Введение к работе
Актуальность работы
Турбулентные движения воздушных масс в атмосфере оказывают существенное влияние на полет легкого беспилотного летательного аппарата (ЛБЛА). Случайные порывы ветра являются источниками дополнительных сил и моментов. Они приводят к неудовлетворительной динамике полета, обусловленной частичным совпадением амплитудно-частотных характеристик ЛБЛА и амплитудного спектра угловых скоростей турбулентности атмосферы в локальном частотном диапазоне. Кроме того, ЛБЛА являются более высокочастотными по сравнению с тяжёлыми летательными аппаратами, а эффективность автопилотов на высоких частотах существенно ниже в связи с применением исполнительных механизмов, быстродействие которых достигло своего физического предела. Для легких летательных аппаратов атмосфера даже средней интенсивности приводит к значительным угловым колебаниям, поэтому разработчики должны уделять большее внимание не только аэродинамическим, но и частотным свойствам.
Проблемы эксплуатации летательных аппаратов различного класса в сложных метеорологических условиях вынесены на обсуждение многих конференций. Так, на международной конференции, прошедшей в Англии в 2009 г., на первый план были поставлены вопросы стабилизации беспилотных летательных аппаратов в турбулентной атмосфере.
Стабилизация ЛБЛА имеет важное прикладное значение и с точки зрения обеспечения эффективности и качества работы различной целевой аппаратуры, в частности, системы целеуказания, включающей в себя видеокамеру. Угловые колебания приводят к погрешностям определения координат цели и ухудшению получаемого изображения. Известны два способа стабилизации изображения: электронный и оптический. Электронная стабилизация основана на резервировании элементов матрицы под возможное смещение изображения. Такая схема стабилизации эффективна в ограниченном диапазоне частот и при небольших смещениях камеры, а при съемке с движущихся объектов непригодна.
Оптическая стабилизация осуществляется с помощью системы линз, гироскопов и управляющей электромеханики. Она способна компенсировать вибрации различной амплитуды в широком частотном диапазоне от 1 до 15 Гц. Одно из самых важных преимуществ такой стабилизации - широкий интервал отрабатываемых углов обзора. Однако в качестве привода, управляющего системой линз, используют также исполнительные механизмы, ограничивающие быстродействие и увеличивающие размеры и массу видеокамеры. Существенным недостатком такой стабилизации является увеличение погрешностей определения координат цели за счет смещение поля зрения видеокамеры.
В этой связи, исследования, направленные на поиск путей эффективной стабилизации ЛБЛА в турбулентной атмосфере, являются актуальными. Альтернативное решение перечисленных проблем может быть найдено не столько в значительном усложнении автопилотов, сколько в согласованном проектировании планера и системы автоматического управления (САУ).
Цель диссертационной работы
Повышение качества стабилизации угловых колебаний ЛБЛА в турбулентной атмосфере путём выбора наилучшего сочетания параметров планера и автоматической системы управления.
Направление исследований
исследование ЛБЛА заданного класса как объекта управления;
исследование влияния изменения геометрических параметров планера ЛБЛА на частотные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;
синтез структуры автопилота, реализуемого в системах управления ЛБЛА;
исследование влияния турбулентной атмосферы на спектральные характеристики в каналах крена, рысканья и тангажа;
оптимизация геометрических параметров планера как объекта управления на основе наилучшего сочетания его частотных свойств с частотными свойствами САУ.
Методы исследований В работе используются методы математического моделирования и теории систем автоматического регулирования. Анализ и обработка экспериментальных данных производились с использованием программных продуктов Mathsoft Mathcad, MathWorks MathLab, Microsoft Office Excel, Solid Works, Cosmos Flo Works.
Достоверность и обоснованность
Все выводы, полученные в результате теоретических исследований, проверены и подтверждены путём компьютерного моделирования построенной пилотажной системы. Основные характеристики автопилота исследованы на полной нелинейной модели ЛБЛА с системами измерения, оценивания и управления, с учётом всех возможных ограничений параметров. При анализе работы использовалась модель конкретного ЛБЛА и модель внешних возмущающих факторов.
Результаты исследований использованы при разработке навигационно-пилотажной системы ЛБЛА комплекса «Типчак» и подтверждены лётными испытаниями.
На защиту выносятся
методика оптимизации системы управления ЛБЛА, позволяющая найти сочетание геометрических параметров планера и автопилота, обеспечивающее эффективную стабилизацию угловых колебаний в турбулентной атмосфере;
аналитические зависимости изменения геометрических параметров планера (угол V-образности крыла, плечо горизонтального оперения, размах крыла) и аэродинамических коэффициентов, связывающие компоновку с частотными свойствами ЛБЛА;
алгоритм оптимизации системы управления ЛБЛА в турбулентной
атмосфере, обеспечивающий выбор конфигурации и параметров планера на основе согласования частотных свойств объекта управления и автопилота. Научная новизна
предложен ЛБЛА как объект управления в турбулентной атмосфере, отличающийся таким сочетанием параметров планера и автоматической системы управления, которое обеспечивает максимальное подавление внешних возмущающих воздействий в широком частотном диапазоне;
разработана математическая модель, учитывающая влияние изменения параметров ЛБЛА (угла V-образности крыла, плеча горизонтального оперения, размаха крыла), позволяющая исследовать частотные свойства и спектральные характеристики по углам ориентации в турбулентной атмосфере различных конфигураций планера;
разработан частотный критерий оптимизации системы управления ЛБЛА, отличающийся оценкой качества стабилизации по взаимному расположению частотных характеристик объекта управления по возмущению и замкнутой САУ.
Практическая полезность и реализация результатов
Разработано математическое обеспечение, позволяющее на этапе проектирования, в соответствии с методикой оптимизации системы управления ЛБЛА, выбрать наилучшие сочетания геометрических параметров планера и автопилота с целью обеспечения эффективной стабилизации угловых колебаний в турбулентной атмосфере на основе расчета геометрических параметров, передаточных и частотных передаточных функций, а также спектров угловых колебаний.
Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании различных конфигураций планера и автопилотов легких беспилотных летательных аппаратов выбранной аэродинамической схемы, снизить стоимость разработки, придать комплексам новые функциональные возможности и повысить качество выполняемой целевой функции (определение координат объекта наблюдения) при неопределенных метеоусловиях в турбулентной атмосфере.
Результаты исследований внедрены на головном предприятии по комплексам с беспилотными летательными аппаратами ОАО «КБ «Луч» г. Рыбинск при разработке навигационно-пилотажной системы и планера ЛБЛА комплекса «Типчак».
Апробация работы
Основные результаты работы были вынесены на обсуждение на следующих конференциях: XXXV Молодежная научная конференция «ГАГАРИЙСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Москва, 2009 г.; 62-я региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов «МОЛОДЕЖЬ. НАУКА. ИННОВАЦИИ-2009» - Ярославль, 2009 г.; Всерос-
сийская молодежная научная конференция с международным участием «X КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Самара, 2009 г.; Международная молодежная научная конференция «XVII ТУПОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Казань, 2009 г.; Всероссийская молодежная научная конференция «МАВЛЮТОВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Уфа, 2009 г; I всероссийская научная конференция молодых ученых «ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА» - Рыбинск, 2010 г.; Международная молодежная конференция, посвященная 50-летию первого полета человека в космос «КОРОЛЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ» - Самара, 2011 г.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных трудов, из которых 4 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации содержит 132 страницы текста, 71 рисунок. Список литературы содержит 88 наименований.
