Исследование и разработка метода моделирования посадки вертолета в сложных погодных условиях на палубу корабля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Офицеров, Петр Леонидович

• Офицеров, Петр Леонидович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Офицеров, Петр Леонидович

Введение

Глава 1 Анализ математических и компьютерных методов и моделей динамики полета вертолета

1.1 Методы и модели пилотирования вертолета

1.2 Спутниковые навигационные системы

1.3 Радиолокационные системы

1.4 Радиотехнические системы

1.5 Оптические системы

1.6 Акустические системы

1.7 Радиоакустические системы

1.8 Бортовое навигационное и пилотажное оборудование вертолетов

1.9 Перспективные разработки систем посадки вертолета

1.10 Выводы

Глава 2 Математический метод полета и посадки вертолета на палубу корабля

2.1 Атмосферные условия

2.2 Движение и качка корабля

2.3 Описание метода

2.3.1 Посадка вертолета из точки зависания

2.3.2 Движение вертолета по глиссаде снижения

2.3.3 Полет вертолета на эшелоне

2.3.4 Прогнозирование и корректировка полета вертолета

2.3.5 Определение безопасности посадки

2.4 Выводы

Глава 3 Компьютерная модель посадки вертолета на палубу корабля

3.1 Описание модели

3.2 Математические функции и алгоритмы решения модели

3.3 Визуализация модели

3.4 Выводы

Глава 4 Экспериментальная проверка разработанного метода посадки 119 вертолета

4.1 Методика проведения эксперимента

4.2 Пример одного решения компьютерной модели

4.3 Сравнение функций предложенного метода с функциями су- 126 ществующих методов

4.4 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка метода моделирования посадки вертолета в сложных погодных условиях на палубу корабля»

Использование вертолетной техники для решения различных задач морских судов является весьма целесообразным. Такими задачами могут быть: разведка погоды, поиск и спасание людей, перевозка грузов и людей с одного судна на другое, поиск рыбных косяков и морских животных и другие.

Особенностью вертолетной техники является относительно небольшой радиус действия, что приводит к необходимости обеспечения надежной посадки на палубу корабля в любых погодных условиях, которые на больших морских просторах могут резко меняться.

Посадочные площадки для вертолетов, как правило, небольших размеров и чем меньше судно, тем больше оно подвержено бортовой и килевой качке, что осложняет посадку вертолета. Сильный меняющийся по скорости и направлению ветер, сложные условия видимости, туман, дождь, снегопад, грозовые разряды, недостаточный обзор нижней полусферы из- кабины вертолета создают проблемы экипажу вертолета при посадке.

Компьютерное моделирование и управление все больше внедряется во многие области деятельности человека, в том числе, решает ряд важнейших задач по управлению авиационной техникой.

Теория динамики полета вертолета весьма сложна, и не всегда можно получить необходимые математические решения для моделирования динамики полета вертолета. Известны современные теоретические труды таких ученых как Володко A.M., Брамвелла А.Р.С., Михеева Р.А., Берестова JI.M., Бравермана А.С. и др.

В последнее время начинает активно развиваться легкая и сверхлегкая авиация различных типов летательных аппаратов, таких как самолеты, вертолеты, автожиры, летающие площадки и тарелки. Обеспечение их навигационным оборудованием и системами контроля окружающего воздушного пространства, взлетом и посадкой, создание автоматических компьютерных систем управления является весьма актуальным.

Несмотря на имеющиеся достижения, остается актуальной задача исследования возможностей посадки вертолета в сложных погодных условиях на ограниченные площадки и на палубу корабля. Существующие средства автоматизации управления вертолетом и особенно посадкой не решают полностью эти проблемы.

Экипажу вертолета необходимо предоставить компьютерные средства с визуализацией необходимых символьных и графических данных для прогнозирования и принятия решений в ходе посадки, как в автоматизированном, так и в ручном способе посадки.

