МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского
«Харьковский авиационный институт»
Кафедра систем управления летательными аппаратами
Расчётно-пояснительная записка
по дисциплине: «Информационно-измерительные устройства»
на тему: «Разработка и изготовление макета магнитометрического измерительного блока системы ориентации БПЛА»
Выполнили студенты группы 330_____
Гасанов М.А., Сохань Н.А.___
(№ группы) (Ф.И.О.)
______________________________________
(подпись, дата)
Проверил ________________________
(ученая степень, ученое звание)
_______________________А.П.Паршин
(подпись, дата) (Ф.И.О.)
Харьков, 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…...………………………………………………………………………...3
Теоретические сведения……………………………………………………...4
Система бортовой аппаратуры управления БПЛА…………………….4
Режимы и законы управления…………………………………………...5
Бесплатформенная система ориентации………………………………11
Разработка структурной и функциональной схем устройства…………...14
Структурная схема………………………………………………………14
Выбор стандартных измерительных и исполнительных устройств…14
Функциональная схема…………………………………………………20
Принципиальная электрическая схема системы………………………….21
Получение и обработка результатов работы программы………………...23
Листинг программы……………………………………………………..23
Калибровка датчиков……………………………………………………26
Визуализация модели ЛА…………..…………………………………..35
Спецификация……………………………………………………………………...37
Заключение…………………………………………………………………………38
Список использованной литературы…………………………………………..…39
ВВЕДЕНИЕ
В данном курсовом проекте необходимо разработать и изготовить макет магнитометрического измерительного блока системы ориентации БПЛА.
Развитие современной техники обуславливает необходимость в информационно-измерительных системах для определения параметров ориентации объектов в пространстве, построенных на различных физических принципах. Данные системы применяются для позиционирования стационарных объектов и для определения параметров ориентации подвижных объектов различного базирования (наземного, водного и воздушного).
Области применения таких систем расширяются, вместе с тем, возрастают требования к ним по точности определения параметров ориентации, минимизации массы, габаритов, стоимости, энергопотребления, времени готовности и способности интегрироваться в современные системы управления объекта.
В настоящее время большинство информационно-измерительных систем определения параметров ориентации объектов строятся на базе гироскопов и акселерометров традиционного исполнения. Они представляют собой сложные приборы точной механики, однако обладают значительными энергопотреблением, габаритами, массой и высокой стоимостью.
Развитие микросистемной техники, в частности, появление микромеханических акселерометров (МА) и гироскопов (МГ) позволяет создавать системы, обладающие малыми массой и габаритами, например интегрированные бесплатформенные системы ориентации (БСО). Несмотря на это, все МГ и МА все еще уступают по точности и шумовым характеристикам обычным гироскопам и акселерометрам, и системы, построенные на датчиках данного типа, обладают нарастающей во времени ошибкой в автономном режиме работы (при пропадании сигналов спутниковой навигационной системы, входящей обычно в состав интегрированных БСО).
Существенными достоинствами информационно-измерительных систем (ИИС) определения параметров ориентации, построенных на магнитных датчиках, является отсутствие накапливаемой со временем ошибки, возможность работы при больших линейных и угловых скоростях движения объекта в пространстве и практически мгновенное время готовности.
Применение таких систем позволяет решать задачи позиционирования спутниковых антенн, определять курсовой угол в задачах навигации подвижных объектов, электронных карт местности, а также осуществлять индивидуальное автономное позиционирование пусковых установок по магнитному азимуту и углу места для упреждающего ожидания цели и повышения эффективности последующего наведения.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1.1Система бортовой аппаратуры управления БПЛА
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). Функциональная схема фильтра Калмана представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Функциональная схема фильтра Калмана
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.
1.2Режимы и законы управления
Аппаратура управления БПЛА обеспечивает три режима работы: ручной, полуавтоматический и автоматический, каждому из которых соответствует своя дальность полета (рис. 2).
Рисунок 2 - Режимы управления БПЛА
В ручном режиме работы оператор, оценивая обстановку, обеспечивает выработку управляющих сигналов и с помощью наземной и бортовой аппаратуры управления (НАУ и БАУ) отклоняет рулевые поверхности, удерживая их в нужном положении (рис. 3).
В полуавтоматическом режиме работы управляющие сигналы оператора преобразуются и усиливаются автоматами, обеспечивая устойчивость и управляемость БПЛА в зоне действия радиоканала, но не в зоне видимости оператора. Действия оператора в этом случае корректируются алгоритмом автопилота, не допуская потенциально опасных положений БПЛА (рис. 4).
