Автореферат (Информационно-измерительная и управляющая система малоразмерного беспилотного летательного аппарата повышенной точности)

На правах рукописиМашнин Максим НиколаевичИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМАМАЛОРАЗМЕРНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТАПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИСпециальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы(авиационная, ракетно-космическая техника и кораблестроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукТула – 2013Работа выполненав федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшегопрофессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Тульский государственныйуниверситет»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор, заслуженныйдеятель науки РФРаспопов Владимир ЯковлевичОфициальные оппоненты: Солдаткин Владимир Михайловичдоктор технических наук, профессор,заведующийкафедрой«Приборыиинформационно-измерительные системы» ФГБОУВПО «Казанский национальный исследовательскийтехнический университет имени А.

Н. Туполева –КАИ», г. КазаньЧерноморский Александр Исаевичкандидат технических наук, профессор,заместитель заведующего кафедрой «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации»,ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»,г. Москва.Ведущая организация:ОАО «Центральное конструкторское бюроаппаратостроения» (ЦКБА).Защита диссертации состоится «28» ноября 2013 года, в 12 часов назаседании диссертационного совета Д 212.125.11 при ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» по адресу:125993, г.

Москва, А-80, ГСП -3, Волоколамское ш., д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» (125993, г.Москва, А-80, ГСП -3, Волоколамское ш., д.4).Автореферат разослан «___» ________ 201_ г.Ученый секретарьдиссертационного советаГорбачевЮрий Васильевич2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность.

Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) скаждым годом становится все более распространенным. Значительный интереспредставляют БПЛА массой около 10 кг, которые успешно решают задачигражданского и военного назначения и получили наименование малоразмерныеБПЛА (МБПЛА).МБПЛА решают задачи разведки и наведения, а также выполняют рольподвижной мишени на учениях. Благодаря высоким тактико-техническимхарактеристикам и низкой стоимости в гражданском применении МБПЛАэффективно решают широкий круг задач, среди которых можно выделить контрольсистем коммуникаций нефтегазовой промышленности, картография, гравиметрия, атакже проведение мониторинга сельхозугодий и чрезвычайных техногенныхситуаций.Решение перечисленных задач наиболее эффективно обеспечивается МБПЛА,функционирующими в автоматическом режиме.

Это обеспечивается системойавтоматического управления (САУ), необходимыми элементами которой являютсяинформационно-измерительная (ИИС) и управляющая системы (УС). ИИСвключает навигационную систему и систему ориентации, УС – вычислительное,преобразующее и исполнительные устройства. Ввиду жестких ограничений на массуполезной нагрузки, ИИС МБПЛА, как правило, строится на микромеханическихгироскопах (ММГ) и акселерометрах (ММА), магниторезистивных датчикахмагнитного поля, баровысотомере, датчике воздушной скорости, приемникеGPS/ГЛОНАСС,которыеобладаютприемлемымимассогабаритнымихарактеристикам.УС обеспечивает: автоматический полет по заданному маршруту: взлет изаход на посадку; поддержание заданной высоты и скорости полета; стабилизациюуглов ориентации, программное управление бортовыми системами (стабилизациявидеокамеры, синхронизированное по времени и координатам срабатывание затворафотоаппарата, сброс груза или физико-химический анализ атмосферы и земнойповерхности и др.).

Для обеспечения автоматического полета по заданнойтраектории УС снабжено устройством памяти, в которую заносят параметрыповоротных пунктов маршрута (ППМ): координаты, высота прохождения искорость полета, регистрируемые ИИС. УС обеспечивает также передачутелеметрической информации на наземные пункты контроля и управления.На сегодняшний день существующие информационно-измерительные иуправляющие системы (ИИиУС) не позволяют обеспечить необходимую точностьдвижения МБПЛА при решении целевой задачи из-за несогласованностихарактеристик ИИС и МБПЛА.

Более того, не существует опубликованнойметодики разработки ИИиУС МБПЛА, охватывающей необходимые проектныепроцедуры и проектные решения. Зачастую, подобная информация являетсякоммерческой тайной, недоступной для разработчиков новых типов ИИиУСМБПЛА, что определяет актуальность разработки методики системногопроектирования ИИиУС целевых МБПЛА.3Разработкой и производством ИИиУС МБПЛА в России занимаются рядпредприятий гражданской и военной направленности, например ФГУП ОКБ«Электроавтоматика им. П.А. Ефимова» (г.

Санкт-Петербург), ЗАО «НТЦ Рисса»(г. Москва), ОАО «ОКБ «Сокол» (г. Казань), ЗАО «Эникс» (г. Казань),ООО «Беспилотные аппараты» (г. Ижевск) и др.Теоретические предпосылки к разработке подобных систем были созданытрудами отечественных и зарубежных ученых: А.В. Бабиченко, В.А. Боднера,В.Н.

