Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. 1 Анализ задач, решаемых беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) 12
1.1 Анализ бортовой информационно-вычислительной системы беспилотного средства 16
1.1.1 Компонентный анализ беспилотных летательных аппаратов 16
1.1.2 Система управления беспилотным летательным аппаратом 18
1.1.3 Бортовая аппаратура систем БПЛА 20
1.1.4 Бортовой комплекс навигации и управления БПЛА 22
1.2 Транспортные навигационные системы 24
1.2.1 Спутниковые навигационные системы 26
1.3 БПЛА для мониторинга транспортных потоков 30
1.3.1 Использование навигации и управление БПЛА 31
ГЛАВА. 2 Математическое моделирование системы управления БПЛА 37
2.1 Анализ моментов в продольном движении (моментов тангажа) 40
2.2 Передаточные функции БПЛА в продольном движении 42
2.2.1 Анализ переходных процессов продольного движения БПЛА ... 43
2.3 Система автоматического управления вертикальной скоростью (САУ
ВС) 47
2.3.1 Моделирование САУ ВС 48
2.4 Система автоматического управления высотой полета(САУ ВП) 54
2.4.1 Формирование САУ ВП 54
2.4.2 Моделирование САУ ВП 54
2.5 Разработка методов оценки времени переходных процессов при управлении БПЛА 61
2.5.1 Исследование устойчивости системы управления БПЛА
алгебраическими методами 2.6 Математическое моделирование управления полётом БПЛА с высоким
углом режима атаки в MATLAB 70
2.6.1 Линейные стационарные (LTI) системы 70
2.6.2 Дискретизированный контроллер, использующий удержание нулевого порядка 71
ГЛАВА. 3 Разработка, выбор и обоснование структурных схем бортовой системы управления БПЛА 74
3.1 Микрогироскоп и устройство датчиков 77
3.2 Акселерометр и устройство датчиков 84
3.3 Структура БПЛА с системой управления 88
3.3.1 Устройство управления контрольной наземной станцией 89
3.4 Структуры системы автопилота для управления БПЛА 90
3.5 Алгоритм работы многофункционального комплекса БПЛА 97
ГЛАВА. 4 Исследования автоматического управления беспилотными средствами 99
4.1 Микроконтроллерное устройство управления серводвигателями беспилотных транспортных средств 99
4.2 Бортовая информационно-вычислительная многопроцессорная система управления БПЛА 102
4.2.1 Характеристика многопроцессорной системы для управления БПЛА 105
4.2.2 Построение и реализация многопроцессорной системы управления БПЛА 106
4.3 Модель микропроцессорного устройства управления углом тангажа и крена беспилотного летательного аппарата 107
4.4 Структура адаптивной системы автоматического управления движением беспилотного транспортного средства 113
Заключение 118
Основные результаты работы 118
Список использованных источников
- Компонентный анализ беспилотных летательных аппаратов
- Анализ переходных процессов продольного движения БПЛА
- Структура БПЛА с системой управления
- Построение и реализация многопроцессорной системы управления БПЛА
Введение к работе
Актуальность темы.
Современные достижения в области микроэлектроники, вычислительной техники, связи, навигации и других областях науки и техники позволяют ставить и решать задачи создания качественно новых беспилотных наземных и беспилотных летательных средств мониторинга состояния среды и территорий. Повышение тактико-технических характеристик беспилотных средств, требует проведения исследований автоматических методов управления, получения и использования информации о местоположении, скорости, направлении и других параметрах движения, применения современных микропроцессорных структур, датчиков, приводов, исполнительных устройств и др.
Решение таких задач связано с разработкой алгоритмов и анализом структур бортовых систем, созданием математических моделей для количественной оценки параметров движения. Разработка методов проектирования адаптивных систем автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА), изменяющих параметры движения в зависимости от воздействий, действующих на объект управления, требует решения ряда научно-технических проблем, связанных с разработкой принципов и алгоритмов управления в автоматическом режиме, анализа и моделирования особенностей построения и функционирования адаптивной системы автоматического управления БПЛА.
В данной работе рассматривается комплексный подход к анализу качества работы и разработке математических моделей для количественной оценки параметров автоматических систем управления беспилотными средствами мониторинга. Разработанные алгоритмы и методы управления обеспечивают качественно новые характеристики беспилотных средств.
