Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния, методов и условий функционирования ДПЛА при решении целевых задач полета 12
1.1. Современное состояние разработок и классификация существующих ДПЛА 12
1.2. Предметная область и эвристические задачи обзорно – аналитического исследования 17
1.3. Влияние атмосферной турбулентности на динамику движения легкого ДПЛА 20
1.4. Определение предельных граничных условий эксплуатации ДПЛА на основе оценки его усталостной повреждаемости при полете в неспокойной атмосфере 25
1.5. Применение теории нечетких регуляторов для синтеза систем управления ДПЛА с ограниченной неопределенностью 28
1.6. Элементы теории синтеза робастного регулятора 30
1.7. Краткое описание объекта исследования 32
Выводы по главе 1 34
Глава 2. Построение математических моделей «объект управления среда его функционирования» 36
2.1. Типовая структура системы информационного обеспечения движения ДПЛА 36
2.2. Формулировка задачи выбора структуры математического описания и используемых типов моделей 37
2.3. Исходная нелинейная детерминированная модель пространственного движения ДПЛА 39
2.4. Принципы линеаризации исходной нелинейной модели состояния ДПЛА и учет влияния возмущающих факторов в детерминированной постановке 44
2.5. Каноническая форма представления линеаризованных уравнений возмущенного движения ДПЛА в окрестности опорного движения 50
2.6. Представление моделей управления в исходной системе уравнений состояния ДПЛА при наличии «остаточных возмущений» 53
2.7. Численное моделирование невозмущенного номинального движения ДПЛА в детерминированной постановке 55
2.8. Выбор структуры математических моделей атмосферных воздействий, используемых при оценивании параметров возмущенного
движения ДПЛА в стохастической постановке 59
Выводы по главе 2 68
Глава 3. Стохастическое оценивание переменных состояния, аэродинамических характеристик и параметров подстилающей поверхности 69
3.1. Постановка задачи квазиоптимального оценивания характеристик на основе синтеза алгоритмов фильтрации с априори допустимой ограниченной неопределенностью 69
3.2. Структура и содержание математического моделирования процесса оценивания 72
3.3. Ориентировочный сценарий реализации бортового алгоритма и метод анализа достижения цели управления 81
3.4. Проблемы оптимальной обработки результатов наблюдений и повышения точности нахождения относительных координат ДПЛА «цель» 82
3.5. Приближенный алгоритм адаптивной оптимальной фильтрации мультиструктурных марковских процессов 87
3.6. Модели подстилающей поверхности и фоно-целевой обстановки 89
3.7. Условия функционирования фильтра 93 Стр.
Выводы по главе 3 94
Глава 4. Анализ применимости существующих компьютерных технологий для автоматизации синтеза нечеткого управления движением легкого ДПЛА в сложных метеорологических условиях 96
4. 1. Постановка задачи и исходные предпосылки 96
4.2. Краткие сведения о структуре нечетких систем 97
4.3. Нечеткая система Такаги-Сугено (Т-S система) 97
4.4. Обобщенная математическая модель возмущенного состояния системы «ДПЛА - внешняя среда» 101
4.5. Результаты компьютерного моделирования 110
Выводы по главе 4 114
Общие выводы по работе 115
Литература
- Влияние атмосферной турбулентности на динамику движения легкого ДПЛА
- Формулировка задачи выбора структуры математического описания и используемых типов моделей
- Представление моделей управления в исходной системе уравнений состояния ДПЛА при наличии «остаточных возмущений»
- Обобщенная математическая модель возмущенного состояния системы «ДПЛА - внешняя среда»
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время беспилотные комплексы, системообразующим элементом которых является дистанционно пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), относятся к одной из наиболее динамично прогрессирующих областей авиационной техники. Практически во всех развитых странах мира они находят применение при решении достаточно широкого круга задач экологического мониторинга, выявления последствий природных и техногенных катастроф и др.
Как показали многочисленные исследования, к числу наиболее
существенных факторов, влияющих на нормальное (штатное)
функционирование легких ДПЛА самолетного типа, относятся турбулентность атмосферы при полете в сложных метеорологических условиях и, особенно, ветровые пульсирующие нагружения планера, носящие стохастический характер.
