Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые БЛА - теория и практика (2015) (1245764), страница 5
Текст из файла (страница 5)
1.3. Процесс проектирования. Используя принципы физики, физическая система моделируется математически, что дает имитационную модель. Имитационная модельупрощается, чтобы создать модели проектирования, которые используются дляпроектирования управляющего воздействия. Проектирование управляющего воздействия затем испытывается и отлаживается в имитационной модели и, в концеконцов, внедряется в физическую систему1.2. Модели проектирования19все же надеяться отразить в математической модели все важные характеристики физической системы. В этой книге модель физической системы включает всебя кинематику и динамику абсолютно твердого тела (гл.
3), аэродинамические силы и моменты (гл. 4), а также бортовые датчики (гл. 7). Результирующая модель получила название на рис. 1.3 «имитационная модель», и она будет использоваться для высокоточного компьютерного моделированияфизической системы. Однако следует отметить, что имитационная модель является лишь приближением физической системы и только из-за того, что проектирование достаточно эффективно на имитационной модели, не нужнопредполагать, что она будет надлежащим образом функционировать в физической системе.Имитационная модель, как правило, нелинейная и высокого порядка и,кроме того, математически сложная для использования в проектированииуправляющих воздействий.
Поэтому для удобства процесса проектирования имитационная модель упрощается и, как правило, линеаризуется, чтобысоздать модели проектирования низкого порядка. Для любой физической системы может быть множество моделей проектирования, каждая из которых отражает определенные аспекты процесса проектирования. Для МБЛА используются разнообразные модели как для низкоуровневого (low-level) управленияполетом, так и для наведения аппарата на более высоком уровне.
В гл. 5 разложено движение самолета на продольное (пикирование и набор высоты) ипоперечное (крен и отклонения от курсового направления) движения и будемиспользовать различные модели проектирования для каждого типа движения.Линейные модели проектирования, разработанные в гл. 5, будут использоваться в гл. 6 для разработки низкоуровневых контуров управления автопилотом,что позволяет регулировать воздушную скорость, высоту и курсовой угол аппарата. В гл.
8 продемонстрировано, как оценивать состояния, которые необходимы для контуров автопилота, используя для этого датчики, обычно используемые на малых и миниатюрных летательных аппаратах.Математические уравнения, описывающие физические особенности системы, поведение низкоуровневого автопилота и процедуры для оценки состояния аппарата, при рассмотрении этих аспектов как единого целого оченьсложны и не используются для проектирования процедур наведения на болеевысоком уровне. Поэтому в гл. 9 разработаны нелинейные модели проектирования, которые моделируют поведение системы при замкнутом контуре, когдана входе — заданные воздушная скорость, высота и курсовой угол, а на выходе — положение в инерциальной системе координат и направление летательного аппарата. Модели проектирования, разработанные в гл.
9, используютсяв гл. 10—13 для разработки стратегий наведения МБЛА.Как показано на рис. 1.3, модели проектирования используются для проектирования систем наведения и управления полетом. Полученные конструкции20Глава 1. Введениезатем испытываются с помощью высокоточных имитационных моделей, которые иногда требуют, чтобы модели проектирования были изменены или усовершенствованы, если они не отражают существенных особенностей системы.После тщательного тестирования проектов с помощью имитационной моделиони внедряются в физические системы и снова проходят стадию испытаний иотладку, что иногда приводит к изменениям имитационной модели в целях более точного соответствия физической системе.1.3.
Îïûòíî-êîíñòðóêòîðñêàÿ ðàçðàáîòêàВ этом учебнике авторы решили заменить традиционные домашние задания,выполняемые с помощью карандаша и бумаги, на полную и достаточно обширную опытно-конструкторскую разработку. Опытно-конструкторская разработка является неотъемлемой частью этого учебника, и она сыграет значительную роль в оказании помощи читателю при усвоении представленногоматериала.Опытно-конструкторская разработка включает в себя разработку имитатора полета МБЛА с поверхности Земли вверх. Имитатор полета создается с помощью ПО Matlab/Simulink, и специально разработанными задания так, чтобы не требовалось дополнительное ПО1.
