Оптимизация системы управления легкого беспилотного летательного аппарата по частотному критерию тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Летунов, Дмитрий Александрович

• Летунов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Летунов, Дмитрий Александрович

Перечень условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Исследование ЛБЛА заданного класса как объекта управления.

1.1 Обзор ЛБЛА как объекта исследования.

1ЛЛ Классификация аэродинамических схем БЛА.

1Л.2 Проблемы стабилизации ЛБЛА в турбулентной атмосфере.

1.2 Математические модели беспилотного летательного аппарата.

1.2.1 Нелинейная математическая модель летательного аппарата.

1.2.2 Полная нелинейная математическая модель летательного аппарата.

1.3 Аэродинамические силы и моменты.

1.4 Коэффициенты аэродинамических сил.

1.4.1 Коэффициент аэродинамического сопротивления.

1.4.2 Коэффициент аэродинамической подъемной силы.

1.4.3 Коэффициент аэродинамической боковой силы.

1.5 Коэффициенты аэродинамических моментов.

1.5.1 Коэффициент аэродинамического момента крена.

1.5.2 Коэффициент аэродинамического момента рыскания.

1.5.3 Коэффициент аэродинамического момента тангажа.

1.6 Выводы по разделу.

Глава 2. Линеаризация и декомпозиция ЛБЛА как объекта управления.

2.1 Полная линейная модель.

2.2 Анализ структуры каналов летательного аппарата.

2.3 Декомпозиция линеаризованной математической модели летательного аппарата.

2.4 Выводы по разделу.

Глава 3. Выбор и обоснование структуры каналов автопилота ЛБЛА.

3.1 Общая структура пилотажной системы ЛБЛА.

3.2 Модель исполнительных механизмов.

3.3 Структурный синтез каналов автопилота ЛБЛА.

3.3.1 Канал крена.

3.3.2 Канал рысканья.

3.3.3 Канал тангажа.

3.4 Выводы по разделу.

Глава 4. Методология оптимизации системы управления ЛБЛА в турбулентной атмосфере.

4.1 Характеристики турбулентной атмосферы.

4.2 Частотные свойства ЛБЛА.

4.3 Спектральные характеристики ЛБЛА в турбулентной атмосфере.

4.4 Оценка изменения аэродинамических коэффициентов ЛБЛА в САПР гидро- аэродинамики CosmosFloWorks.

4.4.1 Влияние поперечной V-образности крыла на момент крена.

4.4.2 Влияние плеча горизонтального оперения на момент тангажа.

4.4.3 Влияние размаха крыла на момент крена.

4.5 Синтез критерия оптимизации.

4.5.1 Критерий оптимизации системы управления.

4.5.2 Методика оптимизации системы управления ЛБЛА.

4.6 Выводы по разделу.

Глава 5. Экспериментальные исследования в соответствии с методикой оптимизации системы управления ЛБЛА.

5.1 Изменение угла поперечной V - образности крыла.

5.2 Изменение плеча горизонтального оперения.

5.3 Изменение размаха крыла.

5.4 ЛБЛА, построенный в соответствии с предложенной методикой.

5.5 Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация системы управления легкого беспилотного летательного аппарата по частотному критерию»

Актуальность проблемы

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) и их комплексы находят широкое применение в сферах, как военного, так и гражданского назначения. Особое внимание в последние годы уделяют легким беспилотным летательным аппаратам (ЛБЛА). Они используются для получения информации о лесных пожарах, обнаружения и исследования объектов с вредными выбросами, мониторинга транспортного движения, контроля состояния нефте- и газопроводов и т. п., при этом на них устанавливается видео аппаратура и специальные сенсоры для обнаружения радио-, магнитного и теплового излучений.

Турбулентные движения воздушных масс в атмосфере оказывают существенное влияние на полет легкого беспилотного летательного аппарата. Случайные порывы ветра являются источниками дополнительных сил и моментов. Они приводят к неудовлетворительной динамике полета, обусловленной частичным совпадением амплитудно-частотных характеристик ЛБЛА и амплитудного спектра угловых скоростей турбулентности атмосферы в локальном частотном диапазоне. Кроме того, ЛБЛА являются более высокочастотными по сравнению с тяжёлыми летательными аппаратами, а эффективность автопилотов на высоких частотах существенно ниже в связи с применением исполнительных механизмов, быстродействие которых достигло своего физического предела. Для легких летательных аппаратов атмосфера даже средней интенсивности приводит к значительным угловым колебаниям, поэтому разработчики должны уделять большее внимание не только аэродинамическим, но и частотным свойствам.