В полуавтоматическом режиме авионика БПЛА обеспечивает два информационных потока через радиоканал:
от блока ручного управления к устройству управления РМ модуля «Пилот»;
от датчиков и системы ориентации через устройство управления модуля «Штурман», интерфейс телеметрии на устройство визуализации параметров полета.
а)
б) в)
Рисунок 3 - Блок-схемы аппаратных структур, обеспечивающих ручной режим управления БПЛА: а – блок-схема взаимодействия НАУ и БАУ; б – блок-схема и состав НАУ; в – блок-схема структуры аппаратуры управления и связи (АУиС)
Рисунок 4 - Блок-схема взаимодействия структур НАУ и БАУ в полуавтоматическом режиме управления БПЛА
В полуавтоматическом режиме авионика БПЛА осуществляет контроль за командами НАУ:
Получает по радиоканалу команду от НАУ;
Получает текущую информацию об ориентации БПЛА и его угловых скоростях по всем трем осям от БСО;
Если БПЛА ориентирован в горизонтальной плоскости в пределах заданных порогов и если угловые скорости по всем трем осям не превышают установленных порогов, то команда стабилизации передается на РМ; в противном случае на РМ передается команда режима горизонтального полета, вырабатываемая алгоритмом автопилота в устройстве управления РМ модуля «Пилот».
В автоматическом режиме полет БПЛА осуществляется по заданному маршруту, контрольные точки положения которого нанесены на электронной карте (рис. 5).
Модуль «Штурман» решает задачу наведения, то есть вырабатывает команду, включающую требуемое и текущее направления полета, вычисленные по сигналам датчиков, которые транслируются «Пилоту».
Модуль «Пилот» решает задачу стабилизации, то есть отработки команды наведения и обеспечения устойчивости движения путем выработки команд управления РМ алгоритмом автопилота.
В случае превышения заданных порогов (по углам и угловым скоростям) подается команда стабилизации режима горизонтального полета, вырабатываемая алгоритмом автопилота в устройстве управления РМ модуля «Пилот», как и в случае полуавтоматического управления.
Стабилизация и управление боковым (курс, крен) и продольным (тангаж) движением БПЛА реализуется автопилотом (АП).
Рисунок 5 - Блок-схема взаимодействия структур БАУ в автоматическом режиме управления в полете по электронной карте:1 – электронная карта; 2 – кнопка загрузки электронной кар- ты; 3 –координаты точек, по которым осуществляется привязка электронной карты к географическим координатам; 4 – кнопка запуска привязки электронной карты к географическим координатам; 5 – координаты курсора оператора; 6 – список контрольных точек маршрута БПЛА; 7 - значение высоты контрольных точек над поверхностью земли; 8 – кнопка загрузки высоты контрольных точек; 9 – кнопка запуска передачи данных для БПЛА.
Закон управления АП по крену принят в виде:
дэ= kг (г-гз ) + kгг, & & (1)
где dэ – угол отклонения элеронов;
γ, γз – текущий и заданный углы крена БПЛА;
г - угловая скорость арена;
kу, kг - коэффициент передачи канала крена по углу и угловой скорости.
Блок-схема канала управления АП по крену приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 - Блок-схема канала управления АП по крену
Координированный разворот БПЛА по курсу осуществляется с помощью руля направления и элеронов. Автопилот осуществляет управления рулем направления по закону:
(2)где дН - угол отклонения руля направления;
ш, шЗ - текущий и заданный углы курса;
ш - угловая скорость изменения курса;
kш, kш - коэффициенты передачи для руля направления по углу и угловой скорости.
Отклонения элеронов реализуется по закону (1) в канале управления по крену, в котором величина гЗ вычисляется автоматически по зависимости:
где коэффициент kшг определяется на основании моделирования работы системы, «БПЛА-автопилот».
Для обеспечения поворота БПЛА в правильную сторону необходимо, чтобы -180 < ᴧш=ш-ш <180, то есть разворот БПЛА в зависимости от ᴧш должен осуществляться по углу не более 180 градусов. Для этого значение ᴧш корректируется:
Усилитель-ограничитель предназначен для недопущения перехода за допустимые пороги по крену и тангажу в случае резкого изменения заданного курса. Блок-схема управления АП по курсу приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Блок-схема канала управления АП по курсу
Для формирования контура управления высотой полета необходимо получать высоту с по- мощью барометрического высотомера, скорости изменения высоты, получаемую путем дифференцирования сигнала высоты, сигнал угла тангажа, который необходим для демпфирования движения центра масс и сигнал угловой скорости тангажа, необходимый для демпфирования угловых движений. Блок-схема на рисунке 8 отражает указанную структуру сигналов.
