научная статья по теме АВИОНИКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АВИОНИКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ»

ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ

Измерения

Контроль

Автоматизация:

СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

Главный pедактоp — д-p техн. наук, п|)офессор В. Ю. Кнеллеp

УДК 629.7.05

АВИОНИКА МАЛОРАЗМЕРНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ1

В. Я. Распопов

Рассмотрены построение и проблемные вопросы разработки авионики малоразмерных беспилотных летательных аппаратов и пути их решения.

Ключевые слова: авионика, автопилот, беспилотный летательный аппарат, аппаратура управления, микросистемная техника.

СПИСОК СОКРАЩЕНИИ

БАУ — бортовая аппаратура управления БИНС — бесплатформенная инерциальная навигационная система

БПЛА — беспилотный летательный аппарат БСО — бесплатформенная система ориентации ДУС — датчик угловой скорости МБПЛА — малоразмерный БПЛА МК — микроконтроллер

МСО — магнитометрическая система ориентации МСТ — микросистемная техника НАУ — наземная аппаратура управления ПСО — пирометрическая система ориентации РМ — рулевая машинка

САУ — система автоматического управления СНС — спутниковая навигационная система

ВВЕДЕНИЕ

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) — это разновидность летательного аппарата, управление которым осуществляется при отсутствии пилота на его борту. Чаще всего под БПЛА пони-

1 Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 09-08-00891 "Концепция построения и проектирования авионики малоразмерных беспилотных летательных аппаратов".

мают 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.

Значительный интерес представляют БПЛА категорий Nano, Micro, Mini с взлетной массой от десятка грамм до килограммов, которые можно определить как малоразмерные БПЛА. Их количество приближается к 40 % от общего количества БПЛА всех категорий.

Авионика БПЛА — комплекс аппаратно-программных средств, располагаемых на его борту, т. е. бортовая аппаратура управления (БАУ), которая обеспечивает все режимы полета и выполнение функциональной задачи [1, 2]. Авионика имеет радиоканал связи с наземной аппаратурой управления (НАУ).

БПЛА, как объект управления, рулевые приводы органов управления, БАУ и НАУ образуют систему автоматического управления (САУ) БПЛА.

Большинство современных САУ выполняется по трехканальной схеме. Как правило, каналы носят название соответствующего рулевого органа: канал руля высоты (стабилизатора), канал руля направления, канал элеронов.

Цель статьи заключается в рассмотрении структуры и состава авионики МБПЛА, выявлении основных проблем ее создания и описании путей их решения.

ОБЛИК И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МБПЛА

Облик БПЛА определяется аэродинамической схемой и внутренней компоновкой двигателя, органов управления, оборудования и увязкой этих агрегатов с элементами конструкции планера БПЛА.

Аэродинамическая схема БПЛА характеризуется способом создания управляющих сил и управляющих моментов, а также взаимным расположением устройств, создающих эти силы и моменты. Схема обеспечивает возможность управления полетом, что необходимо для выполнения целевой задачи. Распространенными аэродинамическими схемами БПЛА являются "летающее крыло" и самолетная схема с хвостовым оперением. Тяга двигателя может создаваться как тянущим, так и толкающим винтом.

Для МБПЛА с взлетной массой до 30 кг реализуемы различные схемы взлета и посадки. Взлет может осуществляться "по-самолетному", с катапульты, с руки.

Посадка МБПЛА также возможна "по-самолетному", с применением парашюта, с применением сети, применяется также посадка "на брюхо".

Технические характеристики некоторых отечественных и иностранных МБПЛА приведены в табл. 1.

МБПЛА отечественных разработчиков имеют опыт гражданского применения.

Компания Aero Vironment поставляла малоразмерные БПЛА WASP, Raven, и Puma вооруженным силам США, Италии, Дании, Испании и Нидерландов. По состоянию на 2008 год было выпущено несколько тысяч аппаратов данного типа.

БПЛА "RQ-14 Dragon Eye" в качестве полезной нагрузки снабжен видео- и инфракрасными камерами. Выполнял боевые разведывательные вылеты в Ираке и Афганистане.

БПЛА RQ-11 Raven совершал боевые вылеты на территории Ирака и Афганистана.

Aladin состоит на вооружении германской армии и выполнял разведывательные полеты в Афганистане.

БПЛА Orbiter позволяет осуществлять разведку и наблюдение на расстоянии до 15 км от станции управления.

Boomerang — портативный комплекс, предназначенный для фото и видео наблюдения за небольшими участками.