Бранца,А.В. Валиева,К.К. Веремеенко,А.В. Корнушенко,М.Н.Красильникова, Д.П. Лукьянова, Л.П. Несенюка, Б.Н. Окоемова, П.П. Парамонова,В.Г. Пешехонова, П.К. Плотникова, И.И. Помыкаева, В.Я. Распопова, Ю.И. Сабо,О.С. Салычева, Л.А. Северова, В.М. Солдаткина, О.А. Степанова, С.П.Тимошенкова, А.И. Черноморского, Н.В. Чистякова, Е.А.

Чуманкина, И.П.Шмыглевского, M.J. Caruso, T.R. Fried, J.E. Lenz и др.Объектом исследования является ИИиУС МБПЛА.Предметом исследования являются математические модели каналов ИИиУС,алгоритмы их работы, способы повышения их точности и проектные процедурыСАУ МБПЛА.Целью работы является разработка ИИиУС МБПЛА повышенной точности, атакже методики проектирования САУ МБПЛА.Методы исследований: В работе использовался комплексный методисследования, который характеризуется применением теории случайных процессов,теории оптимальной фильтрации, теории систем, математического моделирования сприменением ЭВМ, физического моделирования в лабораторных и полевыхусловиях.Научная новизна работы:1. Математическая модель погрешностей ИИС, позволяющая проводитьанализ влияния погрешностей каналов ИИС на результирующуюпогрешность системы.2.

Способ повышения точности ИИС за счет компенсации линейныхускорений, возникающих в процессе движения МБПЛА.3. Методика проектирования ИИиУС МБПЛА.Практическая ценность заключается в следующем:1. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющееоптимизироватьпроектныепроцедурыСАУ,подтвержденныерезультатами имитационного моделирования, лабораторных и летныхиспытаний опытных образцов.2. Разработан способ виртуальной продувки, позволяющий определятьзначения аэродинамических коэффициентов МБПЛА.3. Разработан способ оценки влияния линейных ускорений на точность ИИС,основанный на применении передаточных функций линеаризованноймодели системы при движении на эталонных режимах полета.4. Разработан способ определения оптимальных значений коэффициентовавтопилота в виде функционалов, зависящих от воздушной скорости.4Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты исследованияреализованы при выполнении грантов: №130903 «Разработка учебного БЛА»,№131002 «Анализ функционирования микромеханических гироскопов иакселерометров в контуре информационно-вычислительной системы беспилотноголетательного аппарата» и программы УМНИК –2011, договор №10022р/16818, атакже внедрены при разработке систем стабилизации обзорно-прицельных системдля объектов с линейным перемещением центра тяжести, что подтверждаетсясоответствующим актом внедрения.Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в учебнометодический комплекс «Расчетный и лабораторный практикум по микросистемнойавионике» и использованы в коллективной монографии «Микросистемы ориентациибеспилотных летательных аппаратов».Апробацияработы.Основныерезультаты,представленныевдиссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих семинарах,конференциях и выставках: XII конференции молодых ученых «Навигация иуправление движением», (март 2010, г.

С.-Петербург), на которой был отмечендипломом II степени; Всероссийской научно-технической конференции «ТехникаXXI века глазами молодых ученых и специалистов», (2011, г. Тула), на которой былотмечен дипломом II степени; V-ой молодежной научно-практической конференцииТулГУ «Молодежные инновации», (2010, г.

Тула), на которой был отмечендипломом I степени; XIV конференции молодых ученых «Навигация и управлениедвижением», (март 2012, г. С.-Петербург), на которой был отмечен дипломом IIIстепени; VI-ой молодежной научно-практической конференции ТулГУ«Молодежные инновации», (2011, г. Тула); IV-ой общероссийской молодежнойнаучно-технической конференции «Молодежь. Техника. Космос», (2012,г.

С.-Петербург); IV – ой магистерской научно-технической конференции Тульскогогосударственного университета, (2009, г. Тула); Научно-технической выставке«Творчество молодежи» (2010, г. Тула); а также основные результаты диссертациибыли удостоены следующих поощрений: благодарственная грамота от Институтавысокоточных систем им. В. П. Грязева за высокие результаты в науке, (2010, г.Тула); проект, основанный на результатах работы, был удостоен благодарственногописьма от Тульской Областной Думы за высокие результаты в науке, (2012, г.

Тула).Проект, основанный на результатах диссертации, стал призеромрегионального конкурса УМНИК 2011.Содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах, в томчисле в 5 периодических изданиях рекомендованных ВАК, а также в патенте РФ наполезную модель.Достоверность теоретических положений и разработанных математическихмоделей подтверждена согласованностью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований МБПЛА в лабораторных и летныхусловиях на опытных образцах ИИиУС.Структура и объем работы.