Спредставляет Тульский государственный университет
УДК 531.383
МИКРОСИСТЕМЫ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ*
В. Я. Распопов
Рассмотрены принципы построения систем угловой ориентации беспилотных летательных аппаратов, в том числе вращающихся по крену с использованием микросистемных датчиков физических величин. Приведены технические характеристики микросистем ориентации, разработанных на кафедре "Приборы управления" Тульского государственного университета.
Ключевые слова: системы угловой ориентации, бесплатформенные системы ориентации, магнитометрические системы ориентации, пирометрические системы ориентации, видеосистемы ориентации, комплексирование.
ВВЕДЕНИЕ
Под беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) чаще всего понимают дистанционно управляемый (пилотируемый) летательный аппарат, способный совершать полет и в автоматическом режиме, при отсутствии пилота на его борту. БПЛА является частью комплекса, в который входит наземный пункт управления с его центральным звеном — человеком-оператором [1—4]. К БПЛА можно отнести и ракеты, в том числе — вращающиеся по крену.
При определении углового положения летательного аппарата (ЛА), включая БПЛА различных аэродинамических схем (самолетные, летающие крылья и т. д.), а также вращающейся по крену ракеты, применяют следующие системы координат (СК) (рис. 1) [ГОСТ 20058—80].
• ОХ\YgZg — нормальная СК, начало которой (точка О) помещено в центр масс ЛА. Ось ОУё направлена вверх по линии местной вертикали, а оси OXg и расположены в плоскости местного горизонта таким образом, что ось ОХ& направлена по касательной, а ось OZg — по нормали к траектории полета;
• OXYZ — связанная СК, начало которой (точка О) также совпадает
с центром масс. Ось ОХ направлена по продольной оси к носу ЛА, ось OZ совпадает с поперечной осью ЛА и направлена в сторону правого крыла (поперечная ось), а ось OY перпендикулярна плоскости поперечной симметрии ЛА (нормальная ось) и направлена вверх. Положение строительных осей ЛА в связанной СК определяется углами рыскания у, тангажа О и крена у. Эти углы ориентации ЛА называют углами Эйлера (Крылова-Эйлера);
• OXflYflZfl — скоростная СК с началом (точка О), помещенным в центр масс ЛА, и связанная с вектором V линейной скорости ЛА та-
ким образом, что ось ОХа направлена по вектору V, ось OYa направлена вверх и лежит в продольной плоскости симметрии ЛА, а ось OZa дополняет две предыдущие до правого трехгранника осей. Положение связанной СК относительно скоростной определяется углами скольжения р и атаки а. Угол в образован осью ОХа и ее проекцией на продольную плоскость симметрии ЛА, угол а образован осью ОХ и проекцией вектора V на плоскость симметрии ЛА.
Системы ориентации (СО) служат для определения углового положения (ориентации) летательного
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, номер проекта 10-0800230.
Рис. 1. Системы координат:
а — нормальная и связанная; б — связанная и скоростная
аппарата относительно опорной системы координат. Чаще всего в качестве опорной системы координат используется нормальная СК, ориентированная географически (ось 0Х& направлена по касательной к траектории полета ЛА на географический север). Применительно к ракетам опорную СК часто называют стартовой СК.
В БПЛА могут применяться следующие типы СО: бесплатформенная, магнитометрическая, пирометрическая, видеосистема и др. [5]. Чувствительными элементами бесплатформенной СО (БСО) являются гироскопы — датчики абсолютных угловых скоростей вращения (ДУС).
В магнитометрической СО (МСО) в качестве чувствительных элементов применяются магнитометры магниторезистивного типа (магниторезисторы).
Пирометрические СО (ПСО) в качестве чувствительных элементов используют пирометры, которые реагируют на разность температур между небосводом и земной поверхностью.
В видеосистемах информация об угловом положении БПЛА может быть получена с помощью обычной перспективной видеокамеры по положению в кадре линии видимого горизонта [6]. Другим источником информации в видеосистемах может быть катадиоптрический датчик [7], который представляет собой объединение сферического зеркала и видеокамеры с совмещенными оптическими осями.
Каждая из перечисленных СО имеет свои достоинства и недостатки. Для получения наилучшего результата, прежде всего с точки зрения обеспечения долговременной точности для различных условий эксплуатации БПЛА, применяется объединение (комплексирование) СО различных типов.
В статье изложены принципы построения СО БПЛА с датчиками различной физической природы, а также принципы комплексирования систем ориентации различных типов и основные результаты разработки микросистем ориентации, полученные на кафедре "Приборы управления" (ПУ) Тульского государственного университета (ТулГУ).
БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ
В БСО чувствительными элементами являются гироскопические датчики, устанавливаемые непосредственно на борту БПЛА. В качестве гироскопических датчиков в БСО БПЛА применяются микромеханические гироскопы (ММГ) [8], которые являются датчиками абсолютных угловых скоростей вращения и измеряют проекции вектора абсолютной угловой скорости БПЛА шх, Шу, шг на оси связанной СК. Функциональная схема БСО приведена на рис. 2 [9].
