Автореферат (Система автоматического управления посадочным маневром беспилотного летательного аппарата при действии бокового ветра)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Существующая практика посадки пилотируемыхсамолетов гражданской авиации показывает, что при сильном боковом ветре восновном используются два типа маневров при снижении по глиссаде. В одномслучае отклонение по курсу ликвидируется при управлении по крену, и тогдаповышается риск приземления на одно колесо шасси либо значительноговозрастания боковой скорости, что недопустимо при недостаточной прочностистоек шасси.В другом случае осуществляется предварительное отклонение в сторонуветра, а вблизи земли ненулевой курс выравнивается без крена.

При этом боковаяскорость оказывается еще больше, чем в первом случае. Таким образом,известными способами ручного управления невозможно одновременно свести кнулю углы крена, пути и курса в момент приземления.Особенно остро существует проблема безопасной посадки на шасси у легкихбеспилотных летательных аппаратов (БЛА) в сложных погодных условиях, когда вотсутствии человека необходимо решить задачу автоматического управления либос борта, либо с земли. Поэтому тема данной диссертационной работы,посвящённой решению задачи автоматической посадки БЛА при сильном боковомветре, является актуальной.Цель диссертационной работы – это повышение безопасности посадки БЛАпри расширенном диапазоне ветровых возмущений.Объект исследований – система автоматического управления посадкой БЛАпри снижении по глиссаде и выравнивании.Предметомалгоритмическоеисследованияобеспечениеявляетсяматематическоемногорежимногоиуправленияпрограммнобоковымипродольным движением с определением области приемлемых отклонений БЛА отноминальной траектории в начале выравнивания и оценкой преимуществпредложенного подхода.4На защиту выносятся следующие основные научные положения:1.

Многорежимный способ выполнения посадочного маневра при начальномбоковом движении в попутную ветру сторону от линии пути и последующемдвижении навстречу ветру при снижении по глиссаде и управлении по крену сцелью устранения на конечном участке выравнивания отклонения по курсу ипутевому углу при управлении рулём направления.2. Формулы расчета моментов переключения режимов управления боковымдвижением ЛА и соответствующих уставок в регуляторы при учете влияниябокового ветра.3. Алгоритмы координации работы каналов бокового и продольного движенияс помощью изменения передаточных чисел квазилинейных регуляторов.4. Единый параметрический критерий оценки качества приземления и границыобласти приемлемого качества полета БЛА в точке выравнивания, внутри которойгарантируется безопасность посадки.Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:1.

В предложенном способе выполнения маневра летательный аппарат недвижется все время вдоль заданной линии пути, а осуществляет отход от неё споследующим возвращением. При этом к началу выравнивания боковое движениев отличие от известных способов происходит навстречу боковой составляющейветра. Это создаёт принципиальную возможность при выравнивании добитьсяодновременного обнуления путевого и курсового углов в точке приземления приотсутствии крена.2. Для каждого из четырех участков посадки (см.

схему бокового движенияБЛА при выполнении посадочного маневра при сильном боковом ветре, рисунок 1)аналитически определены границы и уставки в регуляторы как алгебраическиефункции от скорости БЛА и силы бокового ветра. Это позволяет в реальноммасштабе времени автоматизировать процесс переключения режимов управленияпосадкой таких ЛА.3. Найденныйнаосновединамическогопрограммированияалгоритмкоординации позволил получить структуру не линейных, а квазилинейных5регуляторов управления элеронами и рулем высоты. При этом предложеноувеличивать передаточные числа в одном регуляторе при одновременном ихуменьшении в другом в зависимости от отставания или опережения работы одногоканала от другого.4. Предложенный единый параметрический критерий качества приземленияучитывает с помощью мультипликативных членов неудачное сочетание в точкеприземления отклонений по положению, курсу и путевой скорости от линии пути.С его помощью найдена область приемлемых отклонений в точке началавыравнивания, что позволяет при выходе из неё сформировать вынужденнуюкоманду ухода на повторных круг.Практическаяценностьработысостоитвтом,чтоспомощьюпредложенного подхода удается значительно расширить условия разрешеннойпосадки при силе бокового ветра, в 1,5÷2 раза большей существующих в рамкахпоставленной задачи летных норм.

Кроме того, внутри допустимых норм общеекачество приземления существенно повышается, т.к. обнуление необходимыхотклонений происходит одновременно. Также при использовании предлагаемогоподходаисключаетсявлияниечеловеческогофактора,т.к.предлагаетсяиспользовать систему автоматического управления. При этом соответственновозрастает безопасность приземления, поскольку обеспечивается приемлемоекачество приземления даже в увеличенной в 2 раза области внезапных отклоненийв начале выравнивания, возникающих в результате резких порывов ветра.Достоверностьобнаруженныйполученныхтехническийрезультатовэффектповышенияопределяетсябезопасноститем,чтопосадкиподтвержден результатами моделирования полета.

