Автореферат (Система автоматического предупреждения столкновения самолета с землей на основе прогнозирования траектории маневра уклонения)

1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Столкновение с землей в управляемом полетеостается серьезной проблемой для летательных аппаратов (ЛА) гражданской ивоенной авиации. Большое количество человеческих жертв и существенныефинансовые убытки, вызванные катастрофами, причиной которых сталостолкновение с землей в управляемом полете, показали необходимостьразработкииобязательноговнедрениясистем,способныхформироватьпредупреждение об опасной близости земли. Системы по предупреждениюстолкновения с землей для гражданского сектора авиации разрабатываются уженесколько десятилетий.

Подходы, используемые для гражданских ЛА, имеютограниченное применение для высокоманевренных ЛА военной авиации,пилотируемых вблизи земли. Для систем, в которых осуществляется звуковое,световое или иное предупреждение летчика об опасной близости земли, а маневруклонения выполняется летчиком вручную, человек является ограничивающимэлементом:летчикневсегдаможетраспознатьпредупреждение,соответствующим образом отреагировать на него, маневр уклонения даже одними тем же летчиком в одной и той же ситуации может быть исполнен различнымобразом. Исключение человеческого фактора возможно лишь при примененииавтоматических систем, не зависящих от реакции летчика. Перспективноенаправление построения систем по предупреждению столкновения с землейсвязанно с прогнозированием траектории движения ЛА, определяемой наборомвзаимосвязанных маневров, направленных на уклонение от рельефа местности.Достаточная точность прогнозирования траектории может быть достигнута путеминтегрирования дифференциальных уравнений движения математической моделизамкнутой системы «летательный аппарат – система управления» с учетомстатических и динамических характеристик.Цельработы.Цельюработыявляетсяповышениебезопасностипилотирования самолетов (в том числе высокоманевренных) вблизи земли за счетсовершенствованиясистемыпредупреждениястолкновениясземлей,2автоматически выполняющей маневр уклонения при обнаружении потенциальноопасной ситуации.На защиту выносятся следующие основные научные положения:1.

Алгоритм управления летательным аппаратом при выполнении маневрауклонения от столкновения с землей.2. Методика формирования и определения параметров упрощеннойматематической модели движения замкнутой системы «летательный аппарат –система управления», используемой на борту для прогнозирования траекторииманевра уклонения и активации системы предупреждения столкновения с землей.3. Способ формирования структуры астатических систем управления наоснове модально-инвариантной подсистемы.Научная новизна полученных результатов состоит в следующем.1.

Разработанный алгоритм управления предусматривает возможностьавтоматического выполнения маневра уклонения от столкновения с землей спомощью двух стратегий управления. Первая известная стратегия заключается водновременном обнулении угла крена и отработке нормальной перегрузки, приэтом если текущий угол крена по модулю больше некоторого угла упреждения покрену,тоотрабатываетсяминимальнаяперегрузка,возможнаяприавтоматическом управлении, в противоположном случае – максимальнаяперегрузка. Вторая введенная стратегия заключается в одновременной отработкемаксимальной нормальной перегрузки и отработке заданного угла крена, которыйсоставляет 180 , если текущий угол крена по модулю больше 90 , и равен 0 впротивоположном случае. Для первой стратегии управления определеназависимость угла упреждения по крену от соотношения быстродействий контуровотработки нормальной перегрузки и угла крена. Показано, что при выбраннойтаким образом величине угла упреждения по крену потеря высоты за маневруклонения будет близка к минимальной.

Использование второй стратегииуправления позволяет уменьшить величину потери высоты за маневр уклоненияпри больших углах крена и тангажа. Выбор конкретной стратегии управленияосуществляется на этапе прогнозирования траекторий движения.32. Предложенная методика формирования и определения параметровбортовой математической модели движения замкнутой системы «летательныйаппарат – система управления» основана на упрощении дифференциальныхуравнений, описывающих движение летательного аппарата, и аппроксимациихарактеристикпереходныхпроцессовпотангенциальнойинормальнойскоростной перегрузкам и углу крена при выполнении элементов маневрауклонения от столкновения с землей (при отработке заданной нормальнойперегрузки, при изменении режима работы двигателя, при отработке заданногоугла крена).

Математическая модель позволяет прогнозировать траекториюдвижения и высоту завершения маневра уклонения для первой и второй стратегийуправленияиопределятьмоментактивациисистемыпредупреждениястолкновения с землей. Из двух возможных стратегий управления выбирается та,при которой обеспечивается меньшая потеря высоты за маневр уклонения.3. Предложенный способ формирования структуры астатических системуправлениязаключаетсявпредварительномформированиимодально-инвариантной подсистемы с интегрирующим свойством на основе обобщенныхметодов модально-инвариантного управления с последующим ее замыканиемобратной связью по управляемой координате.

Полученная система отличаетсяпониженной чувствительностью к вариациям параметров объекта управления иналичием астатических свойств как по отношению к управляющему, так и поотношению к внешним возмущающим воздействиям.Практическая ценность работы заключается в том, что за счет применениянайденной зависимости угла упреждения по крену для первой стратегииуправления и возможности управления по второй стратегии управления прибольших углах крена и тангажа обеспечивается уменьшение величины потеривысоты за маневр уклонения.

