Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В частности, вгл. 2 приводится описание систем координат и их преобразований. Изучениесистем координат необходимо, поскольку большинство параметров МБЛАприводятся в инерциальной системе координат (например при движении покругу вокруг заданной точки), тогда как большинство измерений датчиковпроводятся в системе координат, связанной с БЛА; исполнительные механизмы приводят в действие силы и моменты сил также в связанной с БЛА системе координат.
В гл. 3 изложены кинематические и динамические уравнениядвижения абсолютно твердого тела. В гл. 4 приводится описание аэродинамических сил и моментов сил, которые действуют на летательный аппарат с неизменяемой геометрией крыла. Глава 5 начинается с объединения результатовгл. 3 и 4 в целях получения нелинейной динамической модели МБЛА сшестью степенями свободы и двенадцатью состояниями. При обеспеченииточности, необходимой для целей моделирования, модель с шестью степенями1.1.
Архитектура системыПункт назначения,препятствияТочки заданнойтраекторииполетаЗаданиемаршрутаСкорость полета,высота, курс,командыКоманды насервоприводВетер15КартаПланировщик маршрутаСостояниеСистема управлениямаршрутомСистема следованияпо маршрутуОшибкасопровожденияОшибкаположенияАвтопилотБеспилотный летательныйаппаратУстройство оцениваниясостоянияБортовые датчикиРис. 1.1. Архитектура системы, которая будет использоваться на протяжении всей этойкниги.
Планировщик маршрута наносит прямую линию или траекторию Дубинсачерез поле препятствий. Система управления маршрутом переключается между режимами следования по дуге окружности и по прямой линии при совершении маневра между точками заданной траектории полета. Блок следования вдоль траектории полета дает команды автопилоту низкого уровня, которые контролируютположение корпуса летательного аппарата. Каждый блок при выработке решенийполагается на оценки состояний, получаемых в результате фильтрации показанийбортовых датчиковсвободы оказывается достаточно сложной и громоздкой. Проектирование ианализ управления летательным аппаратом значительно проще осуществляются с помощью использования линейных моделей более низкого порядка. Линейные модели, которые описывают небольшие отклонения от равновесногосостояния, получены в гл. 5, включая линейную функцию преобразования имодели пространственных состояний.Блок, обозначенный на рис.
1.1 как автопилот, относится к алгоритмамуправления низкого уровня, который поддерживает постоянными значения углов крена и тангажа, скорости полета, высоты и курсового направления полета. В гл. 6 описана стандартная методика последовательного замыкания контуров для проектирования законов управления автопилотом. Вложенныеконтуры управления поочередно замыкаются, при этом внутренние контурыподдерживают углы крена и тангажа, а внешние контуры поддерживают скорость полета, высоту и курс.Автопилот и блоки управления полетом на больших высотах полагаются наточные оценки состояния, получаемые динамической фильтрацией показанийбортовых датчиков, которые включают акселерометры, датчики угловой скорости, датчики давления, магнитометры и приемники GPS. Описание этих датчиков и их математических моделей приводится в гл.
7. Поскольку измеритьвсе состояния небольшого летательного аппарата с помощью стандартных16Глава 1. Введениедатчиков невозможно, важную роль играют оценки этих состояний. Описание нескольких методов оценки состояний, которые применимы для МБЛА,дано в гл. 8.Полная модель динамики полета совместно с методом оценивания автопилота и состояния представляет собой многомерную, чрезвычайно сложную нелинейную систему уравнений. Полная модель системы слишком сложная, чтобы способствовать разработке высокоуровневых алгоритмов наведения.Поэтому в гл.
9 получены нелинейные уравнения низкого порядка, которыемоделируют поведение системы с закрытым контуром управления. Эти моделииспользуются в последующих главах при разработке алгоритмов наведения.Одна из первостепенных проблем связана с полетом МБЛА при наличииветра. Поскольку скорости полета находятся в интервале 20—40 миль/час,который типичен для МБЛА, а скорость ветра на нескольких сотнях футахнад уровнем Земли (АВНП, AGL — Above Ground Level) почти всегда превышает 10 миль/час (18 км/час), то МБЛА должны быть способны эффективноманеврировать в воздушном потоке.
Традиционные методы отслеживаниятраектории, используемые в робототехнике, для МБЛА работают недостаточнохорошо. Основным затруднением в использовании этих методов является требование быть в определенном месте в определенное время, которое не можетнадлежащим образом учитывать изменения скорости относительно Земли, вызванные неизвестными и меняющимися воздействиями ветра. Альтернативныеметоды выдерживания заданной траектории, которые просто поддерживаютлетательный аппарат на требуемой траектории, доказали свою эффективностьво время летных испытаний. В гл. 10 приводится описание алгоритмов и методов, используемых для обеспечения возможностей блока выдерживания заданной траектории, представленного на рис.