Целью работы является повышение безопасности посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях путем создания эффективного компьютерного моделирования и средств автоматизированной посадки. Эта цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализ методов и моделей динамики полета и посадки вертолета.

2. Исследование и разработка математического метода моделирования посадки вертолета на палубу корабля.

3. Исследование и разработка компьютерной модели посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях.

4. Разработка алгоритмов решения и визуализации компьютерной модели посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях.

5. Экспериментальная проверка разработанного метода и сравнение с существующими методами.

Новыми научными результатами являются:

- новый метод комплексного использования средств определения местоположения и ориентации вертолета относительно вертолетной палубной посадочной площадки корабля;

- новый подход к математическому описанию модели посадки вертолета на палубу корабля с учетом сложных погодных условий, типов корабля и вертолета;

- предложение использования из точки зависания радиоакустических локаторов, которые обеспечивают точность и помехоустойчивостью измерений и дают необходимые результаты при полной отсутствии видимости;

- результаты исследования процессов полета и управления вертолетом, положение вертолета относительно посадочной палубы корабля при выполнении посадки, обеспечивающие создание методик визуального управления вертолетом в сложных погодных условиях при движении корабля.

Результаты исследований и разработок докладывались на 4 научных конференциях, семинарах и совещаниях.

Результаты диссертационной работы использованы:

- в ЗАО «НИИ Проблем Автоматизации» при разработке специального методического и программного обеспечения при создании локаторов 3 см диапазона и оптических локаторов диапазонов 1,06, 1,56 мкм комплексов для измерения отражающих характеристик морских объектов;

- в ОАО НЛП «Конверсия» в НИОКР С-24 МЭ при моделировании процессов распознавания кораблей;

- в учебном процессе кафедры «Инженерной машинной графики» Санкт-Петербургского ГУТ при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине компьютерная графика.

Практическая ценность работы. Математический аппарат моделирования посадки позволяет моделировать процесс посадки для различных типов вертолетов и кораблей и создавать системы автоматической или автоматизированной посадки с визуальным контролем. Результаты исследования процессов полета и управления вертолетом, положения вертолета относительно палубы корабля при выполнении посадки являются основой для создания методик пространственного управления вертолетом в сложных погодных условиях при движении корабля.

Основные положения, выносимые на защиту: результаты анализа математических и компьютерных методов и моделей динамики полета вертолета;

- математический метод движения и посадки вертолета на палубу корабля;

- компьютерная модель посадки вертолета на палубу корабля;

- алгоритм посадки вертолета с использованием радиоакустических локаторов;

- алгоритмы визуализации при посадке вертолета;

- результаты проверки и сравнения разработанного и известных методов.

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, 4 из них - в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований, и двух приложений. Работа изложена на 137 страницах текста, в т.ч. 35 рисунков; объем приложения составляет 26 страниц.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Офицеров, Петр Леонидович

4.4 Выводы

Экспериментальная компьютерная проверка разработанного метода, компьютерной модели, алгоритмов и программ показала их работоспособность и возможность их использования для разработки эффективных систем посадки вертолетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований и разработок получены следующие научные и практические результаты:

1. Проведен анализ существующих математических и компьютерных методов и моделей динамики полета, управления и посадки вертолетов на палубу корабля.

2. Показана необходимость создания более точных математических методов и компьютерных моделей, повышающих безопасность посадки вертолета на качающуюся палубу корабля в сложных погодных условиях.

3. Для исследований и разработок предложен комплексный метод средств навигации для посадки вертолета на качающуюся палубу двигающегося корабля в сложных погодных условиях.

4. Разработаны компьютерная модель и алгоритмы ее обработки для решения задач навигации, посадки вертолета на двигающуюся и качающуюся палубу корабля и средства визуализации посадки для экипажа вертолета и диспетчера корабля.

5. Разработанные средства обладают новизной и достаточны для экспериментальных проверок предложенного метода.

