Мехатроника и динамика мини-роботов

Из этих уравнений следует, что продольное движение ЛМР связано с его боковым движением посредством инерционных, аэродинамических и гироскопических членов. Инерционные члены урав-

нений (10.4) Jz J y y z , Jx Jz x z , J y Jx x y прене-

брежимо малы при малых угловых скоростях и малых разностях моментов инерции. Видно, что возможность разделения продольного и бокового движений вытекает из условия x 0 . Когда x 0

и велико, продольное и боковое движения следует рассматривать взаимосвязанными.

Аэродинамическая связь продольного и бокового движений обусловлена зависимостью коэффициентов моментов mx , my , mz от па-

раметров этих движений. Последний и предпоследний члены в левых частях уравнений (10.4) возникают вследствие гироскопических эффектов, вызванных вращающимися телами на борту БПЛА. При больших угловых скоростях вращения Ωi и значительных мо-

ментах инерции Ji гироскопические члены, обусловливающие пе-

рекрестные связи между продольным и боковым движениями, могут быть сравнимыми с другими членами уравнений.

Последние члены в правых частях уравнений (10.4), обусловленные изменением кинетического момента вращающихся масс, указывают на возможность использования этих явлений для управления угловыми движениями БПЛА. Заметим, что управляющие воздействия существуют до тех пор, пока угловые скорости вращающихся масс возрастают или убывают. Поэтому такое управление возможно только в сочетании с управлением, например, посредством двигателей, рулей.

Уравнения (10.4) в частных случаях могут быть упрощены. Если по каждой из осей ЛМР расположен один маховик, а вращающиеся массы в силовых установках отсутствуют, то, полагая J1 J2

280

Шесть уравнений движения (10.3) и (10.4) ЛМР как системы твердых тел связывают восемь переменных V , , , , , x , y , z ,

определяющих движение центра масс БПЛА и движение относительно центра масс n переменных Ωi i 1, ,n , определяющих

движение вращающихся масс по отношению к системе координат, связанной с БПЛА. Три координаты управляющих рулей δв, δн, δэ

и три составляющие вектора Px , Py , Pz находятся из уравнений

движения системы управления, которые будут рассмотрены ниже. Величины Ωi будем принимать известными функциями времени или

определим их также из уравнений динамики системы управления. Для определения остальных переменных необходимо составить

еще два уравнения. В качестве этих уравнений можно взять соотношения между угловыми скоростями x , y , z и производными

d /dt, d /dt, d /dt:

Если провести линеаризацию уравнений (10.3) и (10.4), то можно убедиться, что даже при малых угловых скоростях, когда инерционными связями между продольным и боковым движениями можно пренебречь, остаются аэродинамические и гироскопические связи.

281

10.2. Задача управления летательными аппаратами с учетом различных факторов. Задачи управления

Рассмотрим краткие сведения об особенностях управления летательными мини-роботами и общих требованиях к управляемому полету, об информационных характеристиках процессов управления и аппаратуре для получения информации, а также проведем классификацию средств автоматического управления.

Движение БПЛА в пространстве определяется начальными условиями и действующими на аппарат силами. В пределах атмосферы на аппарат действуют сила тяги, аэродинамические силы и сила тяжести. При действии на БПЛА указанных сил его движение непрерывно возмущается, а параметры полета отклоняются от программных (расчетных). Для получения заданного движения БПЛА необходимо управлять действующими на него силами.

Любая из возмущающих сил, действующих на БПЛА, может быть использована для управления движением. При создании систем управления к управляющим силам предъявляются следующие требования:

1)широкий диапазон изменения по величине и направлению;

2)простота реализации управляющих органов;

3)малые затраты энергии на управление;

4)малое влияние управляющих органов на аэродинамическое сопротивление.

Рассмотрим способы создания управляющих сил и моментов для некоторых типов БПЛА. На дронах типа самолетов и крылатых ракет в качестве управляющих сил обычно используются аэродинамические и газодинамические силы.

На рис. 10.2 дана схема аэродрона, на котором в качестве рулевых органов применены элероны 4 с триммером 5, стабилизатор 6

ируль направления 7 с триммером 8. Подъемная сила у крылатых БПЛА создается, главным образом, крыльями, частью которых являются элероны, поэтому посредством элеронов можно менять направление и отчасти – величину подъемной силы. Устойчивость

иуправляемость БПЛА обеспечивается горизонтальным (стабилизатор, нередко стабилизатор и руль высоты) и вертикальным (киль 12

ируль направления 7) оперением.

282

а момент M z с изменяет угол наклона продольной оси дрона (угол

тангажа). Другими словами, стабилизатор (руль высоты) служит для управления углом тангажа и высотой полета.

Управление дроном в горизонтальной плоскости осуществля-

ется элеронами 4 и рулем направления 7. При нейтральном положении элеронов подъемные силы правого и левого крыльев одинаковы. Если элероны отклоняются (если правый элерон поднимается, то левый – спускается, и наоборот), то подъемная сила крыла с поднятым элероном уменьшается, а с опущенным – увеличивается. Разность подъемных сил крыльев обусловливает возникновение момента M x относительно оси Ox , называемого моментом крена.

