по крену>
9

Максимальная потребляемая мощность  `P_m^max`
`t_s`
`t_f`
Pmaxm = max Pm(t)
t0≤t≤t1
10
Суммарная работа `A_{взл}`
`t_s`
`t_f`
<здесь алгоритм вычисления суммарной работы>
11
Максимальная просадка напряжения аккумуляторных батарей при выходе двигателя на взлётный режим `DeltaU_{взл}`
`t_s`
`t_f`
ΔUвзл = max |Ub(t0) - Ub(t)|
t0≤t≤t1

`t_s` – сход с катапульты.

`t_f` – окончание взлёта.

`Deltat_{I}` – стартовый интервал времени, равен 10 с.

`Deltat_{II}` – интервал времени между сходом с катапульты и началом регулирования скорости, равен 3 с.

`t_s+Deltat_{III}` – интервал времени регистрации балансировочного угла, равен 10 с.


В таблице 2 приведён разработанный перечень интегральных диагностических параметров, которые оценивают отдельные аспекты безопасности взлёта, приводятся алгоритмы их вычисления по соответствующему фрагменту телеметрии.


Общий алгоритм оценки сводится к следующим действиям:

  • определение времени начала взлёта `t_s` по системному протоколу;
  • определение времени окончания взлёта `t_f` по системному протоколу;
  • расчёт выявленных параметров согласно сформированным алгоритмам в сформулированном фрагменте общей выборки телеметрии;
  • применение к рассчитанным значениям параметров методов классификации.


На начальном этапе исследования ставится задача сформулировать алгоритмы классификации данных для следующих ситуаций: 

  • взлёт не безопасен;
  • взлёт полностью безопасен;
  • взлёт выполнен с нарушением инструкции:
  • неверно выбрано направление для взлёта;
  • батареи заряжены не полностью;
  • батареи заряжены не равномерно;
  • аккумуляторные батареи имеют критический уровень износа;
  • планер имеет потенциально опасные дефекты.

В текущем представлении и постановке были сформулированы диапазоны допустимых значений интегральных диагностических параметров (таблица 3), выход за пределы которых автоматически свидетельствует о принадлежности взлёта к классу «не безопасен».


Таблица 3. Характеристика безопасности интегральных диагностических параметров

Обозначение

Что характе-

ризует

Идеальное значение

Допустимое значение

Критическое значение

1
`ξ_φ`
Качество переходного процесса
регулирования по крену, косвенно отражает
степень износа сервоприводов, уровень
люфта приводов

15°

30°

2
`ξ_θ`
Качество переходного процесса
регулирования по тангажу

15°

30°

3
`V_{as}`
Корректность работы катапульты,
сообщённую кинетическую энергию,
правильность выбора направления взлёта
относительно ветра

22 м/с

18 м/с

16 м/с

4
`Deltat_m`
Исправность двигательной установки

0

1,5с

5
`σ_G^max`
Исправность оборудования спутниковой навигации в условиях стартовой перегрузки

0

8 м

20 м

6
`Deltat_{взл}`
Интегрально отражает соответствие взлётной
конфигурации сформированной при
изготовлении

TBD

TBD

TBD

7
`μ_θ`
Погрешность формовки, монтажа, настройки
угла установки элевонов по тангажу, а также
поперечной центровки планера

0

±20%

±60%

8
`μ_φ`
Погрешность формовки, монтажа, настройки
угла установки элевонов по тангажу, а также
продольной центровки планера

0

±10%

±20%

9
`P_m^max`
Отражает соответствие сопротивления
обмоток двигателя, регулятора, их КПД
заложенным при изготовлении.

1,5 кВт

1,5±0,2 кВт

1,5±0,4 кВт

10
`A_{взл}`
Отражает аэродинамическое качество
планера по сравнению с исходным после
изготовления, отражает уровень воздействия
атмосферы на взлёт

TBD

TBD

TBD

11
`DeltaU_{взл}`
Отражает степень износа аккумуляторных
батарей, их исправность.

0,5В

0,8В

2,5В


  TBD – значения, которые будут определены в по результатам дальнейшего исследования.

Предстоит проведение дополнительных исследований с имеющимися экспериментальными данными для выявления потенциальных проблем и замечаний по безопасности согласно поставленной задаче.

Сформулированный в статье комплексный подход к сбору и анализу телеметрической информации предназначен для своевременной выработки причинно-следственных связей в программных и аппаратных сбоях и замечаниях, как элементов комплекса, так и всей системы в целом. Получаемое в данном процессе знание необходимо для реализации алгоритмов автоматической диагностики в реальном времени и последующего принятия адекватных мер по нивелированию отказа, его устранению, либо автоматическому спасению системы. В процессе разработки и экспериментально отработки систем БПЛА принципиально важным вопросом становится повышение производительности труда разработчика, которое возможно в опоре на современные методы системного анализа и доступные информационные технологии.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.            Макаров И.В. Кокорин В.И. Комплекс управления беспилотными летательными аппаратами для дистанционного зондирования Земли. //Современные проблемы радиоэлектроники : сб. науч. тр. / под ред.. : А. И. Громыко, Г.С. Патрина; отв. за вып. А. А. Левицкий; Сиб. Федер. ун-т –Красноярск, 2010. - 424 с. – С 6 – 10.

2.            Makarov I, Flexible Telemetry Parameters Management System for Research and Development of Unmanned Platforms, Control and Communications (SIBCON), 2011 International Siberian Conference IEEE, p. 152-154.

3.            Макаров И.В. Оценка пропускной способности системы связи беспилотного летательного аппарата для решения задач управления. // Радиотехника. Вып. 4 2013г. С. 40–45.
АДРЕС:

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

номер телефона: +7 (391) 286-61-09