Веб-сайт для этой книги содержитряд различных файлов ПО Matlab и Simulink, которые помогут в разработкеимитатора полета. Стратегия состоит в обеспечении базовыми файлами, которые передают нужную информацию между блоками, а также чтобы подтолкнуть к написанию работы для каждого модуля внутри системы. Этот проектсоздается сам по себе и требует успешного завершения каждой главы, преждечем можно будет перейти к следующей главе. Чтобы дать понять, когда проектиз каждой главы работает, в книгу включены графики и рисунки с веб-сайта,которые показывают выходные данные нашего имитатора на каждом этапе.Задание на проектирование в гл. 2 состоит в разработке анимации летательного средства и в том, чтобы убедиться в правильности поворота корпусалетательного аппарата на экране.
Обучающий курс в виде анимационной графики в Matlab приводится в приложении C. Задание в гл. 3 заключается в том,чтобы привести анимацию в действие, используя математическую модель абсолютно твердого тела в форме уравнений движения. В гл. 4 в имитационнуюмодель добавляются силы и моменты сил, действующие на аппарат с неизменяемой формой крыла. Задание в гл. 5 состоит в применении команд ПО1 Авторы книги также читают курс с использованием общедоступного имитатора полета Aviones, который можно загрузить на сайте Sourceforge.net.
Для тех, у кого нет доступак ПО Matlab/Simulink и кто предпочитает разрабатывать проект в C/C++ может использовать Aviones.1.3. Опытно-конструкторская разработка21Simulink trim и linmod, чтобы найти условия балансировки аппарата и вывестилинейную передаточную функцию и модель в пространстве состояний системы МБЛА. Задание в гл.
6 — добавить блок автопилота, который используетдействительные состояния для управления полетом летательного аппарата. Вгл. 7 в имитатор добавляется модель датчиков, а в гл. 8 — схемы оценки состояний, для того чтобы оценивать состояния, необходимые для автопилота, используя доступные датчики. Результатом задания по проектированию в гл. 8является система с закрытым контуром, которая регулирует воздушную скорость, высоту и курсовой угол, используя только доступную информацию датчика.
Задание в гл. 9 состоит в аппроксимации поведения при закрытом контуре, используя простые модели проектирования, и в настройке параметровмодели проектирования так, чтобы она в основном соответствовала поведению имитации полета с высокой степенью точности при закрытом контуре. Задание в гл. 10 состоит в разработке простых алгоритмов наведения дляследования по прямым линиям и по круговым орбитам при наличии ветра.В гл.
11 следование по прямой линии и круговой орбите используется длясинтеза более сложных траекторий с упором на следование по траекториямДубинса. Задание в гл. 12 состоит во внедрении схемы планирования маршрута на основе алгоритма случайного дерева, чтобы планировать траектории Дубинса через поле препятствий. Задание по проектированию в гл. 13 заключается в нацеливании камеры на движущуюся наземную цель и оценке положенияцели в инерциальной системе координат, используя для этого данные, полученные бортовыми датчиками (геолокация).ÃËÀÂÀ 2ÑÈÑÒÅÌÛ ÊÎÎÐÄÈÍÀÒПри изучении беспилотных летательных аппаратов важно понять, как различные тела ориентируются друг относительно друга. Очевидней всего, что нужнопонять, как самолет ориентируется относительно Земли.
Также необходимознать, как датчик (например бортовая камера) ориентируется относительно самолета или как антенна ориентируется относительно наземного источникасигнала. В этой главе приводится описание различных систем координат,используемых для описания положения и ориентации самолета и его бортовых датчиков, а также преобразование из одной системы координат в другую.Пользоваться несколькими различными системами координат необходимо последующим причинам:••••Уравнения движения Ньютона выведены относительно неподвижной инерциальной системы отсчета.
Однако движение проще всего описывается в системе отсчета неподвижного тела или связанной системе.Аэродинамические силы и моменты, действующие на корпус самолета, также проще всего описываются в связанной системе отсчета.Бортовые датчики, такие как акселерометры и датчики угловой скорости,получают информацию относительно связанной системы координат. Альтернативно этому GPS определяет положение, скорость относительно Землии курсовой угол относительной инерциальной системы координат.Большинство требований к полету, таких как точки патрулирования и траектории полета, задаются в инерциальной системе координат.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