6. Разработана методика проведения экспериментальной проверки и сравнения разработанного метода и алгоритмов с другими методами.

7. Экспериментальная проверка показала, что предложенный метод, модель и алгоритмы повышают безопасность посадки вертолета по сравнению с существующими средствами посадки вертолета на палубу корабля.

8. Предложены пути дальнейшего развития полученных, теоретических и практических результатов:

- исследование эффекта влияния условий горной местности на посадку вертолета на ограниченные и наклонные площадки;

- разработка систем посадки вертолета на временно оборудованные площадки в горной местности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Офицеров, Петр Леонидович, 2010 год

1. Есаулов С.Ю., Бахов О.П., Дмитриев И.С. Вертолет как объект управления. М.: Машиностроение, 1977. 191 с.

2. Акимов А.И., Берестов Л.М., Михеев Р.А. Летные испытания вертолетов. М.: Машиностроение, 1980. 399 с.

3. Володько A.M. Основы летной эксплуатации вертолетов. Аэродинамика. М.: Транспорт, 1984. 256 с.

4. Кудрявцев Я.Я., Михальцов А.И., Цымбельман И.Р. и др. Вертолетовожде-ние. М., Воениздат, 1986.

5. Джонсон У. Теория вертолета. М.: Мир, 1983, 1021 с.

6. Баскин В.Э., Вильдгрубе Л.С., Вождаев Е.С., Майкопар Г.И. Теория несущего винта / Под ред. Мартынова А.К. М.: Машиностроение, 1973. 363 с.

7. Кеба И.В. Летная эксплуатация вертолетных газотурбинных двигателей. М.: Транспорт, 1976, 279 с.

8. Володько A.M. Эксплуатация самолетов и вертолетов в усложненных природных условиях. М.: Транспорт, 1981, 157 с.

9. Лалетин К.Н., Артамонов Л.Т. Практическая аэродинамика вертолета Ми-6А. М.: Транспорт, 1980, 165 с.

10. Ромасевич В.Ф., Самойлов Г.А. Практическая аэродинамика вертолетов. М.: Воениздат, 1980, 383 с.

11. П.Безручко В.Н., Кудрявцев Я.Я., Гуденко В.В. и др. Радиоэлектронное оборудование вертолетов. М., Воениздат, 1978.

12. Тыртычко А.С., Точилов Н.Н., Ногас М.М. и др. Авиационное оборудование вертолетов. М., Воениздат, 1981.

13. Кожевников В.А. Автоматическая стабилизация вертолетов. М.: Машиностроение, 1978. 151 с.

14. Техническое описание и инструкция по эксплуатации автопилота АП-34Б.

15. Берестов A.M. Моделирование динамики вертолета в полете. М.: Машиностроение, 1978. 157 с.

16. Браверман А.С., Перлштейн Д.М., Лаписова С.В. Балансировка одновинтового вертолета. М.: Машиностроение, 1975, 175 с.

17. Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов. М.: Машиностроение, 1982, 367 с.

18. Вертолеты. Кн. 1.Аэродинамика / Под ред. М. Л. Миля. М.: Машиностроение, 1978, 423 с.

19. Володько A.M. Динамические свойства несущего винта на режимах горизонтального полета вертолетов. Тр.ЦАГИ, вып.2081, 1980, с. 1—33.

20. Володько A.M. Безопасность полетов вертолетов. М.: Транспорт, 1981, 223 с.

21. Браверман А.С., Вайнтруб А.П. Динамика вертолета. Предельные режимы полета. М.: Машиностроение, 1988. 280 е.: ил.

22. Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов. М.: Машиностроение, 1982. 367 с.

23. Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Аэродинамика самолета. Динамика продольного и бокового движений. М.: Машиностроение, 1979. 349 с.

24. Вильдгрубе Л.С. Вертолеты. Расчет интегральных аэродинамических характеристики летных данных. М.: Машиностроение, 1977. 151 с.

