Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Помимо этих техническихи экономических проблем предстоит еще преодолеть административные проблемы интеграции беспилотных летательных средств в национальное и международное воздушное пространство.Термин «беспилотные авиационные комплексы» (БАК) относится не только ксамим летательным аппаратам, но также ко всему вспомогательному оборудованию, используемому в системе, включая датчики, микроконтроллеры, программное обеспечение, компьютеры наземных станций, пользовательские интерфейсы и аппаратные средства связи. В этой книге акцент делается на самилетательные аппараты и их управление, навигацию и подсистемы управления.Беспилотные летательные аппараты (БЛА) можно в целом разделить на двеПредисловие11категории: с неизменяемой геометрией крыла и винтокрылые летательные аппараты.
Оба типа летательных аппаратов имеют отличительные особенности,которые затрудняют расчет их автономного поведения. В книге обращаетсявнимание исключительно на летательные аппараты с неизменяемой геометрией крыла, которые можно в первом приближении разбить на категории поих размерам. В книге будет использоваться термин «малые БЛА» в отношениикласса аппаратов с неизменяемой геометрией крыла с размахом крыльев от 5до 10 футов (от 1,5 до 3 метров). Малые БЛА обычно работают на бензиновомдвигателе и нуждаются во взлетно-посадочной полосе для взлета и посадки,хотя БЛА ScanEagle компании «Боинг», использующий катапульту для взлетаи «крюк-подвес» для захвата и посадки, является заметным исключением. Малые БЛА обычно предназначены для выполнения полетов продолжительностью от 10 до 12 часов при грузоподъемности от приблизительно 10 до 50 фунтов (от 5 до 23 кг).Термин «миниатюрный БЛА», в отношении которого будет использоватьсясокращение мини-БЛА (МБЛА) и которое будет обозначать класс летательныхаппаратов с неизменяемой геометрией крыла, размах крыльев которых не превышает 5 футов (1,5 м).
Мини-БЛА (МБЛА) обычно работают на электрическом двигателе (аккумуляторах), запускаются с руки оператора, осуществляютпосадку на фюзеляж и поэтому не нуждаются во взлетно-посадочной полосе.Они предназначены для работы (выполнения полета) в течение определенногопериода времени от 20 минут до нескольких часов. Диапазон грузоподъемности составляет от нескольких унций до нескольких фунтов (от сотен грамм донескольких килограмм). Малая грузоподъемность сильно ограничивает перечень датчиков и тип вычислительного устройства, которые могут быть установлены на борту мини-БЛА (МБЛА).
Эти ограничения ставят перед разработчиками интересные проблемы по проектированию автономных режимовработы. В то время как большинство концепций, описанных в этой книге,применимы как к более крупным беспилотным летательным аппаратам, так ик еще более маленьким микро-БЛА, основное внимание в книге уделенопроблемам, которые присущи управлению малыми БЛА и мини-БЛА с ограниченной грузоподъемностью.Этот учебник был вдохновлен желанием создать для студентов магистратуры и аспирантов курс, который бы подготовил их к работе в области объединенного управления беспилотными летательными аппаратами.
Большаячасть студентов приходит с базовым образованием в области электротехники,компьютерной техники, машиностроения или информатики. Лишь немногиеиз них получают подготовку в области аэродинамики; студенты, получившиеподготовку в области электроники и компьютерной техники, обычно не имеют подготовки по кинематике, динамике или механике жидких сред, однако большая часть студентов прошла подготовку по изучению управления в12Предисловиетехнических системах, систем управления с обратной связью, робототехникии машинного зрения.Существует большое количество учебников, посвященных динамике летательных аппаратов и их управлению; однако почти все из них предполагаютналичие у студентов базовых знаний в области аэронавтики, но отсутствиепредставления об управлении с обратной связью. Поэтому такие учебники,как [1, 2, 3, 4, 5, 6] приводят описание аэродинамических сил без основополагающих идей механики жидких сред и аэронавтики. С другой стороны, ониобычно включают подробное введение в принципы управления с обратнойсвязью, такие как корневой годограф.
Учебник [7] в большей степени соответствует тому, чему будут учить студентов, но акцент в этом учебнике делаетсяна системы повышения устойчивости, в отличие от автономной работы. Автономная работа требует больше чем простой автопилот; она требует осуществлять автономные взлет и посадку, расчет траектории полета и последующееудержание этой траектории, которые объединены с процессами более высокого уровня принятия решений.