Случайные кратковременные перемещения воздушных масс, служащие источником дополнительных сил и моментов, действующих на ДПЛА, часто исключают возможность получения достоверной обзорной информации, усложняют процесс интерактивного управления при формировании команд дистанционно удаленным оператором по наблюдаемому ТВ - изображению, получаемому с борта в темпе полета.
Решение задачи обеспечения инвариантности устойчивого изображения «цели» (наблюдаемого объекта) по отношению к внешним возмущениям может осуществляться, в принципе, как в результате совершенствования собственно информационных систем и реализуемых в них алгоритмов (комплексирование, использование гиростабилизаторов, применение методов теории оптимальной фильтрации и идентификации и др.), так и методов управления ДПЛА (синтез систем активной адаптации, систем искусственного интеллекта, в том числе с использованием нейронных сетей, обладающих адаптивными свойствами, либо удовлетворяющих условиям требуемой грубости и стабильной сходимостью процессов (гибридные, структуры с нечеткими и традиционными алгоритмами и т.д.)). Не исключено применение и комплексных подходов.
К другим направлениям «регуляризации» процесса относится решение задачи априорного планирования маршрута полета легкого ДПЛА с учетом прогнозной информации о ветровой обстановке в зоне полета. Однако, исключение отдельных районов при маршрутизации, также как и отказ от применения ДПЛА при возникновении экстремальных погодных условий, превосходящих интервально допустимые, не всегда приемлемо, а в ряде случаев, просто недопустимо. Нетрудно представить себе ситуацию, когда возможность получения обзорной информации из «проблемного» удаленного района даже при минимальной возможности реализации этого события, в состоянии превысить очень высокий уровень вероятности потери ДПЛА при его эксплуатации в экстремальных условиях.
Следует отметить, что многие из перечисленных выше направлений повышения эффективности применения ДПЛА в сложных погодных условиях уже нашли отражение в исследованиях других авторов. В частности, могут быть указаны выполненные на уровне кандидатских диссертацией работы Ле Ки Биена (БГТУ, 2004 г.), Хаммуда Абдуллы (МГТУ, 2004 г.), С.П.Фирсова (МАИ, 2005 г.), Буй Куанг Ли (МАИ, 2008 г.), Ли Вейя (МАИ, 2008 г.), А.Г.Кузнецова (МАИ, 2011 г.), Фан Суан Куена (МАИ, 2013 г.) и др.
Тем не менее, многие вопросы, представляющие как теоретический, так и
практический интерес в рамках обсуждаемой научно - технической задачи,
продолжают оставаться недостаточно исследованными. Указанные
обстоятельства дают основание считать тему диссертационного исследования актуальной.
Объект исследования. В качестве объекта исследования в диссертации рассматриваются ДПЛА легкого класса самолетного типа.
Предметом исследования служат методики, модели и численные результаты, используемые в процессе анализа и разработки алгоритмов управляемого движения ДПЛА в сложных погодных условиях при наличии неопределенностей.
Целью работы является повышение эффективности целевого
функционирования легкого ДПЛА в сложных, включая экстремальные, погодных условиях за счет поиска приемлемого компромисса в отношении допустимого уровня ограниченной точности оценивания параметров движения и аэродинамических характеристик (АДХ) ДПЛА (с учетом неопределенной информации о турбулентных характеристиках воздушного поля) и применения рациональных алгоритмов управления с использованием модифицированных нечетких регуляторов, способных «справиться» с действием остаточных возмущений.
Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие научно-технические задачи:
-
Проанализировать состояние и перспективы совершенствования ДПЛА с точки зрения возможностей повышения эффективности целевого функционирования в сложных метеорологических условиях их применения.
-
Разработать компромиссные модели движения ДПЛА и атмосферных возмущений, а также осуществить их адаптацию применительно к решению задач оптимальной, либо как минимум, рациональной статистической обработки информации.
-
Оценить пути и возможности практической реализации бортовых алгоритмов фильтрации и идентификации параметров движения и характеристик ДПЛА в темпе полета с учетом неопределенности и реализуемости интерактивного управления.
