Перелік скорочень

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра Комп’ютерних систем та мереж

__________________________________________________________________

ДОПУСТИТИ ДО ЗАХИСТУ

Завідувач кафедри

Жуков І.А. ____________________

“ ” 2015р.

ДИПЛОМНА РОБОТА

(ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА)

ВИПУСКНИКА ОСВІТНЬО-КВАЛІФІКАЦІЙНОГО РІВНЯ

“МАГІСТР”

Тема:Комп’ютерна система підтримки роботи зовнішнього пілота БПЛА________________________________________________________

Виконавець: Шевченко Іван Володимирович

Керівник: Андрєєв Володимир Ілліч

Консультанти з розділів:

___________________________________________________

___________________________________________________

Нормоконтролер з ЄСКД (ЄСПД): Гузій Микола Миколайович

Київ 2015

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Інститут КІТ Кафедра Комп’ютерних систем та мереж

Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр

Спеціальність 8.05010201 “Комп’ютерні системи та мережі”

(шифр, найменування)

ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри

Жуков І.А. _____________

“” 2015 р.

ЗАВДАННЯ

На виконання дипломної роботи

Шевченка Івана Володимировича

(прізвище, ім’я, по батькові)

1. Тема дипломної роботи: Комп’ютерна система підтримки роботи зовнішнього пілота БПЛА

затверджена наказом ректора від р. № ___________

2. Термін виконання роботи: з р. до р.

3. Вихідні дані до роботи: сучасні підходи до побудови алгоритмів управління ЦЕОМ для застосування в авіаційних безпілотних системах.

4. Зміст пояснювальної записки: 1.Історія розвитку БПЛА в світі 2. Класифікація БПЛА. 3. Бортове устаткування сучасних БПЛА. 4. Розроблення алгоритмів управління БПЛА.5. Розробка комп’ютерної системи підтримки роботи зовнішнього пілота БПЛА. 6. Проблеми розвитку систем з БПЛА.

5. Перелік oбoв’язкoвoгo графічнoгo (ілюстративнoгo) матеріалу:

Презентація PowerPoint.

6. Календарний план-графік

№ Пор.	Завдання	Термін виконання	Відмітка про виконання
	Розробка та затвердження технічного завдання	11.02.15
	Огляд та аналіз літературних джерел і відомих технічних рішень за темою дипломної роботи	12.02.15 - 20.03.15
	Розробка алгоритмів управління	21.03.15 -10.04.15
	Проведення комп’ютерного моделювання	11.04.15 -20.05.15
	Аналіз отриманих результатів моделювання та оцінка їх точності	21.05.15 -01.06.15
	Оформлення пояснювальної записки	02.06.15 -10.06.15
	Оформлення супровідних документів	11.06.15 - 19.06.15

7. Консультанти з окремих розділів роботи:

Розділ	Консультант (посада, П.І.Б.)	Дата, підпис
Завдання видав	Завдання прийняв

8. Дата видачі завдання “11" лютого 2015р.

Керівник дипломної роботи __________ Андреєв В.І.

(підпис керівника)

Завдання прийняв до виконання __________ Шевченко.І.В.

(підпис студента)

РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка до дипломної роботи «Комп’ютерна система підтримки роботи зовнішнього пілота БПЛА»: 107 сторінок, 23 рисунки, 32 використаних джерелf, 4 додатки.

БЕЗПІЛОНИЙ ЛІТАЛЬНИЙ АПРАРАТ, РІВНЯННЯ РУХУ ЛІТАКА, АЛГОРИТМ, ТРАЕКТОРІЯ, МОДЕЛЮВАННЯ, АВТОМАТИЧНЕ УПРАВЛІННЯ, ТАНГАЖ.

Об’єкт дослідження- алгоритми управління БПЛА.

Предмет дослідження - методи синтезу управління БПЛА.

Метод дослідження - комп’ютерне моделювання та декомпозиція управління.

Установлено, що цифрова математична модель динамічно подібна реальному об’єкту; використання розроблених алгоритмів значно спрощує управління БПЛА; досліджено динамічні та статичні характеристики руху БПЛА з використанням розробленої цифрової моделі.

Матеріали дипломної роботи рекомендується використовувати при проведенні наукових досліджень, у навчальному процесі та в практичній діяльності фахівців авіаційних конструкторських бюро.

Прогнозні припущення щодо розвитку об’єкта дослідження - синтез оптимальної структури законів управління обчислювальних систем управління польотом.