Благодаря этому уменьшается область, в которойсистема предупреждения столкновения с землей вмешивается в управлениелетательным аппаратом. Учет статических и динамических характеристикзамкнутой системы «летательный аппарат – система управления» (в том числеучет изменений этих характеристик, которые могут возникнуть в процессе4выполнения маневра уклонения от столкновения) позволяет повысить точностьпрогнозирования траектории движения летательного аппарата, вследствие чегоснижается количество ложных срабатываний системы. Предложенная системаавтоматического предупреждения столкновения с землей проработана длявнедрениянасамолетеМиГ-29К.Результатыдиссертационнойработыиспользованы в акционерном обществе «Российская самолетостроительнаякорпорация «МиГ» (АО «РСК «МиГ») при разработке перспективной системыавтоматического уклонения от столкновения с землей самолета МиГ-29К(КУБ),что подтверждается соответствующим актом внедрения.Методология и методы исследования: аналитический метод синтезамодально-инвариантныхсистемуправления,численнаяоптимизация,математическое моделирование.Достоверность полученных результатов подтверждается математическиммоделированиемпредложеннойсистемыавтоматическогопредупреждениястолкновения с землей, выполненным на полноразмерном стенде системуправления Инженерного Центра «ОКБ им.

А.И. Микояна».По теме диссертации опубликовано восемь работ [1 – 8], из них четыре врецензируемых изданиях, определённых ВАК Минобрнауки РФ, один патент наизобретение. Материалы диссертации докладывались на Всероссийском конкурсенаучно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации икосмонавтики» в 2014 и 2016 годах, а также на конкурсе Лучших молодыхспециалистов АО «РСК «МиГ» в 2012 и 2016 годах, где отмечены призовымиместами.Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав,заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет182 страницы. Работа содержит 76 рисунков и 5 таблиц. Список использованныхисточников включает 68 наименований.Авторвыражаетблагодарностьнаучномуруководителю,доценту,к.т.н. Елисееву В.Д. и к.т.н. Кисину Е.Н. за помощь в работе над диссертацией,Орлову С.В. и Юдису С.Р. за консультации и ценные практические советы.5ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении дана общая характеристика работы, сформулированыактуальность и цель проводимых исследований, их научная новизна ипрактическая ценность, отражены основные научные положения, выносимые назащиту, приведены сведения об апробации полученных результатов, данные оструктуре и объеме диссертационной работы.Первая глава посвящена рассмотрению проблемы столкновения с землей вуправляемом полете, обзору и анализу известных систем предупреждениястолкновения с землей с целью определения перспективного направленияразработки системы.Катастрофы, причиной которых стало столкновение с землей, приводят кбольшому количеству человеческих жертв и существенным финансовым убытками остаются категорией происшествий с высокой степенью риска для летательныхаппаратов гражданской и военной авиации.Для эффективного определения потенциально опасного сближения с земнойповерхностью необходимо осуществить прогнозирование траектории движениялетательного аппарата относительно рельефа местности.

Такое прогнозированиезависитотпринятойгипотезыдальнейшегодвиженияЛА.Длявысокоманевренных ЛА, пилотируемых вблизи земли и резко изменяющихнаправлениедвижения,перспективнымявляетсяподход,связанныйспрогнозированием траектории, по которой будет двигаться ЛА при выполнениизаранее определенного маневра, направленного на уклонение от столкновения сземлей.

Такое прогнозирование необходимо осуществлять путем интегрированиядифференциальных уравнений движения математической модели замкнутойсистемы «летательный аппарат – система управления» с учетом ее статических идинамических характеристик. В случае обнаружения опасного сближения сземлей система должна автоматически активироваться и выполнить маневруклонения, что позволяет исключить влияние человеческого фактора на процессвывода ЛА из опасной ситуации.6Во второй главе определены исходные данные, необходимые дляразработки системы предупреждения столкновения с землей, предложен способформированияастатическихсистемуправлениянаосновемодально-инвариантной подсистемы.

На примере синтеза перспективного контурауправления нормальной перегрузкой с функцией ограничения допустимого углаатаки проиллюстрировано применение предложенного способа.Исходнымиданнымидляразработкисистемыпредупреждениястолкновения с землей является совокупность характеристик летательногоаппарата (аэродинамических, массовых и др.) как объекта управления,определяющих характер изменения параметров движения в соответствии суравнениями пространственного движения и действующими на ЛА силами имоментами.Летательныеаппараты,какправило,оснащенысредствамиавтоматизации управления и в большинстве случаев содержат контур управлениянормальной перегрузкой, контур стабилизации поперечной перегрузки, контуруправления углом крена и во многих случаях – контур управления скоростьюполета.

Перечисленные контуры автоматического управления по отношению ксистеме предупреждения столкновения с землей являются внутренними,алгоритмы их функционирования полагаются известными и учитываются приразработке системы.Чем меньше вариация характеристик переходных процессов контуровуправления, тем легче осуществить упрощенное описание системы дляпрогнозирования поведения ЛА. Для повышения инвариантных свойств системуправления современных ЛА, динамические характеристики которых изменяютсяв широких пределах, предложен способ формирования астатических систем наоснове модально-инвариантной подсистемы с интегрирующим свойством,позволяющийполучитьастатизмпоуправляющимивозмущающимвоздействиям, а также пониженную чувствительность к вариациям параметровобъекта управления.