-
Синтезировать работоспособные модифицированные законы нечеткого управления, удовлетворяющие заданным требованиям.
-
На основе результатов численного моделирования процессов движения выполнить анализ применимости существующих компьютерных технологий
для автоматизации синтеза нечеткого управления легкого ДПЛА в рассматриваемых случаях их эксплуатации.
Методы исследования. При решении сформулированных задач
использовались методы динамики полета беспилотных ЛА, современной
теории автоматического управления, стохастической динамики полета, теории
нечетких множеств, основные положения теории нечеткого управления,
методы математического моделирования, прикладные программы и
универсальный программный пакет (ПП) MATLАB.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем.
-
Показано, что применительно к выявленной тенденции сокращения массы, а тем более создания мини ДПЛА, масса которых исчисляется единицами (максимум несколькими десятками) килограммов, практически единственным направлением существенного повышения эксплуатационных характеристик, гарантирующих обеспечение требуемого уровня инвариантности их применения к условиям состояния атмосферы, является интеллектуализация СУ легких ДПЛА на основе методов нечеткого управления.
-
Разработано методическое обеспечение в виде комплекса математических моделей и методик исследования, адаптированных к задачам определения основных характеристик ДПЛА и их СУ, функционирующих в неспокойной атмосфере.
-
Сформулирован принцип оценивания АДХ ДПЛА с априори допустимой ограниченной неопределенностью и на его основе синтезирован бортовой алгоритм идентификации соответствующих характеристик.
-
Получены выражения законов управления модифицированных нечетких регуляторов, удовлетворяющие заданным требованиям.
-
На основе выполненных численных исследований установлена возможность достижения высокого качества управления при использовании нечетких регуляторов в составе бортовых СУ ДПЛА и возможность автоматизации их настройки с использованием существующих компьютерных технологий (Toolboxe Fuzzy, Simulink).
Практическая значимость результатов исследования.
-
Предложенные в диссертации математические модели, методики и алгоритмы могут служить основной для разработки бортовых алгоритмов интеллектуализированных СУ перспективных ДПЛА.
-
Полученные научные результаты, имеющие методическую направленность, в состоянии сократить время и повысить достоверность результатов обработки информации в реальном масштабе решения поставленных перед ДПЛА целевых задач в сложных погодных условиях эксплуатации.
-
Отдельные результаты работы могут быть непосредственно использованы в процессе проектирования и разработки перспективных легких ДПЛА и их систем управления.
Достоверность и обоснованность научных положений и полученных
результатов гарантируются корректным использованием математических
методов, моделей и алгоритмов, четкой формулировкой допущений и условий,
в рамках которых проводились расчеты, а также достаточным объемом
численного моделирования исследуемых процессов с получением
непротиворечивых результатов.
Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.
1. Методическое и программно-алгоритмическое обеспечения в виде
комплекса математических моделей, законов управления и методик их
исследования, адаптированных к задачам определения основных динамических
характеристик ДПЛА, функционирующих при полете в неспокойной
атмосфере.
2. Методика комплексной обработки информации в реальном масштабе
времени, базирующаяся на сформулированном принципе допустимой
ограниченной неопределенности оценивания характеристик и параметров
движения ДПЛА в условиях неполных и недостоверных сведений о состоянии
атмосферы.
3. Результаты численного тестирования разработанного программно-
алгоритмического обеспечения.
Апробация работы и публикации.
Результаты исследований докладывались и были одобрены на:
научных семинарах кафедры Динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2014 г.);
XXXVIII Академических чтениях по космонавтике в МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2014 г.).
Наиболее существенные положения и результаты диссертационного исследования нашли отражение в пяти статьях в журналах перечня изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Объемом 3 п.л./1,2 п.л.
Диссертационная работа стоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 44 наименования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа стоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 44 наименования. Текст диссертации изложен на 121 машинописных страницах, содержит 25 рисунков и 4 таблицы.