Управление полетом БПЛА осуществляется дистанционно с наземного пункта по радиоканалу или с помощью системы автоматического управления (САУ).
Распределенная многопроцессорная структура комплекса управления БПЛА, обеспечивает согласованную работу отдельных частных алгоритмов для одновременного решения задач управления и навигационных задач и обеспечивает выполнение алгоритмов в зависимости от решаемой задачи.
Программируемые микроконтроллеры подсистем сопряжены с центральным процессором системы управления и могут осуществлять
дополнительные функции управления. Программируемые
микроконтроллеры могут быть отдельными программными микроконтроллерами или составной частью процессора системы управления. Добавление программируемого микроконтроллера в систему управления даёт ряд очень важных преимуществ.
Практическая важность рассмотренных выше вопросов, и недостаточная проработка перечисленных задач определили выбор темы диссертации и направление исследований. Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны. Цель и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов, систем и алгоритмов автоматического управления беспилотными средствами мониторинга.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:
-
анализу и разработке математических моделей для количественной оценки параметров автоматических систем управления беспилотными средствами мониторинга;
-
разработке методов анализа и проектирования узлов систем автоматического управления БПЛА;
-
исследованию моделей многопроцессорной системы управления продольным движением, углами тангажа и крена;
-
исследованию устойчивости беспилотного летательного аппарата при различных режимах управления;
-
разработке структур и алгоритмов распределённых бортовых систем управления;
-
разработке принципов построения бортового комплекса управления;
7) разработке алгоритмов коммуникации с наземной станцией.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в
диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы проектирования микропроцессорных систем управления.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:
-
предложена классификация задач и методы решения этих задач при реализации системы управления при продольном движении;
-
разработана математическая модель для продольного движения;
-
предложена методика оценки устойчивости системы управления беспилотным летательным аппаратом при работе с малыми балансировочными углами крена и тангажа алгебраическими методами;
-
разработаны структурные схемы бортовых систем управления беспилотными средствами;
-
разработаны алгоритмы управления многофункциональным комплексом БПЛА и обработки информации о траектории, положении и параметрах;
-
предложен метод аппаратно-программного моделирования, позволяющий проводить анализ параметров управления для точного управления углами крена и тангажа;
-
проведены исследования модели микропроцессорной системы управления углом тангажа и крена.
Практическую значимость работы имеют:
-
разработанные алгоритмы автоматического управления беспилотными средствами мониторинга;
-
результаты математического моделирования режимов работы системы управления БПЛА;
-
результаты исследования устойчивости системы управления беспилотным летательным аппаратом при работе с малыми балансировочными углами крена и тангажа;
-
разработанная структурная схема многопроцессорной системы управления БПЛА;
-
разработанная аппаратно-программная модель микропроцессорного устройства управления углом тангажа и крена БПЛА.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ.
На защиту выносятся:
-
результаты математического моделирования задач управления полётом БПЛА с высоким углом атаки;
-
структурные схемы системы управления БПЛА и контрольной наземной станции;
-
алгоритмы работы многофункционального комплекса управления БПЛА;
-
архитектура системы управления БПЛА, обеспечивающая высокую мобильность, надёжность и быстродействие;
-
программы управления серводвигателем системы управления БПЛА;
-
результаты исследования физической модели устройства управления углом тангажа и крена.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладьшались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:
-
Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2011 г., 2012 г., 2013 г., 2014 г., 2015 г.
-
Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике», Зеленоград, Москва, 2013 г., 2014 г.
-
Конференции «Научная сессия МИФИ-2012 г.,2013 г., 2015 г. Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь и наука». МИФИ, Москва, 2012 г., 2013 г., 2015 г.
-
Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование» МГУ, Москва, 2012 г., 2013 г., 2014 г.
Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, в том числе пяти работах в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 14 работ.
По результатам работы получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015617576 г., и №2015618221 от 03.08.2015 г.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 139 страниц основного текста, 88 рисунков и 10 таблиц.