Насколько известно, других учебников, которыебы охватывали вопросы моделей динамики летательных аппаратов, разработкиавтопилота (решающего задачи «низкого уровня» — low level), оценки состояния БЛА, а также расчета траектории полета (задачи «высокого уровня» —high level), в настоящее время нет. Возможно, что этот учебник восполнит этотпробел.
Целевой аудиторией этого издания являются студенты, которые прошли подготовку в области электротехники, компьютерной техники, машиностроения и информатики и прослушавшие вводный курс по системам управления с обратной связью или робототехнике. Этот учебник будет такжеинтересен для инженеров аэронавтики, которые заинтересованы во вводномкурсе в автономные системы.При написании этой книги планировалось изложить материал в 13 главах,каждая из которых охватывала бы три одночасовые лекции, так чтобы содержимое книги удобным образом укладывалась бы в курс из одного семестра.Несмотря на то, что некоторые главы оказались длиннее, чем первоначальнопланировалось, опыт подсказывает, что весь материал в этой книге может уложиться в один семестр. Дополнительный материал позволит обеспечить преподавателю некоторую степень свободы действий в освещении тех вопросов,которые они охватывают.Одной из характерных особенностей этой книги является подключениеопытно-конструкторских разработок.
Курс рассчитан на постепенный переходот домашних заданий, которые можно выполнить с помощью карандаша и бумаги, к заданиям по компьютерному моделированию. Обнаружилось, что студенты в большей степени заинтересованы в изучении материала и стараютсяего лучше понять, когда они применяют определенные концепции в компьютерном моделировании.Предисловие13В процессе изучения этого курса студенты разрабатывают комплексныйимитатор полета, который имеет реалистичную динамику полета, модели датчиков, модель автопилота и расчет траектории полета.
К концу обучения поэтому курсу они уже могут приспособить каждый элемент мозаики и поэтомупонимают, как все эти элементы складываются воедино. Кроме того, студентыуже понимают внутренние механизмы довольно сложного пакета моделирования полета, который может быть использован в их будущих исследовательских проектах.Упражнения по проектированию первоначально были разработаны для использования языка программирования C/C++, требующего от студентов профессиональных навыков программирования. Порой это создавало нежелательные трудности как для преподавателя, так и для студентов. Впоследствииупражнения по проектированию поменялись так чтобы они выполнялись всреде программирования Matlab/Simulink. Это позволит студентам сфокусироваться более целенаправленно на ключевых аспектах, связанных с МБЛА, а нена деталях программирования. Приложения дают дополнительную информацию, описывающую основные инструменты Matlab/Simulink, которые будутиспользоваться при разработке модели МБЛА.
Эта книга имеет также соответствующий веб-сайт, содержащий основные файлы моделирования, которыепомогут читателю в осуществлении проекта.ÃËÀÂÀ 1ÂÂÅÄÅÍÈÅ1.1. Àðõèòåêòóðà ñèñòåìûЦель этой книги — подготовить читателя к выполнению исследовательскойработы в захватывающей и быстроразвивающейся области автономной навигации, наведения и управления беспилотными летательными аппаратами. Акцент делается на разработку алгоритмов программного обеспечения, требуемого для автономного и полуавтономного полета. Для работы в этой областиисследователи должны быть знакомы с широким диапазоном вопросов, включая преобразование координат, аэродинамику, проектирование автопилота,оценку состояния, расчет траектории полета и машинное зрение.
Это изданиедолжно охватить все эти важные вопросы, фокусируя внимание в особенностина их применении в отношении малых и миниатюрных летательных аппаратов, которые в книге сокращенно обозначаются как МБЛА.При разработке всех этих вопросов имелась в виду архитектура программного обеспечения, представленная на рис.
1.1. Блок на рис. 1.1, обозначенныйкак беспилотный летательный аппарат, представляет собой физический летательный аппарат с шестью степенями свободы (СС), который реагирует накоманды сервопривода (руль высоты, элерон, руль направления и дроссельнаязаслонка), а также на ветер и прочие возмущения. Математические модели,требуемые для того, чтобы понять полет аппарата с неизменяемой геометриейкрыла, достаточно сложные и описываются в гл. 2—5 и гл. 9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
