Пілотажно-навігаційні комплекси

Ядром бортової авіоніки БПЛА є пілотажно-навігаційний комплекс (ПНК). ПНК - це сукупність пристроїв і систем вимірювання, обчислення і управління, яка призначена для рішення завдання керування вектором стану БПЛА на всіх етапах польоту і видачі інформації споживачам. Основні функціональні задачі, що повинен вирішувати ПНК сучасного БПЛА приведено на рис. 2.1.

Склад і структура ПНК можуть бути різними залежно від типу БПЛА і його функціонального призначення. Узагальнена архітектура ПНК для БПЛА включає три основні компоненти: систему навігації; систему літаководіння і систему управління польотом. Ці три системи утворюють єдиний комплекс, назва якого в західній літературі є NGC-system (Navigation Guidance Control). Структурна схема ПНК представлена на рис.2.2.

Система навігації призначена для визначення вектору положення БПЛА в деякій заданій системі координат, вектору швидкості БПЛА в цій же системі і кутового положення БПЛА (орієнтації) відносно його центру мас. ПНК отримує первинну інформацію від акселерометрів, датчиків кутових швидкостей (ДКШ), датчика температури, датчика статичного тиску, датчика повного тиску, магнітометра, супутникової навігаційної системи GPS.

Рис. 2.1Основні функції ПНК БПЛА

Безплатформенна інерціальна навігаційна система (БІНС) визначає навігаційні параметри польоту БПЛА за допомогою використання алгоритмів інерціальної навігації. Реалізація БІНС в ПНК для міні-БПЛА заснована на застосуванні недорогих мікромеханічних акселерометрів та ДКШ. Цим датчикам властиві значні рівні шумів і зміщення нуля, що призводить до великих похибок вихідної інформації від БІНС щодо положення, швидкості і орієнтації БПЛА. Для зменшення похибок БІНС її вихідні дані піддаються зовнішній корекції, яка здійснюється від наступних датчиків та систем:

- супутникової навігаційної системи (GPS), що вимірює компоненти векторів положення і шляхової швидкості;

- системи повітряних сигналів (СПС), що вимірює барометричну висоту і істинну повітряну швидкість, використовуючи інформацію від ДТ, ДСТ, ДПТ;

- датчика магнітометра (ММ), що вимірює магнітний курс БПЛА.

Інтеграція (комплексування) інформації від БІНС, СПС, ММ і GPS здійснюється за допомогою алгоритму калманівської фільтрації.

Отримані в навігаційній системі оцінки навігаційних параметрів польоту є вхідною інформацією для системи літаководіння і системи управління польотом (СУП). Навігаційна інформація також передається до наземної станції управління польотом за допомогою передавача по каналу радіозв’язку.[7]

Система літаководіння призначена для оцінки відхилень поточних навігаційних параметрів польоту БПЛА (положення та швидкості) від заданих параметрів, що визначаються польотним завданням, та виробленням командних сигналів для СУП з метою мінімізації цих відхилень.

Система літаководіння складається з блоку зберігання заданих параметрів і маршруту польоту БПЛА, алгоритму перетворення координат (АПК) і алгоритму літаководіння.

Алгоритм перетворення координат призначений для перетворення системи координат, у якій працює інтегрована навігаційна система в деяку іншу систему координат, що більш зручна для користувача. Наявність АПК не є обов’язковою, оскільки ця функція може виконуватись всередині навігаційної системи.

Система управління польотом призначена для управління кутовим положенням БПЛА, його висотою та швидкістю. Вона складається з двох каналів автопілоту (АП) – поздовжнього та бокового.

Поздовжній канал автопілоту призначений для керування висотою, швидкістю і кутом тангажа, спираючись при цьому на відповідні сигнали, що поступають від навігаційної системи.

Алгоритми управління поздовжнього каналу автопілоту визначають значення керуючих сигналів: - відхилення руля висоти від положення рівноваги, а - відхилення дроселя двигуна від деякого номінального значення. Ці сигнали подаються на входи виконавчих механізмів (ВМ).

Боковий канал управління призначений для стабілізації БПЛА на лінії заданого шляху, стабілізації заданого курсу і координованого розвороту із заданим креном.