Влияние атмосферной турбулентности на динамику движения легкого ДПЛА
Дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) получили развитие и первоначально создавались прежде всего, как средства, способные заменить за счет допустимых реализаций широких возможностей и функций существенно более дорогостоящие в производстве и сложные в эксплуатации беспилотные самолеты – разведчики (или иначе беспилотные летательные аппараты (БЛА)) типа «Стриж» и «Рейс» разработки КБ А. Н.Туполева. Основным назначением указанных беспилотников являлась тактическая и оперативно-тактическая разведка с использованием аэрофотосъемки при пролете над представляющей интерес территорией в автоматическом режиме в соответствии с заложенными в их системы управления (СУ) программами и алгоритмами.
Мощным импульсом к началу ДПЛАстроения в СССР послужили хорошо известны события в долине Бекаа, в процессе которых израильские ВВС с помощью ДПЛА «Мастиф» и «Скаут» осуществили обнаружение, а затем и практически полное уничтожение сирийской группировки ПВО. Как следствие, в результате опытно-конструкторских разработок, начатых в СССР с 1982г., были созданы первые разведывательные комплексы на базе ДПЛА, наиболее известным из которых считается комплекс «Строй-П» с ДПЛА «Пчела-1».
Особую привлекательность и актуальность ДПЛАстроение получило с момента принятия концепции использования сетевых информационных технологий при планировании боевых операций независимо от их интенсивности и территориального масштаба [4]. Сетецентрические принципы информационного обеспечения, при которых автономная тактическая боевая единица рассматривается как объект в сетевом обмене информации (узел сети), не могут быть реализованы на практике без получения соответствующей достоверной информации на основе применения средств воздушной и космической разведок, о чем, в частности, свидетельствовало широкое применение американским воинским контингентом ДПЛА «Пойнтер» фирмы Aero Vironment (США) при проведении операции «Буря в пустыне». Если учесть при этом, что ДПЛА оказались незаменимым средством информационной поддержки действий различных подразделений в экстремальных условиях, характерных для разного рода чрезвычайных ситуаций, практически все страны мира сочли необходимым «вложиться» в создание разработок собственных ДПЛА.
Среди наиболее известных конструкций ДПЛА могут быть отмечены отечественные (помимо уже названного аппарата «Пчела-1»), ГрАНТ, «Отшельник», ДПЛА комплексов «Типчак», «Мушкатель», «Элерон» и др.; американские: ДПЛА комплексов «Пойнтер», «Нетопырь-3», линейка комплексов тактических ДПЛА «Тень» – 200, 400, 600 и др.; израильский ДПЛА «Орбитер», линейка китайских ДПЛА корпорации «Кайтик» ASN-7, 15, 105B, 207 и др.
Об уровне достигнутого прогресса в области ДПЛАстроения в наиболее технически развитых странах мира можно судить хотя бы на основании следующих характеристик российских ДПЛА различных поколений, объединенных общим назначением (наблюдение поля боя в тактической глубине, обзор состояния территорий): - ДПЛА «Пчела-1» (1990 г.), вес 140кг., старт за счет двух пороховых ускорителей, размещение на десантном бронетранспортере; - ДПЛА ГрАНТ (2001 г.), вес 20кг., старт за счет энергии опускающегося груза, размещение на двух автомобилях типа УАЗ; - ДПЛА БРАТ – ближний разведчик аэродинамический телевизионный (2003 г.), вес 2,8кг., старт – запуск «c руки», транспортно-пусковая установка не требуется. Не ставя целю рассмотрение и построение классификации всех возможных типов многофункциональных БЛА, ограничимся анализом аппаратов, назначение которых дает основание отнести их к классу БЛА информационного обеспечения. Отличительными особенностями такого типа БЛА являются: - ограниченность их функций исключительно решением задач детальной разведки и информационного обеспечения служб и средств, использующих соответствующую информацию в своих целях; - дистанционное управление движением БЛА в процессе полета. Учитывая последнее, для «вычленения» обсуждаемого типа БЛА, будем использовать в их отношении исключительно термин «дистанционно пилотируемые летательные аппараты». Однако, даже этот, казалось бы достаточно узкий класс ЛА, не является таковым, в силу достаточно большого разброса их стартовой массы, аэродинамической компоновки и применения двигательных установок (ДУ) различного типа.