Проблемы эксплуатации летательных аппаратов различного класса в сложных метеорологических условиях вынесены на обсуждение многих конференций. Так, на международной конференции, прошедшей в Англии в

2009 г., на первый план были поставлены вопросы стабилизации беспилотных летательных аппаратов в турбулентной атмосфере.

Стабилизация ЛБЛА имеет важное прикладное значение и с точки зрения обеспечения эффективности и качества работы различной целевой аппаратуры, в частности, системы целеуказания, включающей в себя видеокамеру. Угловые колебания приводят к погрешностям определения координат цели и ухудшению получаемого изображения.

Известны два способа стабилизации изображения: электронный и оптический. Электронная стабилизация основана на резервировании элементов матрицы под возможное смещение изображения. Такая схема стабилизации эффективна в ограниченном диапазоне частот и при небольших смещениях камеры, а при съемке с движущихся объектов непригодна.

Оптическая стабилизация осуществляется с помощью системы линз, гироскопов и управляющей электромеханики. Она способна компенсировать вибрации различной амплитуды в широком частотном диапазоне от 1 до 15 Гц. Одно из самых важных преимуществ такой стабилизации - широкий интервал отрабатываемых углов обзора. Однако в качестве привода, управляющего системой линз, используют также исполнительные механизмы, ограничивающие быстродействие и увеличивающие размеры и массу видеокамеры. Существенным недостатком такой стабилизации является увеличение погрешностей определения координат цели за счет смещение поля зрения видеокамеры.

В этой связи, исследования, направленные на поиск путей эффективной стабилизации самого ЛБЛА в турбулентной атмосфере, являются актуальными. Альтернативное решение перечисленных проблем может быть найдено не столько в значительном усложнении автопилотов, сколько в согласованном проектировании планера и системы автоматического управления (САУ), чему и посвящена данная работа.

Цель работы

Повышение качества стабилизации угловых колебаний ЛБЛА в турбулентной атмосфере путём выбора наилучшего сочетания параметров планера и автоматической системы управления.

Направление исследований

- исследование ЛБЛА заданного класса как объекта управления;

- исследование влияния изменения геометрических параметров планера ЛБЛА на частотные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;

- синтез структуры автопилота, реализуемого в системах управления ЛБЛА;

- исследование влияния турбулентной атмосферы на спектральные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;

- оптимизация геометрических параметров планера как объекта управления на основе наилучшего сочетания его частотных свойств с частотными свойствами САУ.

Методы исследования

В работе используются методы математического моделирования и теории систем автоматического регулирования. Анализ и обработка экспериментальных данных производились с использованием программных продуктов Mathsoft® Mathcad, MathWorks® MathLab, Microsoft® Office Excel, Solid Works®, Cosmos FloWorks.

Научная новизна

- предложен ЛБЛА как объект управления в турбулентной атмосфере, отличающийся таким сочетанием параметров планера и автоматической системы управления, которое обеспечивает максимальное подавление внешних возмущающих воздействий в широком частотном диапазоне;

- разработана математическая модель, учитывающая влияние изменения параметров ЛБЛА (угла V-образности крыла, плеча горизонтального оперения, размаха крыла), позволяющая исследовать частотные свойства и спектральные характеристики по углам ориентации в турбулентной атмосфере различных конфигураций планера;

- разработан частотный критерий оптимизации системы управления ЛБЛА, отличающийся оценкой качества стабилизации по взаимному расположению частотных характеристик объекта управления по возмущению и замкнутой САУ.

Основные положения, выносимые на защиту

- методика оптимизации системы управления ЛБЛА, позволяющая найти сочетание геометрических параметров планера и автопилота, обеспечивающее эффективную стабилизацию угловых колебаний в турбулентной атмосфере;

- аналитические зависимости изменения геометрических параметров планера (угол У-образности крыла, плечо горизонтального оперения, размах крыла) и аэродинамических коэффициентов, связывающие компоновку с частотными свойствами ЛБЛА;

- алгоритм оптимизации системы управления ЛБЛА в турбулентной атмосфере, обеспечивающий выбор конфигурации и параметров планера на основе согласования частотных свойств объекта управления и автопилота.

