Способ определения угловых параметров движения беспилотного летательного аппарата
Владельцы патента RU 2374609:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к способам определения угловых параметров движения крылатых беспилотных летательных аппаратов (далее БЛА) и может быть использовано при управлении БЛА, совершающего маневр с помощью различных режимов полета: рикошетирования, планирования и комбинированного режима. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения угловых параметров движения беспилотного летательного аппарата: углов тангажа, крена и рысканья. Согласно предлагаемому способу при неровных участках земной поверхности стабилизируют платформу параллельно плоскости местного горизонта с помощью гироскопических приборов, а при ровной земной поверхности - с помощью радиовысотомеров, и измеряют угловые параметры движения БЛА относительно данной платформы. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам определения угловых параметров движения крылатых беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и может быть использовано при управлении БЛА, совершающего маневр с помощью различных режимов полета: рикошетирования, планирования и комбинированного режима.
Известен способ управления полетом, который реализован в известной системе управления. В данной системе измеряют и формируют управляющее воздействие на управляющие органы с целью изменения траектории. В качестве измерителя координат управляемого объекта (УО) используется система инерциальной навигации (см. Справочник по радиоэлектронике, том 3, под общей ред. проф., д.т.н. А.А.Куликовского, - М.: Энергия, 1970 г. - 816 с., с.557).
Недостаток известного способа заключается в том, что вырабатываемые инерциальной системой данные содержат накапливающиеся со временем ошибки, вследствие чего понижается точность определения угловых параметров.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения угловых параметров движущихся объектов, при котором стабилизируют платформу параллельно плоскости местного горизонта и измеряют угловые параметры движения БЛА с помощью гироскопических приборов (например, гиростабилизаторов) (см. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации, В.А.Бесекерский, Е.А.Фабрикант, - Л.: Судостроение, 1968 г. - 351 с., с.171-173). Данный способ принят за прототип.
Недостатки известного способа, принятого за прототип, заключаются в возрастании ошибки вычисления текущих угловых параметров во времени главным образом из-за прецессии гироскопического прибора, что, в свою очередь, приводит к возрастанию во времени погрешностей линейных координат. Прецессия обусловлена следующими факторами: небалансом веса наружной рамки и установленных на ней элементов; силами сухого трения в подвесе наружной рамки, редукторе, двигателе; силами скоростного (вязкого) трения, инерционными силами; гироскопическим эффектом, вызываемым вращением опорной системы координат, относительно которой определяются углы а и β. Так как управление движением БЛА осуществляется на протяжении всего полета, то применение данного способа приведет к недопустимо большим погрешностям определения угловых и линейных параметров БЛА.
Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением: стабилизация платформы параллельно плоскости местного горизонта с помощью гироскопических приборов при неровных участках земной поверхности, измерение угловых параметров движения БЛА относительно данной платформы.
Задачей изобретения является повышение точности определения угловых параметров движения беспилотного летательного аппарата: углов тангажа, крена и рысканья.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе, при котором стабилизируют платформу параллельно плоскости местного горизонта с помощью гироскопических приборов при неровных участках земной поверхности и измеряют угловые параметры движения БЛА относительно данной платформы, для стабилизации платформы при ровной земной поверхности используют радиовысотомеры.
Отличием предлагаемого способа от прототипа является то, что для стабилизации платформы при ровной земной поверхности используют радиовысотомеры. Использование для горизонтирования платформы на ровных участках земной поверхности радиовысотомеров позволяет уменьшить уходы платформы и благодаря этому повысить точность определения угловых параметров (углов рысканья, тангажа и крена) БЛА.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-2.
На фиг.1 приведена функциональная схема системы ориентации антенны радиовысотомера, где обозначены:
1 - радиовысотомер (РВ);
2 - усилитель-преобразователь (УП);
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
4 - бортовой компьютер (БК);
5 - цифроаналоговой преобразователь (ЦАП);
6 - привод (П);
7 - редуктор (Р);
8 - антенна радиовысотомера (А).
На фиг.2 показана схема, поясняющая принцип работы системы ориентации антенны радиовысотомера, жестко связанной со стабилизированной платформой, при полете БЛА над равнинной поверхностью.
Предлагаемый способ определения угловых параметров движения БЛА заключается в следующем.
Известно, что большая часть земного шара представляет собой либо водную поверхность, либо равнину. В этом случае для горизонтирования платформы предлагается использовать радиовысотомеры, а при неровностях земной поверхности - гироскопические приборы. Информация об отклонении БЛА относительно стабилизированной платформы выдается датчиками углов.
На первом этапе рассмотрим решение данной задачи для рельефа земли, представляющего собой горизонтальную поверхность (водная поверхность, равнина).
Известно, что с помощью радиовысотомера можно измерять расстояние от летательного аппарата до земной поверхности. Под высотой ЛА, измеряемой радиовысотомером Нр, будем считать кратчайшее расстояние от центра масс ЛА до земной поверхности. Таким образом, зависимость для высоты полета ЛА можно представить в виде
где НР - высота ЛА, измеряемая радиовысотомером;
ΔHP - расстояние от уровня мирового океана до точки земной поверхности, соответствующей положению центра масс ЛА.