Под действием этого момента самолет накреняется (при этом подъемные силы остаются перпендикулярными плоскостям крыльев), в результате чего образуются горизонтальные составляющие этих сил, направленные в сторону крена. Под действием горизонтальных составляющих подъемной силы крыльев центр масс дрона будет перемещаться в горизонтальной плоскости в сторону крена. Таким образом, с помощью элеронов можно управлять углом крена и боковым движением центра масс дрона.

При отклонении руля направления вправо или влево от нейтрального положения возникает аэродинамический момент M y

относительно оси Oy , называемый моментом рыскания. Под дей-

ствием этого момента БПЛА поворачивается в горизонтальной плоскости вправо или влево, вокруг вертикальной оси у, т. е. изменяется угол рыскания БПЛА. Помимо изменения угла рыскания меняется также угол скольжения, т. е. угол, образуемый вектором скорости с плоскостью симметрии БПЛА. В результате этого возникает боковая сила, пропорциональная углу скольжения, вызывающая боковое движение БПЛА. Следовательно, с помощью руля направления можно управлять углами рыскания и скольжения, а также боковым движением центра масс БПЛА.

В простейшем случае БПЛА рассматриваем как абсолютно твердое тело, движение которого характеризуется шестью степенями свободы. Для управления БПЛА в общем случаем необходимо создать управляющие силы и моменты по трем взаимно перпендикулярным осям и изменять их в соответствии с требуемыми законами управления.

284

Формирование управляющих сил и моментов осуществляется в системе управления в соответствии с информацией о движении БПЛА, при этом система управления должна иметь столько каналов управления, сколько степеней свободы имеет управляемый объект.

В ряде случаев БПЛА приходится рассматривать как систему твердых тел (такой системой является, например, геликоптер). Число степеней свободы такого БПЛА возрастает, поэтому система управления усложняется.

Задачи управления БПЛА усложняются при необходимости учета упругих свойств. В этом случае БПЛА может совершать аэроупругие колебания, для уменьшения которых создаются специальные замкнутые контуры управления (помимо контуров управления БПЛА как твердым телом).

Согласно вышесказанному движение БПЛА нужно рассматривать состоящим из движения центра масс и движения вокруг центра масс. Необходимость управления угловыми движениями вызывает-

ся тем, что БПЛА должен занимать вполне определенное положение по отношению к вектору скорости центра масс. В частности,

продольная ось БПЛА должна совпадать или быть близкой к направлению вектора скорости.

Управление движением центра масс необходимо для того, чтобы БПЛА совершал полет по заданной траектории, которая в опреде-

ленном смысле должна быть оптимальной. Автоматическое удержание центра масс БПЛА на заданной траектории осуществляется специальными контурами управления (контуры управления высотой, боковым отклонением, скоростью полета и т. д.).

Для управления угловыми движениями применяются соответствующие контуры управления (контуры крена, рыскания, тангажа).

Динамические характеристики (демпфирование, управляемость, устойчивость) БПЛА в ряде случаев (например, при малых скоростных напорах) оказываются неудовлетворительными, поэтому возникает необходимость их улучшения средствами автоматики. Для этого применяются автоматы устойчивости, демпфирования и другие устройства.

Летательный аппарат совершает полеты в переменных внешних условиях (изменение характеристик атмосферы, изменение веса и моментов инерции и т. д.), что приводит к изменению его динамических параметров (демпфирование, постоянные времени, коэффициенты эф-

285

фективности управляющих органов и др.) и к изменению их реакции на внешние возмущения. Для сохранения одинаковой (в общем случае минимально возможной) реакции БПЛА на возмущения в переменных внешних условиях системы управления полетом должны иметь переменные параметры, а иногда и переменную структуру, т. е. ЛМР должны быть самонастраивающимисясистемами.

Полет БПЛА должен быть оптимальным, причем оптимальность обычно понимается в широком смысле (например, обеспечиваются минимальный километровый расход топлива энергии, минимальное время достижения цели, максимальная дальность полета и т. д.). Системы управления должны обеспечивать оптимальность режи-

мов полета.

Когда БПЛА, получая информацию о цели, стремится к встрече с целью, а цель, имея информацию о БПЛА, уклоняется от встречи или противодействует встрече, то возникает характерная игровая задача с двумя участниками игры. Задачу управления полетом можно трактовать как игровую также и в том случае, когда в качестве одного игрока выступает система управления, а в качестве второго – погода (возмущения на БПЛА и на систему управления). Очевидно, что задачи систем управления, расположенных на БПЛА

ина цели, противоположны. Алгоритмы, решающие задачи поведения, преследования, уклонения, разрабатываются на основе теории игр.

Летательные аппараты, особенно мини-роботы, совершают полет группами, образуя, например, строй, который с точки зрения управления им должен рассматриваться как единая динамическая система. Системы автоматического управления строем являются разновидностями систем управления полетом.