Рис.2.2. Типова структурна схема ПНК для БПЛА

Алгоритми управління бокового каналу виробляють керуючі впливи: - відхилення руля напрямку і - відхилення елеронів. Ці впливи подаються на входи відповідних виконавчих механізмів.[8]

Одним з основних завдань ПНК є забезпечення виходу БПЛА до заданого району і виконання операцій відповідно до польотного завдання, а також забезпечення доставки інформації, отриманої бортовими засобами БПЛА, на пункт управління.

ПНК і наземна апаратура управління повинні забезпечити наступні режими польоту БПЛА:

- зліт і посадку в ручному режимі з керуванням по радіоканалу оператором або в автоматичному режимі;

- політ в напівавтоматичному режимі з керуванням по радіоканалі з коректуванням дій оператора бортовою апаратурою ПНК;

- політ в автоматичному режимі по контрольних пунктах маршруту з одночасною передачею телеметричної інформації на наземну апаратуру управління (НАУ).

У ручному режимі оператор, візуально оцінюючи стан БПЛА за допомогою НАУ відхиляє органи управління (, , , ) за допомогою рульових машинок (РМ). Дальність роботи в ручному режимі обмежується видимістю БПЛА, але не перевищує, як правило 100 - 300 м. Функціональна схема ручного режиму керування показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Функціональна схема ручного режиму управління БПЛА

Напівавтоматичний режим можливий у радіусі дії радіоканалу, що для міні-БПЛА без застосування спеціальних радіоантенних засобів зназодиться в межах 2000 м.

Напівавтоматичний режим управління здійснюється за допомогою інформації про просторове положення БПЛА, одержаної по радіоканалу і відображеної на пристрої візуалізації НАУ. Функціональна схема напівавтоматичного режиму управління показана на рис. 2.4.

У напівавтоматичному режимі авіоніка БПЛА забезпечує два інформаційних потоки через радіоканал:

- від блоку ручного керування до системи управління;

- від датчиків і системи навігації через систему літаководіння, інтерфейс телеметрії на пристрій візуалізації параметрів польоту.

Рис. 2.4. Функціональна схема напівавтоматичного режиму управління

У напівавтоматичному режимі авіоніка БПЛА забезпечує два інформаційних потоки через радіоканал:

- від блоку ручного керування до системи управління;

- від датчиків і системи навігації через систему літаководіння, інтерфейс телеметрії на пристрій візуалізації параметрів польоту.

У напівавтоматичному режимі польоту БПЛА система управління здійснює контроль за командами НАУ, одержує по радіоканалу команди від НАУ, одержує поточну інформацію про кутову орієнтацію БПЛА і кутові швидкості від системи навігації.

Якщо БПЛА орієнтований у горизонтальній площині в межах заданих значень кутів і кутових швидкостей по всіх трьох осях, то команда передасться на РМ. У противному випадку на РМ передається команда стабілізації режиму горизонтального польоту, яка відпрацьовується відповідним алгоритмом системи управління.

Автоматичний режим - це забезпечення польоту по заздалегідь заданому за допомогою контрольних точок маршруту. У даному режимі можлива відсутність радіозв'язку БАУ з апаратурою НАУ.

Автоматичний режим польоту включається самостійно при виході БПЛА із зони дії радіоканалу. При цьому команди від блоку управління ігноруються. У цьому режимі польоту за показниками систем навігації і датчиків здійснюється автоматичне управління висотою і швидкістю польоту, курсом, а також при необхідності відхиленням від заданої траєкторії.

Функціональна схема управління автоматичним режимом польоту показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Функціональна схема управління автоматичним режимом польоту

В автоматичному режимі польоту управління здійснюється за принципом «наведення-стабілізація». Системи навігації і літаководіння вирішують завдання наведення, тобто виробляють команди наведення, які транслюються в систему управління польотом. Ці команди містять інформацію про необхідний і поточний напрямок польоту.

Система управління польотом 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.

З метою забезпечення ефективного включення людини в контур управління БПЛА в в ручному і напівавтоматичному режимах (час реакції людини становить 0,15...0.4 с) частота передачі команд управління від НАУ до БАУ повинна бути не менш 7 Гц [9].

Система управління польотом і система навігації виконуються, як правило, на окремих платах, які включають мікроконтролери (МК) і радіомодеми. Можлива реалізація даних систем і на одному МК.[10,11]

Дата добавления: 2015-12-07