Системы ориентации для малоразмерных беспилотных летательных аппаратов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ТулГУ») имеет в своём составе инновационные и научно-образовательные центры, в том числе центр «Микросистемная техника», одно из направлений деятельности которого – разработка аппаратуры управления для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) классов «микро» и «мини» (малоразмерные БПЛА – МБПЛА).

Ключевой системой бортовой аппаратуры управления (авионики) БПЛА является система ориентации для определения углового положения БПЛА относительно опорной системы координат. В МБПЛА могут применяться бесплатформенные системы ориентации (БСО), магнитометрические, видеосистемы, пирометрические и др. Существенное улучшение точности определения угловых координат БПЛА достигается комплексированием систем ориентации различных типов. Использование сигналов систем GPS/ГЛОНАСС также повышает точность и надёжность определения угловых координат БПЛА и добавляет функцию определения географических координат его положения.

БСО реализована на базе трёх ортогонально расположенных микромеханических датчиков угловой скорости и вычислительного устройства, обеспечивающего обработку сигналов с датчиков и последующее интегрирование по одному из известных алгоритмов. Недостаток такой системы – накапливаемая со временем погрешность и, как следствие, ограниченное время работы.

Для устранения указанного недостатка в систему введена дополнительная информация, характеризующая угловую ориентацию БПЛА. Источниками такой информации служат датчики линейного ускорения (акселерометры). В сигналах акселерометров имеются две составляющие: первая – проекции ускорения свободного падения (УСП) на оси связанной системы координат, вторая – ускорения, обусловленные движением объекта. Выделение первой составляющей реализовано с помощью фильтра Калмана, производящего оценку проекций вектора УСП.

Составляющая кажущегося ускорения, обусловленная собственным движением БПЛА, подавляется ввиду малого значения коэффициента передачи фильтра Калмана (К). Структурная схема микросистемной БСО представлена на рис. 1.

В магнитометрической системе ориентации (МСО) в качестве чувствительных элементов применяются магниторезисторы. Источником информации для МСО являются изменения составляющих вектора напряжённости магнитного поля Земли по отношению к БПЛА, изменяющему свою угловую ориентацию. Применение трёхосевого магнитометра позволяет усреднить неточность показаний датчика в направлении его осей чувствительности с помощью нормировки .

Путевой угол, вырабатываемый модулем GPS/ГЛОНАСС, для малых углов скольжения БПЛА можно принять в качестве угла курса относительно географического севера. Пересчёт из географического курса в магнитный осуществляется на основании информации об угле магнитного склонения. Выработка значений угла наклонения осуществляется по информации о долготе и широте, получаемой от модуля GPS/

ГЛОНАСС.

В известных видеосистемах перспективная видеокамера, оптическая ось которой располагается параллельно продольной оси БПЛА или под некоторым углом к ней, применена для определения углов тангажа и крена, источником информации о которых служит линия горизонта. Недостатками подобного метода измерения углов крена и тангажа являются зависимость алгоритма их вычисления от высоты полёта БПЛА и ограниченность углов крена и тангажа, в диапазоне измерения которых наблюдается линия горизонта. Другим методом определения угловых параметров ориентации является использование катадиоптрического датчика, представляющего собой объединение сферического зеркала с видео­камерой, оптические оси которых совпадают. Видеосистема может располагаться как в верхней, так и в нижней части БПЛА (рис. 2, а). В обоих случаях в кадре видеокамеры обеспечивается панорамное изображение земли и неба (рис. 2, b).

Видеосистема может располагаться в носовой части БПЛА. В первых двух случаях оптическая ось видеокамеры располагается параллельно оси Y связанной системы координат, в последнем – вдоль оси X.

При нулевых значениях углов тангажа и крена БПЛА и в предположении, что оптическая ось видеокамеры соосна оси Y связанной системы координат, изображение неба находится в центре кадра на фоне земли. При ненулевых значениях углов тангажа и крена изображение неба будет перемещаться относительно центра кадра. Положение центра яркости изображения неба относительно центра кадра определяет углы крена и тангажа БПЛА.

Принцип действия пирометрической системы ориентации основан на измерении вертикального распределения разности температур небосвода и земли, имеющей минимум в зените и максимум в надире (рис. 3, а). Разница минимума и максимума является температурным градиентом. В ясные дни значение градиента достигает 40 °С, а в пасмурные может снижаться до 1 °С.

Если БПЛА летит горизонтально, все датчики (пирометры) находятся в плоскости горизонта и «видят» одинаковую тепловую картину, поэтому выходные напряжения диаметрально противоположных датчиков равны. Если БПЛА накренить на некоторый угол, то диаметрально расположенные датчики будут засвечиваться неравномерно, что приведёт к рассогласованию выходных напряжений пары датчиков Dat1 и Dat3, которое преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно продольной оси (рис. 3, b). Аналогично, рассогласование сигналов пары датчиков Dat2 и Dat4 преобразуется в сигнал угла поворота БПЛА относительно поперечной оси.

Отработка систем ориентации в лётных условиях выполнялась на авиамоделях с взлётной массой от 300 г до 15 кг, приобретаемых через розничную сеть (рис. 4). Конфигурация БПЛА с использованием авиамоделей, которые из-за малой цены можно рассматривать как жертвенный материал, имеет самостоятельное значение.

Инновационный и научно-образовательный центр «Микросистемная техника» ТулГУ обладает интеллектуальными и техническими ресурсами, необходимыми для разработки микросистемной авионики МБПЛА по техническим требованиям заказчика.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» Институт высокоточных систем им. В. П. Грязева
Кафедра «Приборы управления»
Инновационный и научно-образовательный центр «Микросистемная техника»
200600, Тула, пр. Ленина, д. 92
Тел.: 8 (4872) 35-19-59
E-mail: tgupu@yandex.ru

Комментариев еще нет.

Оставить комментарий

Вы должны войти Авторизованы чтобы оставить комментарий.

Партнеры