25. Володко A.M. Безопасность полетов вертолетов. М.: Транспорт, 1981. 223 с.

26. Володко A.M. Основы летной эксплуатации вертолетов. Динамика полета. М.: Транспорт, 1986, 263 с.

27. Дмитриев И.С., Есаулов С.Ю. Системы управления одновинтовых вертоле-тов.М.: Машиностроение, 1969. 218 с.

28. Белоцерковский С.М., Васин В.А., Локтев Б.Е. К математическому нелинейному моделированию нестационарного обтекания несущего винта. Докл. АН СССР. 1978. Т. 240, №6, 4 -9.

29. Браверман А.С., Перлштейн Д.М., Лаписова С.В. Балансировка одновинтового вертолета. М.: Машиностроение, 1975. 175 с.

30. Браверман А.С. Приближенный метод расчета индуктивных взаимовлияний несущих элементов вертолета. Тр. ЦАГИ, 1977. Вып. 1826. 17 с.

31. Браверман А.С. Новая классификация вертолетов по безопасности полета при отказе одного двигателя. // Сб. тр. научных чтений, посвященных памяти академика Б.Н. Юрьева. Секция конструкции вертолетов. М.: АН СССР 1986. с. 137- 145.

32. Котик М.Г., Филлипов В.В. Полет на предельных режимах. М.: Воениз-дат. 1977.239 с

33. Летников В.Б. Влияние конструктивных параметров на нижнюю границу опасной зоны вертолета при отказе одного двигателя II Тр. МАИ, 1981: Проблемы конструирования современных вертолетов, 66 с.

34. Миль М.Л. и др. Вертолеты. Расчет и проектирование / М.Л. Миль, А.В. Некрасов, А.С. Браверман, Л.Н. Гродко, М.А. М.: Машиностроение, 1966. 455 с.

35. Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.; Машиностроение, 1984. 280 с.

36. Ромасевич В.Ф., Самойлов Г.А. Практическая аэродинамика вертолета. М.: Воениздат, 1980. 384 с

37. Тищенко М.Н., Некрасов А.В., Радин А.С. Вертолеты. Выбор параметров при проектировании. М.: Машиностроение, 1976- 366 с.

38. Шайдаков В.И. Дисковая вихревая теория несущего винта с постоянной нагрузкой по диску. Проектирование вертолетов. // Тр. МАИ, 1976. Вып. 381. С. 57-69

39. Шайдаков В.И. Обобщенная дисковая вихревая теория и методы расчета индуктивных скоростей несущего винта вертолета. Проектирование вертолетов. // Тр. МАИ, 1977. Вып. 406. 15 с.

40. Факторович И.О. Динамика переходных режимов вертолета. // Тр. ЦАГИ, 1976. Вып. 1757.31 с.

41. Экспериментальные исследования по аэродинамике вертолета. / Под ред. А.К. Мартынова. М.: Машиностроение, 1980. 239 с.

42. Браверман А.С, Вайнтруб А.П. Динамика вертолета. Предельные режимы. М.: Машиностроение, 1988. 280 с.43.0стославскийИ.В. Аэродинамика самолета.-М.: Оборонгиз, 1957.-556 с.

43. Джонсон У. Теория вертолета. М.: Мир, 1983.-Кн.1,- 502 с.

44. Зозуля В.Б., Лалетин К.Н., Гученко Н.И. Практическая аэродинамика вертолета Ми-2. М.: Воздушный транспорт, 1984. 175 с.

45. Стрэтт Дж. В. Теория звука, т. 2 пер с анг. ОГИЗ. М., Л.: Государственное изд-во технико-теоретической литературы, 1944.

46. Крылов А.А. Радиоакустический дальномер для бортовых системсверхближней навигации // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб,2004. № 169. С. 55-59.

47. Global Positional System. Theory and Practice / B. Hofman-Wellenhof, H. Lichenegger, J. Cjllins. Wien, New York: Springer-Verlag, 1992.