Автоматизация управления полетом БПЛА должна быть комплексной, т. е. такой, при которой автоматизируется вся последовательность взаимосвязанных функций, таких как сбор информации об этапах

ирежимах полета, переработка информации и формирование законов управления, исполнение команд и т. д. Комплексирование систем осуществляется на базе контроллеров, микропроцессоров, работающих по программам, написанным на основе нейросетевых, генетических, эволюционных сиспользованием нечетной логики алгоритма.

Все возмущения, действующие на систему «БПЛА–система управления», можно разделить на полезные, которые система должна воспроизводить без искажений, и вредные, на которые система

286

должна слабо реагировать. При этом как полезные, так и вредные возмущения могут быть детерминированными и случайными.

При управлении движением БПЛА должны быть достигнуты: заданное качество переходного процесса; точность исполнения команд; слабая реакция на внешние возмущения; точное наведение на цели;

оптимальность движения (минимальный расход, минимизация времени полета, максимальная дальность и т. д.);

безопасность полета.

Таким образом, управление полетом должно сводиться к управлению параметрами режима полета угловыми и линейными координатами, скоростями и ускорениями, характеризующими движение БПЛА по отношению к цели и к другим аппаратам и т. д. Следовательно, для функционирования систем управления необходима информация об указанных параметрах режимов полета.

Классификация средств автоматизации летательных аппаратов

Из рассмотрения задач, выполняемых системами автоматического управления, следует, что они должны состоять из ряда автоматических устройств. На пилотируемых дронах (геликоптерах) к числу этих устройств относятся автоматы управления, автопилоты, автоматы тяги и командные системы управления.

Автоматы управления (демпферы крена, тангажа и рыскания, автоматы устойчивости) служат для улучшения динамических характеристик – управляемости и устойчивости БПЛА. При применении автоматов управления динамика БПЛА становится более точной.

Автоматические устройства, воздействующие на управляющие органы самолета (рули высоты и направления, элероны и т. д.) и обеспечивающие автоматическое пилотирование, называются автопилотами. Близкими по своим функциям являются автоматы тяги – автоматическиеустройства, служащие для управления скоростью полета.

Командные системы управления служат для обработки разнооб-

разной пилотажно-навигационной информации, необходимой для управления на траектории полета, и выдачи ее контроллеру в удобном для управления виде или подачи ее в автопилот. При примене-

287

нии командных систем роль контроллера сводится к отработке сформированных командных сигналов.

Совокупность указанных автоматических устройств образует систему автоматического управления (САУ). Эта система может также включать ряд дополнительных устройств, обеспечивающих управление аэроупругими колебаниями ЛМР со средой, управление групповым полетом.

Системы автоматического управления дронов должны включать автопилоты и ряд автоматических устройств, обеспечивающих наведение на цель, маневрирование и т. д. Автопилот, включающий каналы управления угловыми движениями и скоростью полета, называют автоматом стабилизации, а автоматическое устройство наведения на цель – системой наведения. При такой трактовке САУ беспилотных БПЛА состоит из автомата стабилизации и системы наведения.

Автопилот является одним из важнейших элементов любой САУ. Автопилоты различаются структурными особенностями, законами управления, формой сигналов – носителей информации, числом каналов управления и др.

Принцип действия автопилота виден из схемы системы управления самолетом, изображенной на рис 10.3. Информация об углах

, , , и угловых скоростях x , y , z (крена, рыскания и тан-

гажа) от измерительных систем подается в блок формирования команд системы управления. Вырабатываемые в блоке команды поступают на рулевые системы РМэ, РМн и РМс, которые изменяют

соответственно положение элеронов, руля направления и стабилизатора в таком направлении, чтобы устранить изменения угловых координатискоростей.

В блок формирования команд подаются также сигналы обратной связи, пропорциональные углам отклонения рулевых органов δэ, δн и δс. В ряде случаев в блок формирования команд подаются

сигналы ускорений (перегрузок), предельных значений параметров режима полета и т. д.

Если необходимо стабилизировать координаты центра масс БПЛА (высоту полета H и боковое отклонение Zб), то помимо угловых

координат и скоростей измеряют величины

288

H H0 H и Z Zб0 Zб,

где H0 и Zб0 – требуемые значения высоты и боковой координаты.

Рис. 10.3. Функциональная схема системы управления самолетом

В этом случае система управления будет работать до тех пор, пока рассогласования H и Zб не будут устранены.

Система управления позволяет автоматически выполнять угловые маневры. Для этого в блоке формирования команд задаются

углы 3 t , 3 t , 3 t и 3 t как функции времени и система управления полетом, исполняя команды, обеспечивает выполнение

равенств t 3 t , t 3 t , t 3 t и t 3 t , т. е.

в этом случае система управления работает в режиме слежения.

Если сигналы 3 t , 3 t , 3 t и 3 t формируются в системе наведения (самонаведения) на основе информации о цели, то система управления обеспечивает наведение БПЛА на цель (воздуш-

289