Автопилоты малоразмерных беспилотных летательных аппаратов

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

 «Автопилоты малоразмерных беспилотных летательных аппаратов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с каждым годом становится все более распространенным. Решение  целевых задач комплексами с  БПЛА в значительной степени зависит  от авионики, размещаемой на борту БПЛА и имеющей наземные модули. Авионика как приборная область техники включает сенсорные устройства (микромеханические датчики), исполнительные механизмы,  интегрированные комплексы навигации и управления, объединенные единым программно-математическим обеспечением. Научно-технические аспекты создания авионики находятся во взаимосвязи с образовательными аспектами подготовки специалистов в высших учебных заведениях в области авионики.

БПЛА  – это разновидность летательного аппарата, управление которым осуществляется при отсутствии пилота на его борту.

Авионика  БПЛА представляет собой комплекс аппаратных и программных средств, включающих бортовую и наземную аппаратуру управления (БАУ и НАУ), взаимодействующих  через радиоканал связи. Она обеспечивает управление двигателем и рулевыми приводами  для всех режимов полета БПЛА. Авионика БПЛА должна обеспечивать полет в  ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах, а также управлять работой  полезной нагрузки.

Управление  малоразмерными БПЛА особо трудная задача. Например, при выполнении аэросъемки БПЛА совершает полет по линиям с интервалом 50 – 70 метров. При этом отклонение от маршрута не должно превышать 10 – 15 метров при скорости ветра до 7 м/с. При полете в автоматическом режиме БПЛА должен летать на малых высотах с огибанием рельефа местности. При этом должна быть обеспечена точность поддержания высоты в пределах 5 метров. Понятно, что даже самый опытный пилот или оператор дистанционного пилотирования не может обеспечить такую точность управления. Таким образом, в структуре авионики БПЛА должен присутствовать автопилот.

Также на динамические характеристики БПЛА существенным образом определяются аэродинамическими  характеристиками планера. Аэродинамика планера БПЛА непосредственно влияет на летные характеристики, определяет его продольную и боковую устойчивость, управляемость и т.д. Она существенным образом влияет на выбор коэффициентов  автопилота для различных режимов  полета БПЛА. Кроме этого, на динамические возможности БПЛА оказывают влияние  применяемые рулевые приводы. Так  как габариты комплексов ограничены, то в качестве применяются малогабаритные рулевые машинки. Планер БПЛА, автопилот  и рулевые приводы вместе образуют систему автоматического управления полетом БПЛА.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Малоразмерные беспилотные летательные аппараты

 

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) – это  разновидность летательного аппарата, управление которым осуществляется при отсутствии пилота на его борту. Чаще всего под БПЛА понимают дистанционно управляемый (пилотируемый) летательный  аппарат, способный совершать полет  и в автоматическом режиме. БПЛА является частью комплекса, в который  входит наземный пункт управления с  его центральным звеном – человеком  – оператором.

Размеры и, соответственно масса различных БПЛА могут различаться на порядки. Значительный интерес представляет БПЛА с взлетной массой около 10 кг. Масса целевой полезной нагрузки составляет обычно (15÷30)% от взлетной массы БПЛА.

В документах Министерства обороны США употребляется  термин «беспилотные авиационные системы» или «системы беспилотного управления летательными аппаратами» - UAS (Unmanned Aircraft Systems). БПЛА подразумевается только как часть системы. БПЛА могут быть самолетного, вертолетного типа, а также легче воздуха.

К малоразмерные БПЛА относятся аппараты типа «Микро» и «Мини», они входят в первой категории (UAS’ category I).

Совместно с БПЛА, отнесенными к беспилотным авиационным системам (БАС) близкого радиуса действия, малоразмерные БПЛА занимают более 50% общего количества БАС различных категорий.

Возможности малоразмерных БПЛА в сравнении  с другими типами иллюстрируются их техническими характеристиками, приведенными в таблице 1.1.

 

 

 

 

 

Таблица 1.1. Технические характеристики БПЛА различных типов

 

Благодаря малым размерам и массе для  малоразмерных БПЛА реализуемы различные схемы взлета и посадки. Взлет может осуществляться: «с руки», по-самолетному, с катапульты. Посадка таких летательных аппаратов осуществляется, как правило, с применением парашюта, либо БПЛА ловится сетью, применяется также посадка «на брюхо». В более совершенных комплексах посадка осуществляется по-самолетному. Такой вид характерен для «тяжелых» мини – БПЛА, которые можно отнести к БАС ближнего радиуса действия.