48. Крылов A.A., Гаврилов С.Ф., Дегтярев B.M. Измерение слабых приповерхностных течений с помощью радиоакустической системы // Вычислительная техника, автоматика, радиоэлектроника. Труды СПбГПУ / СПбГПУ. СПб, 2006. № 499. С. 99-104.

49. Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / М.: Радиотехника, 2003.

50. Ефимов А.П., Никонов А.В., Сапожников М.А., Шоров В.И. Акустика. Справочник / М.: Радио и связь, 1989.

51. Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике / М.: Наука, 1989.

52. Общее справочное руководство по GPS съемке. Trimble Navigation Limited Surveying, 1994.

53. Bernd Eissfeller, Christian Tiberius, Thomas Pany, Gunter Heinrichs. Режим кинематики реального времени в свете модернизации системы GPS и использования Galileo // Galileo's World, октябрь 2002, пер. с англ./ М.: Навгеоком, 2003.

54. Удачин B.C., Шереметьев Ю.Н. Навигационные знаки и огни, судовая сигнализация. Справочное пособие. М.: Транспорт, 1993.

55. Справочник по технической акустике. Пер. с нем. JL: Судостроение, 1980.

56. Мироновский JI.A. Инварианты математических моделей. Текст Лекций,1991 г . В Интернете. http://k44.artspb.com/lab2209/demoflnvariants 91 .doc.

57. Кожевников В.А. Автоматизация. М.: Машиностроение, 1977, 151 с.

58. Маков Ю. Л. Качка судов. Учебное пособие. Издательство КГТУ, Калининград, 2007.

59. Справочник по управлению кораблем. Под общей редакцией А. А. Александрова. Воениздат МО СССР. М., 1974

60. Дегтярев В.М., Офицеров П.Л. Комплексное использование радиолокационных и других средств для посадки вертолетов на палубу корабля. //Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника (РЛТ), Выпуск 1,2010. стр. 28-35

61. Офицеров П.Л. Математическая модель посадки вертолета на палубу корабля. // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2009. № 181. стр. 5862

62. CAR STD 1Н Civil Aviation Requirements Synthetic Training Devices Helicopters. 2005. 153 c.

63. Новые тенденции в развитии авиационных тренажеров // Авиастроение.

64. Экспресс-информация. М.: ВИНИТИ, 1989. №42. С. 1-4.

65. Вертолеты. Расчет и проектирование/ M.JI. Миль, А.В. Некрасов, А.С. Браверман и др. М.: Машиностроение, 1966. 151 с.

66. Теория несущего винта / В.Э. Баскин, JI.C. Вильдгрубе, Е.С. Вождаев, Г.И. Майкапар / Под ред. А.К. Мартынова. М.: Машиностроение, 1973. 364 с.

67. Руководство по критериям квалификационной оценки пилотажных тренажеров. Doc 9625 AN/938. ИКАО. 1995. 205 с.

68. Бюшгенс Г.С., Студнев Р.В. Динамика продольного движения. М.: Машиностроение, 1979. 352 с.

69. Гурман В.И. Принцип расширения в задачах управления. М.: Наука, 1985.

70. Гурман В.И., Никифорова JI.H. и др. Новые методы улучшения управляемых процессов. Новосибирск: Наука, 1987

71. Красовский Н.Н. Теория управления движения. М.: Наука, 1968.

72. Батеико А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов.1. М.: Сов. Радио, 1977.

73. Крутъко П.Д. Обратные задачи динамики управляемых систем: нелинейные модели. М; Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988.

74. Лукомский В.А., Чугунов B.C. Системы управления морскими подвижными объектами: Учебник. Л.: Судостроение, 1988. 272 е., ил.

75. Красовский А.А. Аналитическое конструирование контуров управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1969

76. Дегтярев Ю.И. Методы оптимизации: Учебное пособие для вузов. М.: Сов. Радио, 1980. 272 с.

77. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. М., Наука. 1967г., 268 стр. с илл.

78. Козелецкий Ю. Психологическая теория решений. М., Прогресс, 1979. 504 с.

79. Н.Н.Голованов. Геометрическое моделирование. М. : Издательство физикоматематической литературы, 2002. стр. 472 с.

80. Колесников В.Г., Димент Л.И. Моделирование и пересечение поверхностей : учебное пособие . СПбГТУ, 1997.

81. Тарасова Т.С., Методы формирования сложных алгебраических поверхностей и их раскраска. СПб : Труды учебных заведений связи / СПбГУТ, 2005 г., № 172, стр. 107-111.

82. Круглинской Д., Уингоу С., Шеферд Дж. Программирование на Microsoft Visual С++ 6.0 для профессионалов. СПб : Питер, 2001 г.

83. Крылов И.П., Дегтярев В.М., Библиотека алгебраических поверхностей, используемая для передачи геометрических образов по каналам связи., СПб : Труды учебных заведений связи / СПбГУТ, 2003 г., № 169, стр. 70-81.

84. Томпсон Н. Секреты програмирования трехмерной графики для windows 95 Санкт-Петербург : издательство Питер, 1997 г.

85. Шикин Е.В., Боресков А.В. Компьютерная графика. Динамика, реалистические изображения. Москва: Диалог-Мифи, 1995 г.

86. Пилюгин В.В., Сумароков Л.Н., Фролов К.В. Машинная графика и автоматизация научных исследований. 1985 г. стр. 50-58.

87. Дж. Гибсон. "Экологический подход к зрительному восприятию", Часть IV. Изображение. М.: "Прогресс", 1988 г.

88. Зенкин А.В. Когнитивная компьютерная графика, ред. Д.А. Поспелова. Москва : Наука, 1991 г. стр. 192.

89. Фоли Дж., А. вэн Дэм. Основы интерактивной машинной графики. Пер. с англ. В 2-х книгах. Москва : Мир, 1988 г.

90. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. СПб : BHV СПб, 1998 г.

91. Порев В. Компьютерная графика. СПб : БХВ-Петербург, 2002 г.

92. Foley J.D., Dam A.,. Computer graphics: principles and practice. Adison-Wesley Systems Programming Series, 1992-1995 r.r.

93. Дегтярев B.M. Структурно-аналитический способ представления трехмерных геометрических объектов в ЦВМ. Обмен опытом в радиопромышленности вып. 10 (НИИЭИР). 1973 г.

94. Дегтярев В.М., Морозов С.М. Машинная реализация структурно-аналитической модели трехмерных объектов. Сборник трудов ЛМИ, серия 6. 1991 г.

95. Дегтярев В.М. Графическая система динамических трехмерных сцен. Тезисы докладов на Всесоюзном семинаре «Системы автоматизированного проекти-рования радиоэлектроники». Тверь : НПО «Центрпрограммсистем», 1991 г.

96. Верхов П.А., Дегтярев В.М. Стерео визуализация трехмерных аналитических машинных моделей и ее использование в телемедицине. Москва : Телекоммуникации, 2001 г.

97. Никифоровский В.А. В мире уравнений. // Москва: Наука, 1987 г.

98. Ф. Препарата, М. Шеймос. Вычислительная геометрия. М. : Мир, 1989. стр. 478.

99. Факторович И.О. Исследование переходных режимов вертолета методом баланса энергии. Тр. ЦАГИ, вып. 2026, 1979, с.1—19.

100. Экспериментальные исследования по аэродинамике вертолета / Под ред. А. К. Мартынова. М.: Машиностроение, 1980, 239 с.

101. Аводнев А.В., Карпова И.Р., Офицеров П.Л. Факторы, влияющие на качество аэрофотоснимков. // Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника (РЛТ), Выпуск 1, 2008. стр. 135-142