Наиболее просто решается вопрос о выделении подклассов на уровне компоновочных схем: возможно применение либо самолетной, либо вертолетной схем. Каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками, обсуждение которых не является предметом настоящей работы.
Что касается применяемых двигательных установок, то они подразделяются на установки «тянущего» и «толкающего» типов и различаются видом используемого источника энергии, применяемого для обеспечения их функционирования: ДУ внутреннего сгорания и электропривод на основе аккумуляторов различного принципа действия.
Наиболее характерным двигателем внутреннего сгорания является калильный двигатель, работающий на метаноле. Такого типа двигатели способны обеспечить возможность функционирования сверхлегких (см. ниже) ДПЛА на авиационных (в одну сторону) дальностях полета порядка 90 км.
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в начале 90-х годов прошлого столетия, обладали недостаточной удельной емкостью и не имели «широкого хождения». Ситуация резко изменилась с появлением химических источников тока высокой удельной емкости в сочетании с источниками на редкоземельных элементах.
Сопоставимые по характеристикам предыдущему ДПЛА с электродвигателем способны обеспечить дальность действия комплекса на уровне авиационной дальности порядка 20 км при продолжительности полета чуть более 0,5 часа. Использование реактивных двигателей на современных ДПЛА в качестве маршевых как правило не предполагается. Однако, они могут применяться в комбинации с электродвигателями, либо ДУ внутреннего сгорания на начальном участке полета в качестве стартовых ускорителей. Это имело место, например, в уже упомянутом комплексе «Строй-П», в котором при старте ДПЛА «Пчела-1» применялось два пороховых ускорителя. Наиболее типичным классификационным признаком ДПЛА следует считать их массу. При очевидной общей тенденции её снижения, отраженной выше, она (эта тенденция) конечно не означает, что все создаваемые сегодня аппараты будут укладываться в весовой диапазон, исчисляемый килограммами, а уже тем более граммами.
Формулировка задачи выбора структуры математического описания и используемых типов моделей
Типовая структура ДПЛА включает в себя, как правило, бортовую систему управления полетом (БСУП), навигационную систему (НС), бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ), запоминающее устройство, обзорно-информационную систему (ОИС), и приемо-передатчик, связанный по радиоканалу с наземной станцией интерактивного управления.
БСУП представляет собой взаимно сопряженные систему дистанционного управления полетом, автопилот, систему программного траекторного движения, систему приводов с рулевыми машинами и исполнительными органами (рулями) и устройствами регулирования работы двигателя ДПЛА. В качестве ОИС могут быть использованы радиолокационная станция, лазерный локатор, телевизионная и тепловизионная системы, либо их комбинации.
Каждая из перечисленных систем обладает своими достоинствами и недостатками. Тем не менее, обычно принято считать, что предпочтительным является радиолокационный канал (РК) активного типа, использующий фазоманипулированный зондирующий сигнал. Недостатком такого типа систем является, правда, увеличенные, например, по сравнению с телевизионным каналом (ТВК), масса и габариты, а также существенно более высокая сложность алгоритма обработки и практического (в процессе селекции) использования сигнала.
Как показал выполненный в предшествующей главе анализ основных тенденций создания современных ДПЛА разведывательного назначения, направленных на уменьшение их веса и габаритов, отмеченный недостаток является существенным. Вписать РК активного типа в конструкцию, вес которой исчисляется десятками, а уж тем более единицами килограммов, оказывается достаточно сложно. Поэтому при создании легких малоразмерных ДПЛА информационного обеспечения все же отдается предпочтение ТВК, в крайнем случае, тепловизионным каналам (ТПВК), сочетающим в себе преимущества ТВ канала по угловой разрешающей способности и теплового (инфракрасного) канала, менее подверженного воздействию естественных помех (условий освещенности).
ДПЛА легкого класса, обладающие существенными эксплуатационными преимуществами в «нормальных» условиях их применения, оказываются, как отмечалось ранее, весьма чувствительными к влиянию факторов внешней среды. Причем речь идет не только об упомянутых уже условиях освещенности, но (и прежде всего) о действии факторов «неспокойной» атмосферы, в которой может протекать полет.