1.1. В книге акцентируется вниманиеисключительно на траекториях в виде прямой линии и круговых орбитах илидугах окружностей. Все остальные используемые траектории полета могутбыть составлены из этих первичных траекторий в виде прямой линии иокружности.Блоку, обозначенному на рис. 1.1 как менеджер маршрута, соответствуетконечный автомат, который преобразует последовательность точек маршрута(положений и направлений) в последовательности траекторий прямолинейныхотрезков и дуг окружностей, по которым должен лететь МБЛА. Это позволяетупростить проблемы планирования траектории полета, так как планировщикмаршрута создает последовательность либо прямолинейных отрезков маршрута, либо траекторий Дубинса, по которым должен маневрировать МБЛА, пролетая через поле препятствий. В гл.
11 приводится описание менеджера маршрута, а в гл. 12 — описание планировщика маршрута. Для планировщикамаршрута в книге рассматриваются два класса проблем. Первый класс проблем обусловлен применением поточечных алгоритмов, для которых целью1.1. Архитектура системы17является маневрирование из начального положения в конечную точку, избегаяпри этом набора препятствий. Второй класс проблем обусловлен алгоритмамипоиска, целью которых является охват области, потенциально содержащий запретные зоны, с использованием для этого зоны охвата датчика.Почти все области использования МБЛА требуют использования бортовойоптоэлектронной/инфракрасной видеокамеры.
Типичной задачей камеры является обеспечение конечного пользователя визуальной информацией. Поскольку грузоподъемность МБЛА ограничена, все же имеет смысл использоватьвидеокамеру также для навигации, наведения и управления полетом. Эффективное использование информации видеокамеры в настоящее время являетсяактивной исследовательской задачей. В гл. 13 обсуждается несколько возможных вариантов использования видеокамер на МБЛА, включая геолокацию ипосадку на основе видеосистемы.
Геолокация использует последовательностьизображений и данные бортовых датчиков для оценки мировых координат находящихся на Земле объектов. При посадке на основе видеосистемы используются видеоизображения, записанные МБЛА, чтобы навести его на цель, идентифицированную в плоскости изображения. Понимание этих проблемпозволит проводить в будущем исследования в области наведения МБЛА с помощью видеосистемы.В гл. 13 используется архитектура программного обеспечения, представленная на рис.
1.2, где блок, обозначенный как планировщик маршрута, заменен блоком наведения с помощью видеосистемы. Однако законы наведенияЦели для сопровождения / для исключения столкновенияТочки заданнойтраекторииполетаНаведение с помощьювидеосистемыСостояниеМенеджер маршрутаЗаданиемаршрутаВоздушнаяcкорость, высота,курс, командыКоманды насервоприводВетерОшибкасопровожденияСледование по маршрутуОшибкаположенияАвтопилотБеспилотный летательныйаппаратУстройство оцениваниясостоянияБортовые датчикиВидеокамераРис. 1.2. Архитектура системы для навигации, наведения и управления полетом с помощьювидеосистемы. Видеокамера добавлена как дополнительный датчик, а планировщикмаршрута заменен блоком, обозначенным как наведение с помощью видеосистемы18Глава 1. Введениес помощью видеосистемы взаимодействуют с архитектурой программногообеспечения так же, как в случае использования планировщика маршрута.Модульность представленной архитектуры является ее одной из самых привлекательных особенностей.1.2.
Ìîäåëè ïðîåêòèðîâàíèÿПринципы проектирования, которые соблюдаются на протяжении всей книги,схематически иллюстрируются на рис. 1.3. Беспилотный летательный аппарат,функционирующий в своей среде, обозначен на рис. 1.3 как «физическая система» и включает в себя приводы (для управления заслонками и воздушнымвинтом), а также датчики (инерционный измерительный модуль, GPS, камераи т.п.). Первый шаг в процессе проектирования состоит в моделировании физической системы, используя для этого нелинейные дифференциальные уравнения. Поскольку на этом шаге неизбежны приближения и упрощения, будемПроектирование управляющего воздействия № 1Модельпроектирования № 1Проектирование управляющего воздействия № NМодельпроектирования № NЛинеаризация,снижение порядкамодели, упрощенияИспытание на имитиационной моделиИмитационнаямодельЗакон Ньютона и т.п.ФизическаясистемаВнедрение в физическую системуРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