Кроме того, один из способовкоординации работы каналов управления боковым движением и высотой найден спомощью научно-обоснованного метода теории оптимального управления –динамического программирования.Ценность работы для науки и практики определяется тем, чтопредложенный способ посадки реализован в виде алгоритма работы системыавтоматического регулирования координированным движением на основе теории6оптимальныхсистемиобеспечиваетсущественноеповышениекачестваприземления в расширенной области ветровых возмущений.Личный вклад автора состоит в проведении анализа известных способовпосадки самолетов на шасси; разработке алгоритмов многорежимного управленияи координации работы линейных и релейных регуляторов в разных каналахбокового и продольного движения; личном участии в моделировании на ЭВМ иподготовке основных публикаций.Публикации и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 5работ, из них 3 – в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемыхнаучных журналов и изданий ВАК. Научные и прикладные результатыдокладывались и обсуждались на международном научно – техническом семинаре«Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработкиинформации» г. Алушта в 2013 и 2014 годах.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,заключения, списка использованных источников и одного приложения.

Работаизложена на 116 страницах и содержит 31 рисунок и 6 таблиц. Списокиспользованных источников включает 40 ссылок по теме проводимых вдиссертационной работе исследований.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, приведены основные научныеположения, выносимые на защиту, указана их научная и практическая ценность,обоснована достоверность полученных теоретических и экспериментальныхрезультатов.В первой главе проводится анализ известных систем управления посадкойлетательного аппарата (ЛА) на шасси.

Выявлены недостатки существующихспособов ручного управления посадкой при наличии сильного бокового ветра.Обоснована целесообразность применения системы автоматического управленияпосадкой для обеспечения нужной терминальной точности в момент приземленияЛА. Сформулирована постановка задачи автоматического управления посадкой7беспилотного летательного аппарата (БЛА) при новом способе маневрирования вканале бокового движения во время снижения по глиссаде.Постановка задачи.Дано:1.

Управление БЛА осуществляется по двум каналам продольного и боковогодвижения, чтобы обеспечить снижение по высоте H с заданным углом  наклонатраектории и полет в горизонтальной плоскости по траектории, показанной нарисунке 1.Рисунок 1 – Схема бокового движения БЛА при выполнении посадочногоманевра при сильном боковом ветреНа схеме показаны четыре участка – участок А0 обычного полета по заданнойлинии пути, участок А1 расчетного отклонения на величину zзад от заданной линиипути, участок A2 возвращения к линии пути при управлении по крену, участок А3управления рулем направления при выходе на заданную линию пути.2.

В продольном канале осуществляется следующее движение: сначалапроисходит снижение с некоторой начальной высоты H0 по глиссаде с угломнаклона max, а затем по достижении заданной высоты начала выравнивания Hв,начинается движение по траектории с меньшим углом наклона min. Начало этапавыравнивания совпадает с началом управления по закону участка A3. Законизменения высоты имеет следующий общий вид:H (t) = H0 – Vt,(1)где  принимает значения max и min в зависимости от участка, на которомнаходится БЛА, V – текущая скорость полета, которую, как предполагается,автомат тяги поддерживает постоянной.83.

Боковоедвижениеподчиняетсяследующимдифференциальным z1  z2  V sin(    )  w,  a   a   b U ,22 y2321 y   a32 y  a33   a0    b31U ,   ,y(2)уравнениям:где z1 – координата бокового пути; z2 – скорость бокового движения;  y – угловаяскоростьвращения(скольжения);боковойотносительно– угол рыскания;постоянныйUветервертикальной–оси;уголдрейфа– сигнал управления рулем направления; w –снеизвестнойзаранеевеличиной;a0 , a22 , a23 , a32 , a33 , b21 , b31 – заданные динамические коэффициенты.4. Критериямиоптимальностибоковогодвиженияявляютсяминимизируемые значения в терминальной точке приземления:z1(tk) – линейное отклонение от середины ВПП,z2(tk) – боковая скорость,z3(tk) – отклонение по курсу от заданной линии пути,z4(tk) – ненулевое значение крена.Все перечисленные параметры необходимо свести к нулю, либо они должныпопасть в заданную допустимую область.Требованияпоотклонениюx(tk)продольногодвижениявмоментприземления и по тангажу (t) в данной работе не рассматривается.Требуется: Сформировать законы управления элеронами и рулем направления привыполнении бокового посадочного маневра на каждом из участков; Определить логику переключения с одного закона управления напоследующий и определить размеры каждого из участков маневра; Предложитьпродольнымлогикудвижениемприкоординированногопрогнозированиинепрерывного контроля безопасности посадки БЛА.управлениякачествабоковымприземленияидля9При анализе известных методов теории оптимального управления делаетсявывод о целесообразности использования динамического программирования длякоординации работы каналов бокового и продольного движения БЛА.Во второй главе рассматриваются процессы управления боковым ипродольным движением БЛА на различных участках предложенного способаманеврирования при учете действия в процессе посадки сильного бокового ветра.Предусмотрено многорежимное управление посадкой на четырех участкахманеврирования.