Наиболее  распространенным применением малоразмерных  БПЛА типа «микро» является разведка ближней зоны, зачастую в пределах видимости, но требующая детализации  ситуации, что требует и наблюдения «сверху».

К отечественным  разработчикам малоразмерных БПЛА относится инновационная компания «Аэрокон». Отечественные разработчики активно работают над созданием малоразмерных БПЛА. Инновационная компания «Аэрокон» создала комплексы серии «Инспектор» для решения задач наблюдения, в том числе в сложных, например, городских условиях. В состав комплекса входит микро – БПЛА «К-01» с полетной массой 0,25 кг, имеющий размах крыла 0,3м и развивающий скорость в пределах (8÷20) м/с. Аппарат «К-01» имеет видеокамеру, которая передает изображение в реальном масштабе времени.

БПЛА  может совершать полет при  ветре до 10 м/с и диапазоне температур от 15⁰ до 50⁰ С. Комплекс «Инспектор-В» имеет массу 7 кг и его обслуживают 2 человека.

Активно работает в области БПЛА ижевская компания «Беспилотные системы», создавшая  комплексы различного назначения на базе БПЛА серии ZALA. Применение комплексов с БПЛА в интересах предприятий топливно-энергетических комплексов (ТЭК) позволяет решать разнообразные задачи: наблюдение обстановки в районе газоперерабатывающих станций, обнаружение аварийных участков трубопроводов и т.д.

В таблице 1.2 приведены технические характеристики двух типов БПЛА серии ZALA

 

Таблица 1.2. Технические характеристики БПЛА серии ZALA

Технические характеристики, размерность	Тип БПЛА
	ZALA  421-04	ZALA  421-05
Взлетная масса, кг	6,95	1,8
Продолжительность полета, ч	до 1	до 1
Максимальная высота полета, м	до 3000	до 3000
Радиус применения, км	до 20	до 10
Взлет/посадка	катапульта/по-самолетному	с руки/парашют
Полезная нагрузка	цветная ТВ камера и передатчик ТВ сигнала	цветная ТВ камера и передатчик ТВ сигнала

 

На базе БПЛА типа ZALA создан корабельный вариант комплекса общей массой около 8 кг.

В России, наряду с ижевской компанией «Беспилотные системы» и компанией «Аэрокон», разработки комплексов с малоразмерными БПЛА ведут крупные и небольшие фирмы:

– Казанская  фирма «Эникс» представляет в этом классе целое семейство БПЛА, для которых базовым является Т23 «Элерон», который может оснащаться широким набором средств наблюдения, включая стабилизированную ТВ-камеру, фотокамеру и т.д.

На основе БПЛА типа «Элерон» в ОАО «Иркут»  создан комплекс дистанционного зондирования «Иркут -2М», принятый в 2007 на снабжение  МЧС РФ.

– СКБ «Топаз» разработан комплекс дистанционного наблюдения БПЛА «Локон» с полезной нагрузкой в виде ТВ- , ИК-камер и фотоаппарата. Производство организованно на «Истринском экспериментально-механическом заводе» (ИЭМЗ). ИЭМЗ ведет и собственные разработки малоразмерных БПЛА, в частности, комплекс аэрофоторазведки с базовым БПЛА «Истра-10».

– Научно-производственный и конструкторский центр «Новик ХХI-век» известен своим комплексом с БПЛА «БРАТ».

– Компания «Рисса» работает над доводкой комплекса  с БПЛА Т–3 для ведения наблюдения, аэрофотосъемки, ретрансляции радиосигналов.

– Корпорация «Иркут» определена в рамках объединенной авиастроительной корпорации в качестве головного разработчика беспилотных  авиационных систем невоенного назначения.

Работа  любого комплекса с БПЛА сопровождается многочисленными и взаимосвязанными информационными потоками, обеспечивающими  ручное или автоматическое управление, в том числе с помощью GPS/ГЛОНАСС, передачу телеметрической информации о состоянии систем БПЛА, передачу видеоинформации с БПЛА и др.

Следует отметить, что применение БПЛА для  проведения аэро- или фотосъемки сопряжено с серьезными проблемами.