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ……………………………………………………….. ВСТУП…………………………………………………………………………... РОЗДІЛ 1. КЛАСИФІКАЦІЯ БПЛА……………………………………….. 1.1. Класифікація БПЛА за способами управління………………….. 1.2. Класифікація БПЛА по використаних в них навігаційних системам ……………………………………………………………………… 1.3. Перспективи застосування інерціальної навігаційної системи та її програмне забезпечення…………………………………………................... 1.4. Інерціальна та супутникова навігаційні системи……………...... РОЗДІЛ 2. БОРТОВЕ УСТАТКУВАННЯ СУЧАСНИХ БПЛА …………… 2.1.Склад бортового устаткування БПЛА ……………………………. 2.2.Пілотажно-навігаційні комплекси ……………………………… 2.3. Функції тактично-навігаційного комплексу…………………..…. 2.4. Елементи тактичної навігаційної системи……………………….. 2.5. Наземна апаратура управління БПЛА……………………………. РОЗДІЛ 3. МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ БПЛА……………………………... 3.1. Опис математичної моделі літального апарату............................. 3.2. Рульові органи літального апарату і системи координат………... 3.3. Повна нелінійна модель просторового руху літака……………... 3.4. Модель двигуна…………………………………………………..… 3.5. Модель атмосфери і повітряних обурень……………………….... 3.6. Модель Землі………………………………………………………. 3.7. Модель рульових органів………………………………………….. РОЗДІЛ 4. РОЗРОБКА КОМП’ЮТЕРНОЇ СИСТЕМИ ПІДТРИМКИ РОБОТИ ПІЛОТА БПЛА……………………………………………………... 4.1. Методи декомпозиції управління БПЛА……………………..…. 4.2. Математичний опис польотного завдання………………………. 4.2.1. Загальні положення……………………………………………... 4.2.2. Петля Нестерова……………………………………………….... 4.3. Синтез управління на траєкторному рівні……………………..… 4.3.1. Управління рухом літального апарату…………......................... 4.3.2.Управління орієнтацією літального апарату…………………… 4.4. Розроблення алгоритму управління літального апарату у вертикальній площині……………………………………………………….... 4.5. Прокладка маршруту в географічних координатах....................... 4.6. Програмна реалізація алгоритмів управління…………………… 4.7. Розробка блоку візуалізації польоту БПЛА по результатам вище наведених розрахунків……………………………………………………..…. РОЗДІЛ 5. РОЗВИТОК СИСТЕМ З БПЛА………………………………..... 5.1. Проблеми розвитку систем з БПЛА……………………………… 5.2. Шляхи вирішення проблеми створення систем з БПЛА……….. ВИСНОВКИ………………………………………………………………….... СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………........................... Додаток А. Опис параметрів моделі Додаток Б. Опис змінних Додаток В. Файл підтримки зв’язку

ПЕРЕЛІК СКОРОЧЕНЬ

БПЛА ДПЛА	– –	безпілотний літальний апарат дистанційно пілотовані апарати
ЛА	–	літальний апарат
ІНС	–	інерціальна навігаційна система
СНС	–	супутникова навігаційна система
ЦФА	–	цифровий фотоапарат
РЛС	–	радіолокаційна станція
ШПО	–	широкопольний об’єктив
ТПВ	–	тепловізійна камера
ТК	–	телевізійна камера
БЦОМ	–	бортова цифрова обчислювальна машина
ЦКРМ	–	цифрова камера рельєфу місцевості
БК	–	блок комутації
СК	–	система координат
ППМ	–	проміжний пункт маршруту
ЄС ОрПР	–	єдина система організації повітряного руху
ЗШК	–	заданий шляховий кут
ЛБУ	–	лінійне бічне ухилення
ДП	–	додаткова поправка
ПНК	–	пілотажно навігаційний комплекс
БФІ	–	багатофункціональний індикатор
ВМ	–	виконавчий механізм
ДКШ	–	датчик кутової швидкості
БІНС	–	безпілотна інерціальна навігаційна система
СПС	–	система повітряних сигналів
ММ	–	магнітометр
СУП	–	система управління польотом
АПК	–	алгоритм перетворення координат
АП	–	автопілот
НАУ	–	наземна апаратура управління
РМ	–	рульова машинка
БАУ	–	бортова апаратура керування
АЛ	–	алгоритм літаководіння
ДТ	–	датчик температури
ДСТ	–	датчик статичного тиску
ДПТ	–	датчик повного тиску
АУЗ	–	апаратура управління та зв’язку
АЦП	–	аналогово-цифровий перетворювач

ВСТУП

Безпілотні літальні апарати (БПЛА) можуть бути застосовані для вирішення багатьох завдань, виконання яких пілотованими літальними апаратами в різних цілях недоцільно. У число таких завдань входить: моніторинг повітряного простору, земної і водної поверхонь, екологічний контроль, керування повітряним рухом, контроль судноплавства, розвиток систем зв'язку й ін. Інтерес до БПЛА викликаний їхньою економічністю при експлуатації, усуненням ризику для життя екіпажу, обмежень по експлуатаційних навантаженнях, визначених фізіологічними можливостями людини, можливістю вести спостереження з безлічі місць протягом короткого періоду часу. Особливістю застосування БПЛА є можливість безперервного спостереження поверхні й повітряного простору при великому видаленні об'єкта спостереження за допомогою різних датчиків. БПЛА можуть бути застосовані не тільки для зазначених вище цілей, але й для інших, наприклад, контролю державного кордону. Усе перераховане характеризує широке коло завдань, які досить ефективно й економічно можуть бути вирішені у випадку застосування БПЛА.