В канале управления используется высота полета над уровнем моря, измеряемая с помощью датчика высоты (ДВ), согласованного до старта со спутниковой навигационной системой.
Рисунок 8 - Блок-схема управления АП высотой полета (канал тангажа)
Процесс управления высотой полета БПЛА реализуется с помощью статического автопилота, закон управления которого имеет вид:
где p - оператор дифференцирования;
h, hз – фактическая и заданная абсолютные высоты полета;
kh , kϑ - коэффициенты передачи по высоте и углу тангажа;
1.3Бесплатформенная система ориентации
Для обеспечения работы автопилота используется бесплатформенная система ориентации (БСО) с маятниковой коррекцией углов крена и тангажа и выставкой по углу рыскания от магнитометра или СНС (рисунок 9).
БСО предназначена для выдачи углов Эйлера Крылова ψ, ϑ, γ и угловых скоростей по крену и тангажу ϑ .,γ.
Схема БСО включает в себя:
x y z
блок гироскопов, вырабатывающий напряжения, пропорциональные проекциям угловой скорости БПЛА в связанной системе координат (ωx1, ωy1 , ωz1);
блок акселерометров, вырабатывающий напряжения, пропорциональные проекциям ускорения БПЛА по осям связанной системы координат ( w x1, w x1, w x1);
вычислитель, осуществляющий подачу сигнала коррекции углов Эйлера-Крылова в случае «предположения» о равномерном и прямолинейном движении БПЛА;
вычислитель угловых скоростей по курсу ψ , крену γ и тангажу ϑ , по показаниям гироскопов и значениям углов Эйлера-Крылова;
вычислитель углов Эйлера - Крылова на основе «алгоритма кватернионов».
Маятниковая коррекция по углам крена и тангажа в схеме БСО предусмотрена в связи с тем, что с течением времени накапливается ошибка определения углов Эйлера-Крылова из-за ухода нуля гироскопов, нестабильности масштабного коэффициента и т.д. Корректировка осуществляется в предположении, что БПЛА летит прямолинейно и равномерно. За моменты прямолинейного равномерного движения принято значение суммарного вектора
равного вектору ускорения свободного падения Земли т.е. w=g=9.8м/с2. В эти моменты вычислитель подает сигнал «Коррекция» на блок вычисления углов Эйлера-Крылова и блок вычисления начальных углов Эйлера- Крылова. Вычисление углов крена и тангажа производится по тем же правилам, что и начальная выставка в блоке расчета начальных углов Эйлера - Крылова.
Рисунок 10 - Блок-схема БСО
Данный способ коррекции позволяет определять углы крена и тангажа с точностью до 2,5 градусов (рис. 10). Коррекция курса осуществляется по данным, полученным от СНС.
а) б)
Рисунок 10 - Точность определения параметров ориентации БСО: а – тангаж; б – крен.
Следует отметить, что при использовании в БПЛА двигателя внутреннего сгорания шум, наводимый двигателем на ММГ и ММА соизмерим с полезным сигналом (рис. 11). Наличие этих шумов приводит к уменьшению точности определения параметров ориентации примерно в (3 – 4) раза. Поэтому для увеличения соотношения сигнал/шум и обеспечения нормальной работы блока БСО необходимо изолировать от вибраций двигателя или применять электрический двигатель.
Рисунок 11 - Показания ММГ БСО вибрационно-неизолированной от двигателя внутреннего сгорания : 1 – показания продольного гироскопа; 2 – показания поперечного гироскопа; 3– показания вертикального гироскопа.
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
2.1 Построение структурной схемы.
Структурная схема «Макета магнитометрического измерительного блока системы ориентации БПЛА» представлена на рисунке 12.
Рисунок 12 - Структурная схема системы
2.2 Выбор стандартных измерительных и исполнительных устройств.
Для выполнения поставленной задачи, нами были выбраны, исходя из характеристик и соотношения цена/качество, следующие измерительные устройства. Подробные характеристики указаны ниже.
Arduino Uno
Arduino Uno - это устройство на основе микроконтроллера ATmega328 . В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.
1 2 3 4 5