Формулировка задачи выбора структуры математического описания и используемых типов моделей. С точки зрения целевого назначения ДПЛА, критерием сохранения эффективности его функционирования могла бы служить интегральная характеристика в виде заданной вероятности селекции распознаваемого объекта на окружающем фоне подстилающей поверхности. Однако, указанная интегральная характеристика будет содержать в подинтегральном выражении плотность вероятности распределения признаков распознаваемых объектов, а решающее правило распознавания потребуют введения порогов, исходя из заданной вероятности ложной тревоги, непосредственно не связанных с параметрами воздействующей на движение ДПЛА возмущенной атмосферы. Именно в установлении такой связи, хотя бы на уровне эвристических соображений, состоит сложность построения соответствующего математического описания функционирования аппаратов рассматриваемого типа.
Исходя из этих соображений будем полагать, что селекция возможна (при всех прочих равных условиях), по крайней мере, при выполнении в процессе обнаружения и последующего сопровождения селектируемого объекта трех следующих условий: местоположение ДПЛА относительно базовой системы координат, либо в крайнем случае, координаты возмущенного движения аппарата относительно номинальной траектории известны с заданной точностью; сохраняется возможность интерактивного управления движением ДПЛА относительно визируемого объекта; ДПЛА не утерян в силу возникновения нештатной ситуации и его разрушения, а его ОИС продолжает функционировать в рабочем режиме. С учетом выше изложенного, в работе рассматриваются следующие типы моделей: - полная нелинейная, нестационарная модель движения ДПЛА при полёте в невозмущенной атмосфере; - линеаризованная модель возмущенного движения ДПЛА в окрестности опорного движения; - стохастическая модель действующих в полёте на ДПЛА возмущающих факторов; - модель динамики модифицированных нечетких регуляторов (МНР) в контуре управления полетом ДПЛА.
Каждая из указанных моделей сама по себе не представляет объекта оригинальной разработки, как многократно рассмотренного и описанного в изданных ранее источниках. К числу таковых относятся, прежде всего, работы [8, 15]. Основная трудность заключается в выборе разумного сочетания известных моделей, обеспечивающих возможность построения приемлемой с точки зрения трудоемкости последующего практического использования единой модели «объект управления - среда его функционирования».
Отметим также то обстоятельство, что в силу особенностей компоновки возникает проблема учета связи в структуре используемых моделей продольного управления ДПЛА и управления «газом» (тягой воздушного винта).
Кроме того, при сходе с катапульты, из-за сильной «качки» вниз, существенно усложняется управление в силу возникновения гороскопической прецессии воздушного винта в боковом движении.
В связи с изложенным, естественно появляется желание, с одной стороны, довести используемые математические модели до уровня абсолютной конкретизации описания динамики движения обсуждаемого объекта, с другой -сохранить уровень их общности для возможных обобщений, минимального адаптировав их к рассматриваемому случаю.
Представление моделей управления в исходной системе уравнений состояния ДПЛА при наличии «остаточных возмущений»
Тестирование программно-алгоритмического обеспечения, соответствующего принятым к рассмотрению моделям номинального движения ДПЛА, проводилось на основе численных расчетов основных полетных характеристик при автоматическом старте и в процессе последующего движения аппарата по заданной программе.
При этом аэродинамические коэффициенты рассчитывались с использованием ППП ANSYS CFX, основанном на численном решении уравнений Навье — Стокса методом конечных объемов. Коэффициенты эффективности рулей (ms/,msxэ,…) и другие аэродинамические производные ( т0 , тхх ,тух,т ;,…) во избежание больших расходов машинного времени на вычисления, определялись методом линейных дискретных вихрей. Учет влияния обдува горизонтального оперения потоком воздушного винта и расчет высотно-скоростных характеристик тяги силовой установки с воздушным винтом производились приближенным методом [7]. Массово - геометрические и центровочные характеристики непосредственно определены с трехмерного чертежа ДПЛА с помощью компьютерной программы INVENTOR. Рассматриваемый аппарат, как указывалось ранее, имеет следующие основные технические характеристики: максимальный стартовый вес 60 кг.; площадь крыла 1,1 м2; крейсерская скорость 140... 160 км/ч.