Компонентный анализ беспилотных летательных аппаратов
Возможным решением, удовлетворяющим такого рода требованиям, может стать использование различных комбинированных аэродинамических схем летательных аппаратов. Основные проблемы, характерные для традиционных типов летательных аппаратов: - вертолеты имеют ограниченные ЛТХ из-за особенностей аэродинамики, однако не имеют принципиальных ограничений по минимальной скорости полета, что обеспечивает уникальные взлетно-посадочные возможности; - самолеты имеют ограничение по минимальной скорости полета и по взлетно-посадочным характеристикам и при этом не имеют схемных ограничений на остальной высотно-скоростной диапазон, что позволяет получать высокие показатели транспортной эффективности.
Летательный аппарат, созданный по комбинированной аэродинамической схеме позволяет объединить достоинства основных классов летательных аппаратов, а специфика применения БПЛА позволит нивелировать недостатки такого объединения.
Существует два основных пути построения технического облика летательного аппарата комбинированной схемы - в качестве основы используется самолетная аэродинамическая схема (рис. 1.5) с наделением ее возможностями вертикального взлета и посадки.
Для БПЛА, предназначенных для эксплуатации с ограниченных площадок (палуб кораблей) и обладающих умеренной продолжительностью полета, целесообразным выглядит использование комбинированной аэродинамической схемы на базе вертолетной компоновки. Важным преимуществом для такого БПЛА станет сохранение высокой эффективности на режимах висения и движения с около нулевыми скоростями (противолодочные операции, наблюдение за зонами аварийных ситуаций и т.д.). Помимо этого, законы управления будут сохраняться неизменными в процессе увеличения скорости вплоть до максимальной.
Создание БПЛА по комбинированной схеме в основе которой лежит самолетная компоновка сдерживается как высокой сложностью реализации переходных режимов полета на летательных аппаратах небольших размеров, так и не востребованностью основного скоростного диапазона таких аппаратов 600...950 км/ч в настоящее время. При этом необходимо отметить, что в связи с ростом списка задач, решаемых БПЛА потребность в таких аппаратах может появиться в ближайшее время. Отработка основных решений перспективного БПЛА должна выполняться на испытательных стендах и масштабных демонстраторах технологий.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) являются не просто новым классом летательных аппаратов, а качественно новым, более высоким уровнем не только военной, но и гражданской авиации. Работы по созданию БПЛА проводятся в связи с постоянным повышением требований к их летным характеристикам. В сложившихся условиях очень важным является всестороннее теоретическое исследование БПЛА с использованием системного похода, а также применение новых моделей и алгоритмов для решения проблемных вопросов, неизбежно возникающих в процесс его проектирования. [4]
Анализ проблемы. Структуру организационно-технической системы (ОТС) беспилотной авиации с учетом требований системного подхода можно представить в иерархическом трехуровневом виде (рис. 1.19), где на первом (нижнем) уровне сложных технических систем находится БПЛА, на втором уровне - беспилотный авиационный комплекс (БАК), на третьем уровне ОТС техническое звено объединяется с арготическим. Такое представление для структуры ОТС беспилотной авиации позволяет с единых позиций трактовать понятия БПЛА, БАК и их составляющих элементов, а также определять их взаимосвязи.
Средства связи и управления - совокупность технических средств, предназначенных для обеспечения взлета, посадки, полета БПЛА (дистанционно пилотируемого летательного аппарата - ДПЛА) по заданному профилю и маршруту в автоматическом или автоматизированном режимах, а также для управления процессами применения бортового оборудования. В состав бортового оборудования БПЛА входят средства получения и передачи разведывательной (мониторинговой) информации. При этом такая информация может доставляться потребителям и сниматься после возвращения БПЛА на место базирования или, для повышения оперативности, ретранслироваться в полете на пункт наземного (надводного, воздушного) управления.
Пункт (пульт) управления БПЛА (ДПЛА) - наземные (корабельные, воздушные) технические средства управления БПЛА (ДПЛА) и его специальное оборудование, средства обработки полетной, разведывательной и другой информации.
Оператор управления БПЛА (ДПЛА) - специалист, осуществляющий с помощью технических средств управление БПЛА (ДПЛА).
Организационно-техническая система на основе БАК Основные элементы бортового оборудования БПЛА приведены на рис. 1.7. Бортовое оборудование БПЛА обеспечивает автоматическое, или по командам пункта дистанционного управления формирование сигналов стабилизации и управления полетом, сигналов управления устройствами полезной нагрузки, сохранение и передачу на наземный пункт управления (НПУ) информации о полете, о состоянии бортового оборудования и необходимую информацию от устройств полезной нагрузки.
Анализ переходных процессов продольного движения БПЛА
Использование САУ на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) диктуется требованиями повышения надежности, точности пилотирования, увеличения продолжительности полетов и т.д. Поэтому к САУ предъявляются самые различные требования по надежности, удобству и простоте обслуживания, сроку службы и т.п. Степень устойчивости, точность и качество переходных процессов в режиме управления, точность стабилизации параметров движения при постоянно действующих возмущениях необходимо постоянно изучать и совершенствовать. Качество системы в этом смысле всегда можно оценить по ошибке є\ является случайной функцией времени и возникает по разным причинам (в результате воздействия на объект управляющего сигнала или возмущения). [15]
Соответственно нулями системы называются корни многочлена v5/ , при которых rt\s) = и. Синтезу регуляторов состояния предшествует решение задачи построения эталонной модели системы управления, которая соответствует желаемому распределению на комплексной плоскости корней характеристического уравнения 40= и замкнутой системы. Если все составляющие вектора состояния объекта могут быть измерены (имеется полная информация о векторе состояния), то обеспечение заданного расположения корней не вызывает трудностей. В этом случае возникает вопрос о том, какое расположение корней выбрать. Если передаточная функция замкнутой системы не имеет нулей, то при выборе ее желаемого полинома Vs/ можно руководствоваться стандартными формами (фильтрами), которые нашли достаточно широкое применение на практике. Стандартные формы определяют коэффициенты характеристического полинома (знаменателя) функции -"v5/5 обеспечивающие в системе переходные и частотные характеристики с известными показателями качества.
Таким образом, в работе определена передаточная функция, отражающая влияние управляющего воздействия на угол тангажа.
В работе представлены результаты поисковых исследований устойчивости системы беспилотного летательного аппарата, направленные на разработку адекватных средств анализа их устойчивости. Линеаризацию данной модели произведем, выделив ряд эталонных режимов полета. Для каждого режима полета существуют максимальные значения углов тангажа и крена, которые БПЛА не должен превышать. Данные ограничения зависят как от аэродинамических свойств планера, так и от требований технического задания. [16]
Для данных режимов полета некоторые угловые скорости и угловые ускорения в связанной системе координат меняются несущественно, поэтому их влияние на gx, gy gz может быть учтено в контуре управления как постоянные множители для каждого режима полета. Коэффициенты передаточных функций определяются выражениями. Таким образом, подставляя в зависимости передаточных функций значения проекций угловых скоростей а х, щ, coz соответствующих необходимому режиму полета, можно получить линейную корректирующую функцию для этого режима. В такой ситуации большое значение имеют методы, позволяющие, не решая само характеристическое уравнение, определить, будут ли все его корни иметь отрицательную действительную часть, т.е. установить устойчивость системы. Одним из таких методов является критерий Рауса-Гурвица, который содержит необходимые и достаточные условия устойчивости системы.
Рассмотрим снова характеристическое уравнение a0an + axan x + a2an 2 + —I- an_1a + an = 0, описывающее динамическую систему. Заметим, что необходимое условие устойчивости выполняется, если все коэффициенты уравнения at 0. Поэтому далее считаем, что коэффициент до 0. Запишем так называемую матрицу Гурвица. Она составляется следующим образом. Главная диагональ матрицы содержит элементы а\, аг, ...,ап. Первый столбец содержит числа с нечетными индексами а\, аз, as, .... В каждой строке индекс каждого следующего числа (считая слева направо) меньше на 1 индекса предыдущего числа. Все остальные коэффициенты at с индексами больше п или меньше 0 заменяются нулями. В результате получаем матрицу, представленную на рис.2.36.