З 2012 року в Національному авіаційному університеті здійснюється державна програма побудови безпілотної транспортної системи «Україна 1». Тому актуальним є розробка сукупності методів підтримки основних функцій системи на розрахунковій основі, створення сукупності алгоритмів, що розширюють галузі застосування системи. В цьому напрямку однією із найбільш актуальних задач є задача створення алгоритма управління БПЛА. При цьому даний напрямок є напівекспериментальним, бо алгоритми мають проходити тестування в умовах реального польоту.

Об’єктом дослідження алгоритми управління БПЛА. Практична реалізація сучасних систем управління польотом як пілотованих, так і безпілотних ЛА, нині можлива на основі цифрової обчислювальної техніки. Тому у проведеній роботі велика увага приділена розробленню алгоритмів управління як неперервних, так і дискретних законів управління, які реалізуються у цифрових системах

Синтез алгоритмів роботи системи управління польотом БПЛА ґрунтується на математичній моделі БПЛА, розробка якої складається з побудови змістовної моделі, розробки алгоритму моделі та розробки програми моделі.

Предметом дослідження є система управління БПЛА. Система управління польотом БПЛА повинна забезпечити: точне виконання маршруту на встановленій висоті польоту (ешелоні), визначення навігаційних параметрів польоту, забезпечення виконання мети польоту, підліт БПЛА до місця посадки в заданий час. Система управління вирішує завдання стабілізації, тобто обробляє команди наведення і забезпечує стійкість руху шляхом вироблення команд керування РМ алгоритмом автопілоту. У випадку перевищення заданих значень (по кутах і кутових швидкостях) система управління видає команду стабілізації режиму горизонтального польоту. Основні функції системи управління польотом БПЛА в напівавтоматичному і автоматичному режимах виконує автопілот, який реалізує закони управління по каналах тангажа, курсу і крену.

Метою дипломної роботи є побудова ефективної системи управління БПЛА. Розроблена система управління дозволяє знизити вимоги до кваліфікації зовнішніх пілотів та значно здешевити експлуатацію БПЛА.

Побудова змістовної моделі включає:

− постановка задачі моделювання (дається чітке формулювання цілей та задач дослідження системи управління польотом БПЛА, обґрунтовується необхідність подальшого моделювання, обирається методика розв’язання задачі з урахуванням наявних програм для розрахунку аеродинамічних характеристик БПЛА та отримання його динамічних похідних;

− визначення вимог до вихідної інформації;

− висунення гіпотез і припущень;

− визначення параметрів і змінних моделі БПЛА (вхідних, вихідних і змінних управління, зовнішніх і внутрішніх параметрів системи управління);

− обґрунтування вибору показників і критеріїв ефективності системи.

Розробка алгоритму моделі системи включає:

− побудова логічної схеми алгоритму (створюється узагальнена схема моделюючого алгоритму, яка задає загальний порядок дій при моделюванні);

− отримання математичних співвідношень;

− перевірка достовірності алгоритму;

Розробка програми моделі системи включає:

− вибір обчислювальних засобів (обираються тип ЕОМ і мова програмування);

− проведення програмування;

− перевірка достовірності програми

Методи дослідження. В роботi викоpистaно мeтoди декомпозиції управління та комп’ютерне моделювання. Синтез алгоритмів роботи системи управління польотом БПЛА ґрунтується на математичній моделі БПЛА, розробка якої складається з побудови змістовної моделі, розробки алгоритму моделі та розробки програми моделі.

Наукова новизна заключається в розробці нових алгоритмів управління та опрацювання команд пілота БПЛА, що дало змогу покращити льотні характеристики.

Основні результати, значущість роботи, рекомендації щодо використання.

Отриманi результaти дипломнoї робoти полягaють y настyпному:

1) Синтезовані нелінійні алгоритми управління літальним апаратом для пілотажного і траєкторного рівня;

2) Проведені імітаційні випробування алгоритмів управління показали

високу надійність і точність регулювання;

3) Реалізовано взаємодію розробленої системи з авіасимулятором FlightGear.

Математична модель є універсальною і може бути налаштована на будь-який літальний апарат шляхом виставки відповідних коефіцієнтів і початкових умов. Розроблена математична модель може розглядатися як інструмент для дослідження динаміки жорстких літальних апаратів.

Пропозиції щодо мoжливого подальшого застосування: результати роботи можуть бути впроваджені при проектуванні безпілотних літаків в НАУ. Отриману систему можна використовувати в якості симулятора для відпрацювання навиків пілотування БПЛА. Таким чином, розроблена модель має широкий спектр можливостей для подальшого використання.

Основні положення і результати дипломної роботи апробовані та обговорювалися на ХV міжнародній науково-практичній конференції молодих учених і студентів «Політ. Сучасні проблеми науки» (Політ, 2015, НАУ, Київ);

Основні результати дипломної роботи опубліковані в матеріалах конференцій (Політ, 2015, НАУ, Київ).

РОЗДІЛ 1

Дата добавления: 2015-12-07