Было принято, что ДПЛА снабжен исполнительными органами в виде электрических сервоприводов с ограниченной максимальной угловой скоростью вращения рулей, не превышающей 200 град/с, а их инерционность моделировалась инерционным звеном с постоянной времени Т=0,015с. Управление тягой Т воздушного винта принималось мгновенным, без задержки во времени.
Во время старта с катапульты, начальное положение рычага управления газом максимальное на разгон сохраняется, пока не достигнута крейсерская скорость, после чего крейсерская скорость поддерживается законом управления тягой.
На Рис. 2.2 и 2.3 приведены зависимости параметров движения ДПЛА от времени в процессе автоматического старта с последующим набором высоты. Обнаружена сильная «качка» вниз при сходе с катапульты (coz достигает значений порядка - 60 град /с) с одновременной прецессией в поперечном направлении (соу достигает значений 20 град /с).
Дальнейший полет на стартовом участке происходит спокойно без выхода на опасные режимы по углу атаки и по высоте.
Наблюдается хорошее слежение фактических значений за желаемыми H,V , а скорость полета V после достижения начального значения (40м/с) крейсерской скорости поддерживается практически постоянной. Некоторое рассогласование желаемых и фактических значений я, Vy в начальные секунды после схода с катапульты объясняется преднамеренным выбором желаемых значений во избежание выхода на опасные режимы полета.
Тяга воздушного винта вначале сохраняет свои максимальные значения в зависимости от скорости набегающего потока, затем регулируется с целью поддержания V=const. Кратковременным «пикам» тяги Т соответствуют ступеньки изменения желаемой вертикальной скорости. Углы тангажа, крена и рыскания 3,у,у/ после начального колебания при сходе с катапульты быстро стабилизируются.
Указанная картина изменения параметров движения, полученная при нулевом значении продольной статической устойчивости дтп/дСу, остается без особых «эксцессов» при значениях продольной статической устойчивости дт/дСу = -0,05 и -0,15, т.е. процесс автоматического старта при этом остается технически устойчивым.
На Рис. 2.4 и 2.5 приведены зависимости некоторых параметров движения ДПЛА от времени в процессе дальнейшего полета по заданной программе.
Тяга воздушного винта в основном «плавно» регулируется с целью поддержания V=const. Кратковременным «пикам» тяги Т соответствуют ступеньки изменения желаемой вертикальной скорости, что также соответствует «пикам» отклонения руля высоты (Рис. 2.4) с целью парирования пикирующего момента от винта и для изменения угла наклона траектории.
Моделирование проводилось также для программного полета с заданными углами крена (выполнение горизонтальных разворотов), что дало аналогичные приемлемые результаты, которые здесь не приводятся.
Обобщенная математическая модель возмущенного состояния системы «ДПЛА - внешняя среда»
Современные бортовые обзорно-информационные системы (ОИС) ДПЛА представляет собой комбинированные, а в ряде случаев комплексированные системы, включающие в свой состав активный радиолокационный, лазерный, тепловой, телевизионный или тепловизионный каналы [39].
Обнаружение и распознавание целей предполагается осуществлять при широком использовании в информационных системах комплексов нейросетей для решения задач предобработки и выделения особенностей (со структурой, соответствующей исходному изображению), сегментации (формирования текстурных признаков и объединения похожих элементов в области), идентификации и селекции (на основе сетей персептронного или Кохоненовского типа).
Различные элементы видеосистемы при тех же выполняемых функциях могут быть реализованы принципиально разными способами, от применения которых зависят быстродействие, экономичность и другие характеристики комплекса.
Результаты обзора подстилающей поверхности в процессе программного полета ДПЛА либо патрулирования зоны, как правило, поступают в БЦВМ, из которой через приемо-передатчик передаются по каналу связи в передвижной или стационарный пункт управления. Одновременно с поступлением в БЦВМ данных с ОИС из памяти машины могут вызываться данные эталонной локационной карты местности.