Из указанных проекций формируется гиперкомплексное отображение Q вектора ш, которое поступает в алгоритм решения кинематического уравнения в кватернионах
2 Л = Л ° Q - Qg ° Л, (1)
где Л — кватернион, характеризующий взаимную ориентацию связанной системы координат OXYZ и географической OXgYgZg. В алгоритм также поступает отображение Qg, составленное из проекций вектора абсолютной угловой скорости географической СК на свои же оси. Отображение Qg учитывает факт суточного вращения Земли и переносную угловую скорость БПЛА, вызванную его перемещением вдоль сферической поверхности Земли. При небольшой продолжительно -сти полета можно пренебречь вращением географической системы координат и положить Qg = 0, тогда проекции вектора угловой скорости БПЛА на оси связанной СК имеют вид (см. рис. 1, а):
шх = \j/ sin-Э + у ;
Шу = \j/ cos-cosy + Э siny;
шг = — \j/ cos-siny + -Э cosy. (2)
Для запуска алгоритма вводится также начальный кватернион ориентации Л(?ц). Результатом решения кинематического уравнения (1) является кватернион Л, который поступает в блок пересчета в углы Эйлера-Крылова (углы рыскания, тангажа и крена). Недостатком такой системы является накапливаемая во времени погрешность и, как следствие, ограниченное время работы.
Для устранения указанного недостатка в систему необходимо вводить дополнительную информацию, характеризующую угловую ориентацию БПЛА. Источником такой информации могут служить датчики линейного ускорения — микромеханические акселерометры (ММА).
Акселерометры измеряют так называемое кажущееся ускорение, включающее проекции на оси связанной СК ускорения свободного падения g и вектора ускорений, обусловленного движением БПЛА. Выделение первой составляющей кажущегося ускорения, изменение проекций которой вычисляется в
соответствии с выражением dg /й1 =
= g х о [10], может быть реализовано с помощью фильтра Калмана (ФК), производящего оценку проекций вектора g.
В свою очередь, составляющая кажущегося ускорения, обусловленная собственным движением БПЛА, будет подавляться ввиду малого значения коэффициента передачи ФК.
Структурная схема БСО (микросистемной вертикали), реализующая данный принцип, представлена на рис. 3 [11]. Микросистемную вертикаль можно условно описать физическим маятником с постоянной времени Т. Для обеспечения
ММГу ММГ^
Z'
Y
Шу
ММГХ
|Л(?о)
шХ
(у (Z
О,
ш ^ П
2Л = Л°П - ПЯ°Л
Пересчет в углы Эйлера-Крылова
Навигационный алгоритм
Рис. 2. Структурная схема БСО
Блок
микромеханических гироскопов
Гх
Zc
rz
Xc
Матрица прогноза
Блок
микромеханических акселерометров kYc
Фильтр Калмана
| gx, gy, gz
Блок вычисления углов тангажа и крена
Тангаж
Крен
L _ _ _ _ __ _ _ _ __ _ J
Рис. 3. Структурная схема микросистемной вертикали
более качественной работы системы при наличии ускорений БПЛА необходимо обеспечивать как можно большую постоянную времени.
Максимальное значение постоянной времени в данной системе определяется погрешностями ДУС, а также минимальным значением шага дискретизации, ограниченного характеристиками вычислительного устройства и аналогово-циф-ровых преобразователей измерительной цепи БСО. При современном уровне микросистемной и микропроцессорной техники удается достичь значения Т« 10 с.
Чтобы устранить влияние ускорений БПЛА на БСО при разгонах, торможениях и на виражах, контур коррекции по акселерометрам может быть разомкнут. Алгоритмически это может быть реализовано путем установки коэффициента передачи К равным нулю. При этом моменты виража и разгона легко идентифицировать по сигналам ММГ и ММА.
На основании принципов построения микросистемных вертикалей,
Рис. 4. Общий вид микросистемной вертикали (со снятой крышкой) на инерци-альных чувствительных элементах
соответствующих рисункам 2 и 3, на кафедре ПУ ТулГУ разработана микросистема ориентации, общий вид которой показан на рис. 4.
Основные технические характеристики микросистемы ориентации
Точность измерения углов
крена и тангажа, град.....0,5
Разрешающая способность,
град...................До 0,1
Диапазон линейных ускорений ...................До 6g
Диапазон угловых скоростей, °/с................До 300
Частота обработки данных,
Гц....................100
Рабочий диапазон температур, °C................-5...+60
Напряжение питания, В . . . 7...10
Габариты, мм........... 50x50x20
Масса, г...............50
Особый класс образуют БПЛА, вращающиеся относительно продольной оси с частотой до 20 Гц, с временем полета от одной до нескольких минут (управляемые ракеты). Некоторые типы ММГ, обладая хорошей чувствительностью и умеренным дрейфом нулевого сигнала, имеют ограничения по диапазону угловых скоростей (не более 1000°/с). В этом случае измерительную часть системы ориентации можно построить на основе двух ММГ, измерительные оси которых ХД, ХБ расположены под углами 90°—в п
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.