В соответствии с критерием устойчивости Рауса-Гурвица : Для того, чтобы все корни характеристического уравнения имели отрицательные действительные части, необходимо и достаточно, чтобы все главные диагональные миноры матрицы Гурвица были положительны при условии до 0 :Ai 0, А2 0, ..., Аи 0. Поскольку Аи = ап Аи і, то последнее неравенство можно записать какай 0. Критерий устойчивости Рауса-Гурвица относится к семейству алгебраических критериев. Его удобно применять для анализа устойчивости систем низкого порядка. [17]
Рассмотренные режимы полета являются частными случаями движения беспилотного летательного аппарата. В общем виде, используя передаточные функции и учитывая значения угловых скоростей а х, ( у ( можно использовать бесплатформенную гировертикаль (БГ) на всех режимах полета (не выделяя типовые режимы), а также для полета при возникновении сильных воздушных возмущений.
Представление систем с переменным входа-выхода имеет в основном технические преимущества: исследователь имеет дело с физическими переменными не только в конечном результате, но и на промежуточных этапах, и зачастую имеет возможность сопровождать теоретическое исследование экспериментом. Но при таком представлении математические описания различных систем и блоков даже в линейном случае получаются разнотипными в зависимости от порядков числителей и знаменателей их передаточных функций.
Более единообразное и удобное по форме математическое описание динамических систем с помощью дифференциальных уравнений можно получить, если ввести вместо некоторых (или всех) выходных переменных -У О другие переменные v , получившие название переменных состояния. Описание системы в этих переменных дается системой дифференциальных уравнений первого порядка, разрешенных относительно первых производных, т. е. уравнений в форме Копій:
Структура БПЛА с системой управления
Микроконтроллерными системами управления сегодня оборудуются многие выпускаемые БПЛА. Ужесточаются требования к экологическим и экономическим показателям БПЛА. Увеличивающаяся насыщенность БПЛА электрическими датчиками и исполнительными устройствами вынуждает создавать все более эффективные электронные системы для решения возникающих проблем. Это приводит к необходимости повышения функциональности, вычислительной мощности, надёжности микроконтроллера, используемого в системах управления.
Микроконтроллеры различных семейств ориентированы для работы в промышленных системах автоматизации, электроприводах, связи, робототехнике, в транспортных средствах и т.д. Главными отличиями между семействами являются:
В качестве требований, предъявляемых к встраиваемым вычислительным системам при определении наиболее предпочтительного варианта микроконтроллера, учитывается сложность задач, необходимость работы в мультипроцессорном режиме, необходимость обработки навигационных задач и задач визуализации. В современном БПЛА для управления различными устройствами достаточно широко используются шаговые двигатели и двигатели постоянного тока. [40] [41]
В данной работе, для решения задачи точного позиционирования, проведен анализ возможности применения серводвигателя, который значительно упрощает задачу управления.
В настоящее время наиболее распространены два типа серводвигателей, первый является стандартным серводвигателем, а второй является усовершенствованным серводвигателем. Вал стандартного серводвигателя может вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки максимум от 120 до 180 градусов, а вал усовершенствованного серводвигателя может вращаться до 360 градусов в обоих направлениях. На рис.4.2 приведены импульсы управления серводвигателем.
Импульсы управления серводвигателем Достижимая точность позиционирования делает их наиболее предпочтительными для управления механизмами, требующими точного позиционирования, например, реечного рулевого управления в режиме автопарковки и авто ведения или датчика сканера. На рис.4.1. приведена трех проводная схема управления серводвигателем.
На рис.4.2. приведена схема управления с использованием РІС микроконтроллера. Здесь контролируется направление серво с помощью переключателя SPDT подключенных к портам В1 и В2. В центральном положении, вал серводвигателя неподвижен. Когда переключатель находится в одном из крайних положений вал серводвигателя поворачивается на определенный угол в ту или другую сторону пропорциональный количеству прошедших импульсов.