Решение задачи воздействия по целям в реальном масштабе времени, являющееся доминирующим направлением, в частности в развитии систем тактического вооружения, требует достижения не только высокой оперативности получения разведывательной информации о наличии целей, но и высокоточного определения их текущих координат относительно выбранной системы отсчета. Абсолютные координаты цели определяются как собственными координатами ДПЛА, так и координатами цели относительно ДПЛА. Оперативное и высокоточное установление координат ДПЛА производится с использованием аппаратуры спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС/GPS (при предельной ошибке координатного обеспечения не более 3м и 0,05 м/c по скорости).
Для повышения точности определения координат наблюдаемых объектов, идентифицируемых в качестве целей, рекомендуется использовать канал с высоким разрешением по углам и дальности (дистанции). Этого, однако, оказывается недостаточно. Для достижения уровня точности определения относительных координат, сопоставимого с точностью спутниковых навигационных измерений, возникает необходимость в применении методов оптимальной фильтрации (рекуррентного оценивания). К тому же следует иметь в виду, что в задачах обнаружения наземных целей, существенное влияние имеют экранирующие свойства рельефа. Наличие холмов и впадин, исключающие прямые наблюдения, может создать дополнительную помеху, препятствующую обнаружению и селекции цели. Случайный характер поля земной поверхности, на которой располагается или по которой движутся цели, полей тепловых излучений (моделей подстилающей поверхности и фоно-целевой обстановки) вызывают дополнительные трудности.
При этом в процессе полета ДПЛА практически всегда имеют место достаточно частые смены типа подстилающих поверхностей. Другими словами, часто встречаются ситуации, когда приходится учитывать необходимость использования различных моделей и, как следствие, оперировать многими детерминированными либо стохастическими структурами (мультиструктурными системами), переходы в которых совершаются в случайные моменты времени, зависящие или не зависящие от состояния. То обстоятельство, что, в частности, среди составляющих погрешностей доплеровских измерителей скорости (ДИС) наибольший вес имеют погрешности, возникающие при смене подстилающей поверхности, - факт общеизвестный. Уменьшить влияние данного фактора можно за счет автоматической перекалибровки ДИС при изменении характера отражающей поверхности. Это, однако, возможно только тогда, когда различия отношений мощностей отраженных сигналов (либо их математических аналогов) достаточно существенны, например, в ситуациях перехода «море - суша», либо «суша - море», что далеко не всегда имеет место.
Значительно чаще приходится иметь дело с моделями макроструктур, соответствующим сюжетам «трава - кустарник», «кустарник - лес», «лес -поле», «снег - голая почва» и т.д., жестких «пороговых различителей» для которых не существует. Соответственно, если и удается все же получить информацию об интенсивности смены структур то она, как минимум, должна рассматриваться в качестве «неполной». Второй, не менее важной проблемой, является возможность построения соответствующей модели, допускающей методами математического моделирования возможность создать достоверный аналог реального процесса функционирования системы на типовых вариантах местностей и в различных климатических зонах, позволяющий изменять логику работы системы, строить «адаптивные пороги», наконец, устанавливать решающие правила с учетом располагаемой информации о конкретных условиях функционирования ДПЛА.
В связи с изложенным общую постановку рассматриваемой задачи сформулируем следующим образом. Пусть случайный w-мерный векторный марковский процесс x(t) представляет собой полезный сигнал, скачкообразно изменяющий свою структуру в случайные моменты времени. Будем считать, что на случайных временных отрезках он описывается уравнениями: хЩ = (р%х, 0 + №(х, t)v \t), (x(t0) = xo, i = \S) (3.14) где p(i\x, t) - w-мерный вектор нелинейных функций; Щх, 0 (п х и)-мерная матрица известных функций; v(i\t) - w-мерный вектор белого гауссового шума с матрицей интенсивностей G(i)(t). Индекс /, (/ = 1, 2, ..., 5) характеризует номер /-й структуры (от 1 до S) и, тем самым определяет реализацию дискретной условной марковской цепи. Предположим, что интенсивности смены структур (состояний) Vyit) (і J = ljS; i j) - функции, зависящие от случайных величин: Vy(t) = %/ у(), где рі}{і) -известные функции, Vi/t) - случайные величины.