Для измерения НР на борту АБЛА необходимо иметь систему ориентации антенны радиовысотомера (фиг.1).
Работает система ориентации следующим образом.
Передающая антенна излучает радиосигнал, который отражается от поверхности земли и поступает на вход приемной антенны радиовысотомера (А) 8. По времени прохождения радиосигнала от РВ 1 до земли и обратно вычисляется расстояние от ЛА до поверхности земли H1 (фиг.2). Электрический сигнал, содержащий информацию об H1, усиливается в усилителе-преобразователе (УП) 2, преобразуется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП) 3 в код. Далее сигнал поступает на вход бортового компьютера (БК) 4, где преобразуется в соответствии с реализованным в БК 4 алгоритмом и запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). В этот момент подается команда на привод (П) 6, который через понижающий редуктор (Р) 7 поворачивает стабилизированную площадку на элементарный угол (шаг) в любую сторону. На следующем такте снова определяется расстояние от ЛА до земли Н2, и в компьютере вычисляется разность:
где H1 - расстояние от ЛА до поверхности земли, измеренное в первом такте;
Н2 - расстояние от ЛА до поверхности земли, измеренное на втором такте.
Сигнал, в котором содержится информация о данной разности, преобразованный в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП) 5, поступает на привод (П) 6. Если ΔH<0, то поворот стабилизированной площадки происходит в ту же сторону, если же ΔH>0, то разворот стабилизированной площадки осуществляется в обратную сторону. Причем число шагов должно быть пропорционально величине ΔH. В процессе регулирования данная разность будет уменьшаться до минимальной величины, и, в конечном счете, ее знак изменится на обратный. Начнется поворот стабилизированной площадки в обратную сторону. Итак, стабилизированная площадка будет совершать небольшие колебания с высокой частотой относительно некоторого среднего значения. При этом высота, измеренная РВ, будет равна минимальному расстоянию от ЛА до земной поверхности, то есть
Такое регулирование положения стабилизированной площадки необходимо осуществлять в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечит расположение стабилизированной площадки в плоскости, параллельной плоскости местного горизонта.
Необходимо отметить, что если антенна радиовысотомера А8 конструктивно расположена отдельно от ГСП, то передача угла разворота может быть осуществлена с помощью следящей системы. Если же антенна радиовысотомера А8 механически связана с ГСП, то для разворота антенны радиовысотомера А8 и ГСП может быть использована система стабилизации гироплатформы.
При неровностях земной поверхности точность стабилизации платформы будет ухудшаться за счет того, что радиовысотомер измеряет расстояние от центра масс ЛА до земной поверхности. В этом случае для стабилизации платформы целесообразно использовать ГСП. Точность стабилизации для платформы в этом случае не будет зависеть от профиля земной поверхности.
Таким образом, большую часть полета БЛА (при ровной поверхности Земли) стабилизация платформы будет осуществляться с помощью радиовысотомеров, а при неровностях земной поверхности (меньшую часть полета БЛА) стабилизация платформы будет осуществляться с помощью гироскопических приборов.
Для подтверждения теоретических результатов было проведено моделирование движения БЛА при отсутствии неровностей земной поверхности с использованием для стабилизации платформы радиовысотомеров и гироскопических приборов.
Результаты моделирования приведены в таблице 1,
где t - время полета БЛА,
Δθ - ошибка в измерении угла наклона вектора скорости БЛА,
Х - продольная координата центра масс БЛА (дальность полета),
ΔХ - ошибка в измерении координаты, возникающая за счет «дрейфов» по оси стабилизации гироскопических приборов.
| Таблица 1 | |||||
| Способ-прототип (горизонтирование СП с помощью гироприборов) | Предлагаемый способ (горизонтирование СП с помощью радиовысотомеров) | ||||
| Δθ | 0 | 5·10-8·t | 5·10-7t | 5·10-8 | 5·10-7 |
| Х, м | 10254332 | 10255061 | 10262275 | 10254333 | 10254315 |
| ΔХ, м | 0 | 729 | 17943 | 1 | 17 |
В случае стабилизации платформы с помощью гироскопических приборов ошибки в определении отклонений платформы будут пропорциональны времени, а при использовании радиовысотомеров будут зависеть от точности работы самих радиовысотомеров.
Таким образом, отклонения платформы от горизонтального положения, при стабилизации с помощью радиовысотомеров, будут существенно ниже, чем в известном способе-прототипе.
Анализ результатов моделирования показывает, что горизонтирование стабилизированной платформы с помощью радиовысотомера при полете над ровной поверхностью позволяет уменьшить уходы платформы и обеспечить более точное определение угловых параметров движения БЛА (углов рысканья, тангажа и крена).
Способ определения угловых параметров движения беспилотного летательного аппарата, при котором стабилизируют платформу параллельно плоскости местного горизонта с помощью гироскопических приборов при неровных участках земной поверхности и измеряют угловые параметры движения БЛА (беспилотный летательный аппарат) относительно данной платформы, отличающийся тем, что для стабилизации платформы при ровной земной поверхности используют радиовысотомеры.