Практическая ценность

Разработано математическое обеспечение, позволяющее на этапе проектирования, в соответствии с методикой оптимизации системы управления ЛБЛА, выбрать наилучшие сочетания геометрических параметров планера и автопилота с целью обеспечения эффективной стабилизации угловых колебаний в турбулентной атмосфере на основе расчета геометрических параметров, передаточных и частотных передаточных функций, а также спектров угловых колебаний.

Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании различных конфигураций планера и автопилотов легких беспилотных летательных аппаратов выбранной аэродинамической схемы, снизить стоимость разработки, придать комплексам новые функциональные возможности и повысить качество выполняемой целевой функции (определение координат объекта наблюдения) при неопределенных метеоусловиях в турбулентной атмосфере.

Результаты исследований внедрены на головном предприятии по комплексам с беспилотными летательными аппаратами ОАО «КБ «Луч» г. Рыбинск при разработке навигационно-пилотажной системы и планера ЛБЛА комплекса «Типчак».

Апробация работы

Основные результаты работы были вынесены на обсуждение на следующих конференциях: XXXV Молодежная научная конференция «ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Москва, 2009 г.; 62-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «МОЛОДЕЖЬ. НАУКА. ИННОВАЦИИ-2009» - Ярославль, 2009 г.; Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «X КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Самара, 2009 г.; Международная молодежная научная конференция «XVII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ» -Казань, 2009 г.; Всероссийская молодежная научная конференция «МАВЛЮТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Уфа, 2009 г; I всероссийская научная конференция молодых ученых «ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА» - Рыбинск, 2010 г.; Международная молодежная конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос «КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Самара, 2011 г.

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 печатных работ. Из них 6 тезисов докладов научных конференций и 6 статей. 4 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации содержит 132 страницы текста, 71 рисунок. Список литературы содержит 88 наименований.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Летунов, Дмитрий Александрович

5.5 Выводы по разделу

1. Увеличение угла У-образности крыла обеспечивает повышение статической устойчивости в канале крена, однако негативно отражается на управляемости и стабилизации в турбулентной атмосфере. Оптимальное значение угла У-образности крыла для ЛБЛА «Типчак» составляет 0-1°, при этом максимальная амплитуда колебаний снизится на 5 %.

2. Повышение статической устойчивости в канале тангажа за счет увеличения плеча горизонтального оперения до 1,29 м благоприятно сказывается на управляемости и угловой стабилизации. Угловые колебания в диапазоне частот от 0,01 до 10 рад/с снижаются на 17 %.

3. Изменение размаха крыла более существенно влияет на угловую динамику ЛБЛА в канале крена. Увеличение размаха крыла на 0,5 м приводит к снижению максимальной амплитуды колебаний по крену на 25%.

4. Минимизации угловых колебаний ЛБЛА «Типчак», вызванных атмосферной турбулентностью в каналах крена и тангажа, можно достичь за счет изменения геометрических параметров планера исходной конфигурации следующим образом:

- изменить значение угла У-образности крыла с 5 до 0 - 1°;

- увеличить плечо горизонтального оперения на 0,1 м, при этом обеспечить неизменность центровки ЛА;

- увеличить размах крыла с 3,05 до 3,55 м. данных и условий полета. Разработанная математическая модель может рассматриваться как инструмент для исследования динамики жестких летательных аппаратов в турбулентной атмосфере.

8. На основании теоретических исследований и проведенных экспериментов качество стабилизации угловых колебаний ЛБЛА «Типчак» в турбулентной атмосфере повысилось в каналах крена и тангажа на 30 и 17 % соответственно по сравнению с исходной конфигурацией. Такие показатели стабилизации достигнуты за счет выбора следующих геометрических параметров планера: угол У-образности крыла 0-1°, плечо горизонтального оперения 1,29 м, размах крыла 3,55 м. При этом коэффициенты основных звеньев автопилота в каналах крена и тангажа имеют следующие значения: пропорциональная и интегральные части изодромного звена - 0,7 и 0,01 соответственно, постоянная времени форсирующего звена - 0,1 с; производная введена с коэффициентом 0,2.

1987.-240 с.

39 Браславский, Д. А. Авиационные приборы и автоматы [Текст] / Д. А. Браславский, С. С. Логунов, Д. С. Пельпор. - М : Машиностроение, 1978.-432 с.