В данной работе предложены варианты реализации многопроцессорной системы управления БПЛА. Основным критерием при разработке структуры системы управления БПЛА и выборе микропроцессоров является производительность. С развитием технологии производства полупроводниковых компонентов немаловажными свойствами стали также относительно малое энергопотребление и низкая цена. В состав БИВС входят следующие основные составные части: бортовая вычислительная система БВС, измерительный блок спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, модуль сотовой связи, телевизионная видеокамера, устройство ввода/вывода и управления, блок обработки внешних параметров, блок обработки параметров БПЛА. В качестве основного процессора в БВС используется микропроцессор TMS320C64xx. Рабочие характеристик и параметры процессора, используемого в работе, приведены в приложении к работе. На рис.4.4 представлена архитектура ПЦОС TMS320C64xx
Микропроцессоры семейства имеют 64 К портов ввода/вывода. Эти порты предназначены для связи с внешними устройствами с использованием минимума дополнительных внешних декодирующих схем. [42]
Как и в сериях TMS320C5x, TMS320C2xx, TMS320C54x, в TMS320C64xx реализована эффективная трехуровневая система управления энергопотреблением. Низкое, управляемое энергопотребление, высокая производительность (до 66 MIPS) и широкие функциональные возможности при невысокой цене предопределили востребованность ПЦОС TMS320C64x в следующих областях: сотовые и радиотелефоны, персональные системы радиовызова, «персональные цифровые ассистенты» (PDA), техника беспроводной передачи данных (радиосети), навигация и т.д. [43]
К семейству С64х относится достаточно обширное количество процессоров, отличающихся по производительности, объему внутренней памяти и набору периферии с идентичным ядром центрального процессора. По сути, ядро процессора состоит из 8 параллельных вычислительных модулей, а командное слово является 8 параллельными командными словами. Процессоры обладают 1600 MIPS, работают на частоте 200 МГц; имеют по 64 кбайт ОЗУ программ и данных, 32-битный интерфейс внешней памяти, набор универсальных многоканальных буферизированных последовательных портов, что позволяет осуществлять непосредственный обмен между устройством и памятью, не используя при этом ресурсов процессора. Максимальная скорость обмена по последовательному порту может составлять до 40 Мбайт/с.
Интерфейс главного порта (HPI) — 8-разрядный параллельный порт, предназначенный для связи ПЦОС и хост-процессора системы. Обмен данными между хост-процессором и ПЦОС осуществляется через внутри кристальную HPI-память объемом 2 К 16-разрядных слов, которая может также использоваться как память команд или данных общего назначения. Скорость обмена по HPI составляет до 160 Мбайт/с. [44]
ПЦОС данной под серии содержит высокоскоростные дуплексные последовательные порты, позволяющие связываться с другими процессорами, кодами и т.д. В ПЦОС реализованы следующие разновидности последовательных портов: универсальный; мультиплексный с временным уплотнением; с авто буферизацией.
Построение и реализация многопроцессорной системы управления БПЛА
Проведение мониторинга территорий в интересах предупреждения пожаров, наводнений и других чрезвычайных ситуаций с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является весьма актуальной задачей, повышающей эффективность методов борьбы со стихийными бедствиями. При этом важнейшую роль в обеспечении тактико-технических характеристик БПЛА играет бортовая информационно-управляющая система, управляющая полетом. Обеспечение точности, устойчивости и быстродействия при управлении БПЛА является ключевой задачей и требует отработки системы с использованием всех возможных средств моделирования. Отработка системы при работе с малыми углами требует разработки модели, обеспечивающей необходимую точность и режимы работы.
При решении поставленной задачи математическое описание системы и блоков даже в линейном случае получается разнотипным в зависимости от порядка числителя и знаменателя их передаточных функций. В структуре контура системы автоматического управления (САУ) БПЛА наиболее удобно использовать аналоговую, линеаризованную модель.
Упрощенная структурная схема замкнутой системы автоматического управления углом тангажа и углом крена и с модулями двигателей постоянного тока приведена на рис.4.6.При подаче на систему управления уставки заданного угла, компаратор сравнивает угол ("зад) с фактическим углом (- ), получаемым от датчика угла и вырабатывает ошибку (- 0M). Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в эквивалентный цифровой код. Микроконтроллер проводит обработку сигналов по каждой оси и выдаёт управляющие сигналы на драйвер для управления двумя двигателями постоянного тока одновременно по 2 каналам ШИМ, которые друг от друга не зависят и обеспечивают необходимый ток через двигатель. Фактическое значение угла вала двигателя определяется угловым датчиком, имеющим аналоговый выход.