Основными проблемами использования малоразмерных  БПЛА для фотографирования земной поверхности  является использование профессиональных, полупрофессиональных или любительских цифровых фотокамер, отсутствие, как  правило, их стабилизации, непрямолинейность маршрута съемки, нестабильность высоты полета, вибрации БПЛА и т.д.

Эксплуатация  комплексов с применением БПЛА может  сопровождаться их потерями. Основные причины потерь БПЛА и степень  их приоритетности по мере убывания: проблемы с двигательной установкой, ошибки системы управления, ошибки операторов, проблемы со связью и прочие (система  спасения, санкционированное повреждение  БПЛА и т.д.).

Рис. 1.1. Основные причины потерь БПЛА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микросистемная  авионика мини-БПЛА

 

Микросистемная  авионика мини-БПЛА делится на два блока: первый, связанный с БСО и обеспечивающий  полет и угловую ориентацию БПЛА, и второй,  который контролирует и корректирует работу первого, а также вычисляет текущий маршрут и проверяет его на соответствие заданному. Эта схема управления есть ни что иное, как схема управления пилотируемого самолета, где есть «пилот» и «штурман», связь между которыми и с наземным пунктом управления поддерживает «радист».

Структура аппаратуры управления приведена на следующем рисунке.

 

Рис. 1.2. Структура  аппаратуры управления

 

Таким образом, авионика мини-БПЛА состоит из бортовой аппаратуры  управления (БАУ), располагающейся на планере,  и наземной аппаратуры управления (НАУ), состоящей из аппаратуры управления и связи (АУиС) и персонального компьютера (ПК).

В бортовую аппаратуру входят модули «Пилот», «Штурман», «Радист», системы ориентации и навигации, датчики высоты, воздушного давления набегающего потока, температуры.

Модуль  «Пилот» по данным блока системы  ориентации (СО) формирует сигналы  управления РМ и непрерывно управляет  БПЛА. Модуль «Штурман» вырабатывает требуемые направление, высоту и  скорость полета, отслеживает соответствие траектории полета заданному полетному  заданию, следит за выполнением полетного  задания и командами НАУ. АУиС представляет собой отдельный блок, подключаемый к ПК. Данный блок необходим для передачи данных с борта БПЛА на ПК, а также для передачи команд управления на планер. Персональный компьютер необходим для обработки и мониторинга информации, поступающей с борта ЛА, а также для создания маршрута полета.

Бортовая  и наземная аппаратура управления должна обеспечивать следующие режимы полета БПЛА:

– взлет  и посадку в ручном режиме с  управлением по радиоканалу оператором (возможны также автоматические взлет  и посадка);

– полет  в полуавтоматическом режиме с управлением  по радиоканалу с корректировкой действий оператора бортовой аппаратурой  управления (БАУ);

– полет  в автоматическом режиме по контрольным  точкам с одновременной посылкой телеметрии на наземную аппаратуру управления (НАУ).

Создание  авионики малоразмерных БПЛА является сложным процессом решения взаимосвязанных процедур (рис. 1.4), в ходе которых исследуются или подбираются аэродинамические характеристики планера БПЛА, выбираются аппаратурный состав БАУ и НАУ БПЛА, разрабатываются алгоритмы взаимодействия всех компонентов системы автоматического управления (САУ) БПЛА, выполняются математическое моделирование отдельных компонентов, так и системы «САУ-БПЛА». После математического моделирования и стендовых испытаний выполняются летные испытания (они могут выполняться параллельно), по результатам которых проводится доработка авионики и, возможно, других компонентов беспилотной системы.

Процедуры создания авионики можно представить в виде следующей структурной схемы.

Рис. 1.4. Основные процедуры разработки авионики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В настоящее  время системы ориентации и навигации  БПЛА строятся на базе микромеханических  гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), производство которых основано на технологии, развитой в последние десятилетия микроэлектронной промышленностью. Особенностью таких приборов является объединение механических элементов, систем съема и обработки информации в одном кремниевом чипе. Разрабатываемые образцы ММГ характеризуются сверхмалыми массой (доли граммов) и  габаритами (единицы миллиметров), низкой себестоимостью (десятки долларов на одну ось измерений) и энергопотреблением, высокой устойчивостью к механическим воздействиям.