40 Агеев, В. М. Приборные комплексы ЛА и их проектирование [Текст] / В. М. Агеев, Н. В. Павлова. - М. : Машиностроение, 1990. - 432 с.

41 Дмитриевский, А. А. Прикладные задачи теории оптимального управления движением беспилотных ЛА [Текст] / А. А. Дмитриевский, Л. Н. Лысенко. -М. : Машиностроение, 1978. - 328 с.

42 Козлов, В. И. Системы автоматического управления ЛА [Текст] / В. И. Козлов. - М. : Машиностроение, 1979. - 216 с.

43 Байбородин, Ю. В. Бортовые системы управления полетом [Текст] / Ю. В. Байбородин - М.: Транспорт, 1975. - 336 с.

44 Алексеев, С. М. Принципы управления комплексом, получения и обработки информации [Текст] / Гл. конструктор С. М. Алексеев // Комплекс артиллерийской разведки с управляемыми снарядами. Эскизно-технический проект - 4.1 Общесистемные вопросы построения комплекса. - Кн.З. -Рыбинск, 2000. - 179 с.

45 Тихонов, В. И. Статистическая радиотехника [Текст] : 2-е изд., перераб. и доп. / В. И. Тихонов - М. : Радио и связь, 1982. - 624с.

46 Новоселов, А. С. Системы адаптивного управления летательного аппарата [Текст] / А. С. Новоселов, В. Е. Болнокин, П. И. Чинаев, А. Н. Юрьев - М. : Машиностроение, 1987. - 280 с.

47 Сейдж, Э. П. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении [Текст] / Э. П. Сейдж, Дж. П. Мелса : пер. с англ. под ред. Б. Р. Левина. - М. : Радио и связь, 1976. - 356 с.

48 Дудко, Г. А. Доплеровские измерители скорости и угла сноса [Текст] / Г. А. Дудко, Резников Г. Б - М. : Сов. Радио, 1964. - 344 с.

49 Иванов, Ю. П. Комплексирование информационно-измерительных устройств летательных аппаратов [Текст] : учебное пособие для вузов / Ю. П. Иванов, А. Н. Синяков - Л. : Машиностроение, 1984. - 207 с.

50 Бесекерский, В. А. Теория систем автоматического регулирования [Текст] / В. А. Бесекерский, Е. П. Попов - М. : Наука. - 1975. - 768 с.

51 Крамер, Г. Математические методы статистики [Текст] / Г. Крамер : пер. с англ. - М.: Мир, 1975. - 568 с.

52 Бен дат, Дж. Измерение и анализ случайных процессов [Текст] / Дж. Бендат, А. Пирсон : пер. с англ. - М.: Мир, 1974. - 464 с.

53 Браславский, Д. А. Точность измерительных устройств. [Текст] / Д. А. Браславский, В. В. Петров. - М.: Машиностроение, 1976. - 312 с.

54 Браславский, Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. [Текст] / Д. А. Браславский - М.: Машиностроение, 1970. - 392 с.

55 Вентцель, Е. С. Теория вероятностей. [Текст] : учебное пособие для вузов / Е. С. Вентцель - М. : Высш. шк., 1999. - 576 с.

56 Боднер, В. А. Приборы первичной информации [Текст] / В. А. Боднер -М.: Машиностроение, 1981. - 344 с.

57 Тихонов, В. И. Статистическая радиотехника [Текст] / В. И. Тихонов - М.: Радио и связь, 1982. - 624 с.

58 Ильинский, А. Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация [Текст] / А. Ю. Ильинский - М.: Наука, 1976. - 670 с.

59 Тихонов, В. И. Оптимальная фильтрация дискретно-непрерывных процессов [Текст] / В. И. Тихонов, В. А. Смирнов - Радиотехника и электроника, 1978.-№7.- с.1441-1452.

60 Летунов, Д. А. Оптимизация малоразмерного беспилотного летательного аппарата как объекта управления [Текст] / Д. А. Летунов, М. А. Лебедев // XXXIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ : тез. докл. науч-техн. конф. - Москва : МАТИ, 2009. -том2- С. 148

61 Летунов, Д. А. Малоразмерный беспилотный летательный аппарат как объекта управления [Текст] / Д. А. Летунов, М. А. Лебедев // Молодежь.