Где х(р) -передаточные функции по каналам проекций соответственно, ащ блока аналого-цифрового преобразователя, Жмк - блока микроконтроллера; WM W двигателя постоянного тока; - датчика угла обратной связи. Для отработки системы управления углом тангажа а и углом крена /? БПЛА разработан макет САУ с модулями двигателей постоянного тока. В макете используется микроконтроллер PIC16F887. Программирование осуществляется на языке Си. Ключевые особенности микроконтроллер PIC16F887 резюмируются следующим образом;
На рис.4.7 представлен стенд для физического моделирования устройства управления углом тангажа и крена с использованием кита (отладочной платы) МЕ-EASYPIC6. Микроконтроллер PIC16F887 использует шесть выводов порта для подключения микросхемы для управления двумя двигателями постоянного тока одновременно. Для формирования управляющего сигнала с ШИМ используется два таймера в составе микроконтроллера.
Механизм управления двигателями обеспечивает три режима: вал двигателя вращается по часовой стрелке; вал двигателя вращается против часовой стрелки; вал двигателя неподвижен.
Блок-схема управления углом тангажа а и углом крена /? с модулями двигателей постоянного тока В стенде для физического моделирования устройства управления углом тангажа и крена используется отладочная плата ME-EASYPIC6.Стенд включает отладочную плату, акселерометр, микросхему АЦП, двигатели постоянного тока, микрогироскоп и блок питания. На экране, расположенном на отладочной плате микроконтроллера отображаются значения оценок по каждой оси. Функция акселерометра на базе АВХЬЗЗО-управление каждой осью. В блоке управления двигателем постоянного тока используется микросхема L293D полумостового драйвера (может быть заменена на SN754410). Микрогироскоп управляет каждой осью для стабилизации, а блок питания даёт энергию микрогироскопу. Двигатели постоянного тока обеспечивают работу по каждой оси. Для отработки режимов управления разработана и реализована аппаратно-программная модель. Функциональная схема устройства управления углом тангажа а и углом крена /? с модулями двигателей постоянного тока приведена на рис.4.8. приведен алгоритм стабилизации углов тангажа и крена управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). Для реализации алгоритма разработана программа для управления углом тангажа - а и углом крена - р с модулями двигателей постоянного тока, позволяющая реализовать обобщенную концепцию управления.
Алгоритм управления углом тангажа а и углом крена /? Разработанная модель устройства позволяет проводить исследования параметров качества и устойчивости системы управления БПЛА, обеспечивая решение задачи управления углом тангажа - а и углом крена - Д используя модули двигателей постоянного тока, а также позволяет отработать режимы и алгоритмы работы системы автоматического управления для обеспечения высоких тактико-технических характеристик БПЛА.
В данном разделе рассматривается адаптивная система автоматического управления движением автомобиля, обосновывается выбор её составных частей. В работе предложена структура адаптивной системы автоматического управления движением, проведена разработка функциональной схемы системы управления антенной, которая использует многолучевые датчики и локаторы, работающие с высокой скоростью обзора пространства. Обладая высокой информативностью, она обеспечивает автоматическое управление автомобилем практически в любых дорожных ситуациях и погодных условиях. Система представляет собой этап развития радиолокационных систем, предназначенных для применения на наземном транспорте. Здесь объединены достижения в области радиолокации, антенной техники мм-диапазона длин волн, а также программно-аппаратных средств цифровой обработки радиолокационных сигналов. Система радиовидения открывает новый этап в управлении движением транспортных средств в условиях ограниченной оптической видимости и создает предпосылки для создания системы автоматического управления транспортными средствами. Разработанная система радиовидения предназначена для управления автомобилем в условиях ограниченной оптической видимости, когда движение автомобиля при визуальном контроле либо по данным оптических датчиков затруднено, а порой невозможно. Таким образом, не только повышается безопасность движения автомобиля в условиях ограниченной оптической видимости, но и открываются совершенно новые возможности: управление движением в отсутствии оптической видимости.
Общий принцип построения и работы антенной и приемопередающей частей основан на традиционной схеме импульсной РЛС кругового обзора. Антенна имеет веерообразную диаграмму направленности, т. е. узкую в азимутальной и достаточно широкую в угломестной плоскостях. [12]