Размеры МБПЛА налагают серьезные ограничения на бортовую аппаратуру управления. Основные требования, предъявляемые к авионике МБПЛА: высокие точность, качество и производительность; малые размеры и простая схемотех-

Таблица 1

Технические характеристики МБПЛА

Технические характеристики

Название БПЛА Страна Масса, кг Размах крыла, м Радиус действия, км Высота полета, м Скорость, км/ч Продолжи-

(производитель) взлетная полезной нагрузки Длина, м тельность полета, ч

Инспектор 101 0,25 0,05 0,3 — 1,5 25-500 30-45 0,5-1,0

ZALA 421-11 0,79 0,1 0,4 0,4 5 <2500 60-130 0,5

Инспектор 201 1,3 0,15 0,8 — 5 50-1000 35-90 0,5-0,6

ZALA 421-08 1,7-2,1 0,2 0,81 0,425 <15 50-3600 65-130 15

Т23 Элерон 2,8 - 1,47 0,45 10-30 <3000 65-105 1,25

БРАТ Россия 3,0 0,3 2,0 1,0 10 <5000 90 1,0

ИРКУТ-2М 3,0 0,3 1,5 0,5 20 300-3000 65-105 <1,5

ЛОКОН 3,5 0,6 2,0 0,95 <25 50-3000 60-120 1,0

ZALA 421-12 3,9 <1 1,6 0,62 <40 <3600 65-120 2,0

Т3 5,0 - 1,8 0,7 <25 - 60-120 1,0-1,5

Инспектор 301 5,5 0,4 1,5 — 15 <1000 55-150 0,75-1,5

WASP III 0,45 - 0,735 — 5 - - 0,7-0,8

RQ-14 США 2,7 - 1,1 0,9 <5 90-150 65 1

RQ-11 1,7 - 1,5 0,96 10 5000 95 1-1,2

Aladin Германия 3,2 - 1,5 — 15 30-150 37-76 -

Orbiter Израиль 6,5 - 2,2 1,0 15-50 >5000 - 2-3

Boomerang 7,0 1,2 2,75 — 15 500 55-110 2,5

Рис. 1. Функциональная схема ручного режима управления

г — - — — — — — — — — — — — -, г — — — — — — — — — — — — — — — —

Рис. 2. Функциональная схема полуавтоматического режима управления

ника; низкое энергопотребление; высокие надежность и отказоустойчивость; низкая цена.

Таким образом, основной проблемой развития БПЛА является поиск технического компромисса между снижением его массогабаритных характеристик и повышением функциональных возможностей при ограничениях на себестоимость разработки производства и эксплуатации.

РЕЖИМЫ ПОЛЕТА И СТРУКТУРЫ АППАРАТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ БПЛА

Бортовая и наземная аппаратура управления должна обеспечить 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).

В ручном режиме оператор, визуально оценивая поведение (состояние) БПЛА, с помощью НАУ отклоняет органы управления (рули, элероны, органы управления двигателем), приводимые в движение рулевыми машинками (РМ). Дальность работы в ручном режиме ограничивается видимостью БПЛА, но не превышает, как правило, 100 м. Функциональная схема ручного режима управления показана на рис. 1.

Полуавтоматический режим возможен в радиусе действия радиоканала, который для малоразмерных БПЛА без применения специальных радиоантенных средств находится в пределах 2000 м.

Полуавтоматический режим управления (пилотирование) в данном случае осуществляется с помощью информации о пространственном положении БПЛА, получаемой по радиоканалу и отображаемой на виртуальной приборной панели НАУ. Действия оператора в этом режиме управления корректируются САУ, выполняющей функции автопилота, не допускающего потенциально опасных параметров движения БПЛА. Функциональная схема полуавтоматического режима управления показана на рис. 2.

Рис. 3. Функциональная схема управления автоматическим режимом полета

В полуавтоматическом режиме САУ БПЛА обеспечивает два информационных потока через радиоканал:

— от блока ручного управления к устройству управления "Пилот";

— от датчиков и системы ориентации через устройство управления "Штурман", интерфейс телеметрии на устройство визуализации параметров полета.

В полуавтоматическом режиме полета БПЛА устройство управления "Пилот" осуществляет контроль за командами НАУ:

— получает по радиоканалу команду от НАУ;

— получает текущую информации об угловой ориентации БПЛА и угловых скоростях по двум осям (углу крена и углу тангажа) от системы ориентации. При этом могут использоваться комп-лексированные системы ориентации.

Если БПЛА ориентирован в горизонтальной плоскости в пределах заданных значений углов и угловых скоростей по всем трем осям, то команда передается на РМ, в противном случае на РМ передается команда стабилизации режима горизонтального полета, вырабатываемая алгоритмом автопилота в устройстве управления "Пилот".

Автоматический режим — это обеспечение полета по заранее заданному с помощью контрольных точек маршруту. В данном режиме возможно отсутствие радиосвязи БАУ с аппаратурой управления и связи (АУиС).

Указанный режим полета включается автоматически при выходе БПЛА из зоны видимости радиоканала. При этом команды от блока управления игнорируются. В этом режиме полета по показаниям систем ориентации и навигации и датчиков осуществляется автоматическое управление высотой и скоростью полета, курсом, воз-

можно также управление отклонением от заданной траектории.

Функциональная схема управления автоматическим режимом полета показана на рис. 3.

В автоматическом режиме полета управление осуществляется по принципу "наведение-стабилизация".

Модуль "Штурман" решает задачу наведения, т. е. вырабатывает команду наведения (включающую требуемое направление полета и текущее направление полета, вычисленное по сигналам систем ориентации, навигации и датчиков), которая транслируется "Пилоту".

Модуль "Пилот" решает задачу стабилизации, т. е. обрабо

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком