Главная Бухгалтерская отчетность Система управления стабилизация беспилотным летательным аппаратом построение. Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Система управления стабилизация беспилотным летательным аппаратом построение. Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

1.1. Области использования и задачи, выполняемые БПЛА в интересах рыночной экономики.

1.2. Требования к обеспечению безопасности полетов БПЛА в общем воздушном пространстве.

1.3. Классификация беспилотных летательных аппаратов.

1.4. Методы управления БПЛА.

Выводы по первому разделу.

2. МЕТОДОЛОГИЯ НАБЛЮДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

2.1 Техническая реализация принципов автоматического зависимого наблюдения в вещательном режиме.

2.2 Обеспечение целостности при использовании АЗН.

2.3. Проблемы безопасности полетов.

2.4. Теоретическое обоснование использования АЗН.

2.5. Методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА.

2.5.1. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в горизонтальной плоскости.

2.5.2. Разрешение потенциально конфликтных ситуаций маневром в вертикальной плоскости.

Выводы по второму разделу.

3. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И НАВИГАЦИИ ДЛЯ БПЛА

3.1. Разработка состава оборудования системы управления и навигации для БПЛА.

3.2. Основные принципы функционирования системы управления БПЛА

3.3. Применение линии передачи данных АЗН-В режима 4 для управления БПЛА в общем воздушном пространстве.

3.4. Требования по назначению к модулю автопилота при управлении БПЛА.

Выводы по третьему разделу.

4. КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ БПЛА.

4.1. Назначение, функции и состав комплекса.

4.2. Организация контроля и управления БПЛА.

4.3. Назначение, состав и работа бортовой аппаратуры контроля и управления БПЛА.

4.4. Структура интерфейса оператора комплекса контроля и управления БПЛА.

Выводы по четвертому разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему "Методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении"

Важнейшей задачей воздушного транспорта является обеспечение транспортной доступности в отдаленных регионах страны, что необходимо для их экономического и социального развития. Эта задача возложена на региональную коммерческую гражданскую авиацию, которая должна обслуживать наиболее социально значимые сегменты спроса - местные авиаперевозки, авиационные работы в интересах отраслей экономики, а также сферу некоммерческого использования гражданской авиации - авиации общего назначения (АОН), включающую в себя, в том числе, любительскую и деловую авиацию.

Сегодня приоритетной задачей региональной авиации является обеспечение сообщения между центрами регионов и отдаленными населенными пунктами в регионах Сибири и Крайнего Севера, где самолет является основным, часто единственным средством обеспечения транспортной доступности. В обеспечении материальными ресурсами и создании экспортного сырьевого потенциала России эти регионы имеют первостепенное значение.

Совершенно очевидно, что интерес, который в последнее время проявляют организации ТЭК к использованию БПЛА, закономерен . Имея в своей структуре сотни тысяч километров трубопроводов, которые довольно слабо охраняются, а зачастую и вообще не охраняются, предприятия ТЭК напрямую заинтересованы в использовании беспилотных систем. Простая экономическая выгода подталкивает предприятия ТЭК к принятию решений по использованию БПЛА, и этот процесс, находящийся в данный момент в начальной стадии, будет неуклонно развиваться.

С помощью беспилотных систем можно контролировать как техническое состояние объектов, так и их безопасность, функционирование, притом, что контролируемые объекты могут находиться на большом удалении (протяженные объекты).

Однако применение БПЛА в гражданском секторе в настоящее время находится в ожидании решения некоторых технических и организационных проблем, без чего невозможно стабильное использование БПЛА.

Основные проблемы связаны с использованием воздушного пространства, выделением частотного диапазона для управления БПЛА и передачей информации с борта на землю и наоборот.

Также следует отметить, что основной вопрос в сфере применения БПЛА - это получение беспилотными аппаратами статуса воздушного судна (ВС).

БПЛА, не являясь ВС, не подлежат регистрации в реестре ВС и не имеют Свидетельства о регистрации и годности к использованию. Им невозможно, да и не нужно получать разрешение на использование воздушного пространства. А это уже чревато самыми серьезными последствиями. Аппарат, способный летать на высоте до 4 км со скоростью до 250 км/час, массой около 100 кг, может подняться в воздух без разрешения на использование воздушного пространства, ведь по классификации - это радиоуправляемая модель. В этой ситуации скорее нужны не запретительные меры, а организация разрешительных мероприятий.

В рамках действующего законодательства есть вид авиации, в котором «беспилотники» могут существовать на законном основании. Это -экспериментальная авиация. По этому пути идут и другие страны (США, Европа). В этой отрасли есть многолетний опыт использования летательных аппаратов, а также возможность контроля за техническим состоянием БПЛА и многое другое. Получив статус ВС в рамках экспериментальной авиации, БПЛА смогут использовать воздушное пространство по существующим правилам. Конечно, все БПЛА должны быть застрахованы от ущерба третьим лицам.

БПЛА должны иметь на борту транспондеры, отвечающие всем требованиям ИКАО в этой области. Те БПЛА, которые не способны нести аппаратуру, могут летать только в специально отведенных районах по предварительным заявкам с большим сроком уведомления. 6

Цель всех организаций, участвующих в регламентации использования БПЛА в воздушном пространстве России, состоит в том, чтобы достигнуть уровня безопасности полетов любого класса БПЛА, эквивалентного уровню безопасности полетов самолетов. Для этой цели необходимо разработать технические требования к БПЛА, которые бы способствовали выполнению этой задачи.

БПЛА в последние годы активно применялись военными, поэтому наработанный ими опыт эксплуатации БПЛА в различных условиях отбрасывать ни в коем случае нельзя. Наоборот, нужно привлечь военных к выработке технических требований к БПЛА с учетом того, что цели и задачи применения беспилотных аппаратов в гражданском секторе некоторым образом отличаются от задач, решаемых военными.

Таким образом, можно отметить тот факт, что использование БПЛА в воздушном пространстве России не только возможно, но и необходимо. Полеты БПЛА возможны при условии выполнения требований (выработанных) для получения Свидетельств о летной годности и регистрации. Это можно сделать в рамках экспериментальной авиации.

Вместо этого на практике существует следующая ситуация. Большинство образцов беспилотных летательных аппаратов создаются в инициативном порядке, с использованием доступных комплектующих. Говорить об унификации и стандартизации не приходится. Как следствие, в России эксплуатируются десятки (если не сотни) разнотипных аппаратов, наиболее распространенные семейства которых насчитывают по несколько десятков машин. Говорить же о создании полноценной системы, которая бы включала в себя не только летательные аппараты, но и мощную наземную инфраструктуру, могут только единичные разработчики и производители.

Отсутствие законодательной и нормативной базы в области беспилотной авиации создает разработчикам и потенциальным эксплуатантам серьезные проблемы. Даже в оборонной области проектные работы регламентируются общетехническими требованиями 20-летней давности, а для проектирования коммерческих БПЛА никакой нормативной базы не существует вовсе. В 7 настоящее время в правительстве идет работа над программой возрождения малой авиации, в которую составной частью войдет и беспилотная авиация. В условиях, когда рынок имеет большой потенциал для роста, необходимо консолидировать усилия разработчиков, заказчиков и всех ветвей власти.

В настоящее время контролю уровня безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Для повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД) требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровень безопасности полетов.

При вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС (в том числе и БПЛА) в текущий момент времени и структуре контролируемого воздушного пространства. При этом выделяют несколько задач: оценка уровня безопасности при полетах на трассах, в зоне подхода, при взлете и посадке ВС, руление в зоне аэродрома. Задача разработки практически приемлемых схем и маневров, разрешающих потенциально конфликтную ситуацию пары воздушных судов, является крайне важной для обеспечения безопасности воздушного движения.

Следует отметить, что наблюдение за воздушными судами, осуществляющими полет в национальном воздушном пространстве, является составной частью существующей системы управления воздушным движением

России. В настоящее время технология наблюдения основывается на использовании первичного и вторичного радиолокаторов. Хотя эта технология и сохранит свое значение для УВД в обозримом будущем, в ИКАО рассматриваются новые, обеспечивающие наблюдение, технологии, применение которых за рубежом уже частично началось, несмотря на отсутствие единого взгляда на концепцию и ее конкретную техническую реализацию. В России разработана эксплуатационная концепция одной из таких 8 новых технологий, использование которой, как видится, могло бы обеспечить наиболее рациональный для наших условий путь перехода к будущей системе С№/АТМ. Данная технология основывается на сочетании надежных и точных бортовых навигационных систем и надежной системы связи по линии передачи данных (ЛПД), которая транслирует полученную на борту информацию о координатах воздушного судна всем заинтересованным в ее использовании потребителям. Упомянутая технология получила название радиовещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В).

Применение АЗН-В не будет ограничиваться традиционными функциями, ассоциирующимися с наземными радиолокационными системами, а обеспечит новые возможности, реализуемые как на борту воздушного судна, так и на автоматизированных рабочих местах диспетчеров УВД. АЗН-В объединяет, фактически, две технологии: на основе ЛПД «воздух-земля» и ЛПД «воздух-воздух». Эксплуатационная концепция представляет сценарии АЗН-В, которые будут реализовываться на эволюционной основе при принятии- решения о развертывании радиовещательного АЗН в России. Эксплуатационная концепция не акцентирует внимание на выборе или определении технических деталей реализации АЗН-В, а нацелена на обеспечение будущих эксплуатационных потребностей, а также плавного экономически выгодного перехода от существующей системы наблюдения радиолокационного типа к перспективной, на базе АЗН-В.

Таким- образом, требования нормативно-правовых документов, проводимые исследования в области управления БПЛА при организации воздушного движения показывают, что в настоящее время существуют противоречия между:

Возросшим объемом задач для БПЛА, решаемых в интересах народного хозяйства России, и отсутствием нормативно-законодательной базы для их использования;

Уровнем потенциальных возможностей БПЛА дальнего радиуса действия и запретом их использования в общем воздушном пространстве;

Требованием поддержания паритета с уровнем развития БПЛА в индустриально и технологически развитых государствах и современным состоянием разработки, унификации, стандартизации «беспилотников» в гражданской авиации России;

Отсутствием в настоящее время трудов, носящих системный характер, направленных на создание системы правил использования БПЛА в общем воздушном пространстве, и насущной потребностью в этом;

Ростом производительности и надежности применяемых технических средств (в частности систем АЗН) и отсутствием тенденции их использования при управлении БПЛА.

Изложенные выше частные противоречия позволяют сформулировать главное противоречие, которое заключается в том, что существующий уровень развития методов управления БПЛА на основе вещательного автоматического зависимого наблюдения позволяет обеспечить координацию полетов БПЛА, но при этом отсутствует нормативно-правовая база для их использования в общем воздушном пространстве.

Сформулированные частные противоречия и их обобщение позволяют уяснить, что без их устранения невозможно дальнейшее полноценное использование БПЛА, а, следовательно, и развитие гражданской авиации России.

Сложившееся положение в области управления БПЛА, изложенные выше противоречия и предопределили актуальность темы диссертации, направленной на разработку методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Объектом исследования в работе является управление воздушным движением беспилотных летательных аппаратов.

Предметом исследований - методы управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве путем использования новых информационных технологий сбора, обработки и передачи навигационных данных и команд управления.

Цель диссертационной работы: повышение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве на основе применения новых методов их управления с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследований:

1 - Проведен анализ технических характеристик беспилотных летательных аппаратов и областей их применения для решения задач народного хозяйства страны.

2 - Систематизированы требования к методам управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве, обеспечивающим безопасность полетов всех участников воздушного движения.

3 - Разработаны алгоритмы разрешения ПКС между БПЛА и ВС в общем воздушном пространстве.

4 - Исследована проблема информационной безопасности АЗН как проблема целостности и конфиденциальности передачи данных.

5 - Разработан алгоритм контроля достоверности передаваемых данных.

6 - Разработана структура и определены функции наземного и бортового оборудования для управления БПЛА.

Методы исследования. Расчетно-аналитическое описание исследований основано на общей теории управления и общей теории динамических систем, на применении теории вероятностей, общей теории статистики, теории надежности, теории конечных автоматов и алгоритмов, теории оптимальных решений, методов математического анализа и программирования.

Основными исходными данными для проведения исследований являются: соответствующие положения нормативно-правовых документов; протоколы государственных испытаний сети вещательного автоматического зависимого наблюдения; результаты выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Достоверность результатов исследований подтверждается результатами экспериментальных проверок предлагаемых способов и методов управления БПЛА.

В качестве информационной базы исследований использовались рекомендации документов ИКАО и Евроконтроля, нормативные документы МТ РФ и ФАВТ.

Структура диссертации и краткая аннотация"каждого раздела.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка использованных источников из 93-х наименований, 3-х приложений.

Заключение диссертации по теме "Навигация и управление воздушным движением", Токарев, Юрий Петрович

Выводы по четвертому разделу

1. Предложенный комплекс (модель) контроля и управления БПЛА обеспечивает решение совокупности задач, связанных с управлением БПЛА, обработкой координатной информации, отображением принятой информации, отображением маршрутов планируемого и реального полёта БПЛА на фоне карты местности выполнения полёта, формированием команд управления в ручном режиме полёта, оперативной регистрацией всего объёма принимаемых от каждого БПЛА данных и переданных команд управления.

2. Данный комплекс управления поддерживает работу всех штатных режимов контроля и управления БПЛА. В нем реализованы новейшие разработки аппаратуры управления, применены новейшие информационные технологии.

3. Результаты испытаний данного комплекса управления показали, что его использование с применением АЗН-В возможно для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

4. Разработанный комплекс контроля и управления БПЛА способен; выполнять свои задачи в группе (строю) с другими летальными аппаратами в общем воздушном пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время в нашей стране вопросам создания и управления движением БПЛА уделяется все большее внимание.

Но следует отметить, что, несмотря на привлекательность, кажущиеся, доступность и простоту тематики БПЛА, она в реальности является не только весьма сложной технической задачей, но и серьезнейшей идеологической проблемой, поскольку затрагивает вопросы идеологии организации экономической политики государства. Нормативно-правовая база вопросов применения БПЛА в общем воздушном пространстве в настоящее время нуждается в доработке.

Разработке методов управления беспилотными летательными аппаратами в общем воздушном пространстве с использованием полетной информации при автоматическом зависимом наблюдении и посвящена данная диссертационная работа, в ходе которой достигнута заявленная цель исследований, поставленные задачи решены.

Проведенные в диссертационной работе исследования привели- к созданию методологии, обеспечивающей безопасное управление полетами беспилотных летательных аппаратов в общем воздушном пространстве. При этом получены следующие основные результаты:

1 Выполнен анализ перспективной технологии наблюдения АЗН-В за воздушными судами, которая обеспечивает диспетчеру УВД, наряду с радиолокационным наблюдением, и спутниковое поле наблюдения, гарантирующее высокую точность определения координат независимо от направления и расстояния до наблюдаемого объекта: до 15 м или до 2 м при использовании локальной контрольно корректирующей станции.

2 Разработана и экспериментально подтверждена технология управления полетом БПЛА в общем воздушном пространстве, отличающаяся тем, что команды управления передаются (в условиях прямой радиовидимости) на борт БПЛА с наземного пункта управления оператором по ЛПД АЗН-В.

3 Установлено, что уровень целостности АЗН-В можно оценить

139 показателем вероятности потери или искажения данных о положении БПЛА. Предложен метод оценки искажения данных о положении БПЛА, заключающийся в определении времени задержек при прохождении сигнала от источника излучения и измерения расстояния до БПЛА, вычисляемого по координатам. Если разность вычисленных координат превышает по модулю допустимую величину, то принимают решение об искажении данных. За счет этого повышается достоверность данных передаваемых по ЛПД.

4 Предложены методы и алгоритмы предотвращения потенциально конфликтных ситуаций с участием БПЛА. Маневры БПЛА оптимизированы с учетом особенностей распространения информации АЗН-В, таких как точность, периодичность, заблаговременность.

5 Предложен способ управления БПЛА и устройство для его реализации. Способ управления защищен авторским свидетельством (патент на изобретение № 2390815). Устройство реализует методы управления, в которых осуществляется сравнение расчетных прогнозируемых значений параметров полета БПЛА с текущими значениями координат, полученными от приемника спутниковой навигационной системы, и при их неравенстве вырабатываются соответствующие сигналы по трем каналам управления вращательного движения и по каналу продольного движения.

6 Определены принципы построения программно-аппаратного комплекса контроля и управления БПЛА и разработаны требования к человеко-машинному интерфейсу.

7 Научно обоснован минимальный перечень команд управления для обеспечения безопасности воздушного движения БПЛА в общем воздушном пространстве, который обеспечивает его управление при навигационном управлении.

8 Результаты испытаний подтверждают возможность их использования для управления полетами БПЛА в общем воздушном пространстве.

9 АЗН-В позволяет эксплуатировать БПЛА в общем воздушном пространстве, так как интегрируется в автоматизированную систему УВД и обеспечивает за счет широковещательной передачи координат движения БПЛА

140 информацию по узкополосному каналу ЛПД для всех участников движения, что обеспечивает безопасность воздушного движения.

Дальнейшие исследования целесообразно проводить в области совершенствования работы сети АЗН-В для управления движением БПЛА в общем воздушном пространстве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Токарев, Юрий Петрович, 2011 год

1. Кулик A.C., Гордин А.Г., Нарожный В.В., Бычкова И.В., Таран А.Н. Проблематика разработки перспективных малогабаритных летающих роботов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, 2005

2. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий /Под ред. М.Н. Красилыцикова, Г.Г. Себрякова. М.: Физматлит, 2003.

3. Вилкова Н. Н., Сухачев А. Б. Россия должна вернуться в ряд ведущих «беспилотных» держав. // Национальная оборона. №10 (19), октябрь 2007, с.48-54.

4. Сухачев А. Б. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и перспективы развития. М.: МНИТИ, 2007, 60 с.

5. Сухачев А. Б., Мелькумова Н. Г., Шапиро Б. Л.,- Ерема С. Л. Исследование технико-экономических характеристик перспективных комплексов беспилотных летательных аппаратов.//Электросвязь,. №5, 2008, | с. 16-20.

6. Беспилотные самолеты вертикального взлета и посадки: Выбор схемы и определение проектных параметров / Н. К. Лисейцев, В. 3. Максимович и др.; Под ред. д-ра техн. наук, проф. Н. К. Лисейцева.- Из-во МАИ-ПРИНТ, 2009.- 140с.

7. Трубников Г. В. Опыт развития гражданских беспилотных систем и услуг в России. // Труды Второго Московского Международного Форума «Беспилотные многоцелевые комплексы в интересах ТЭК». М. Экспоцентр, 29-31 января 2008 г.

8. Беспилотные летательные аппараты // AeroBusiness., Сурков A.M., 1998. №1. С. 35 -37

9. Миниатюризация - новое направление развития информационных беспилотных комплексов // ГосНИИАС. Авиационные системы. Научно-техническая информация. 2001/2.

10. Беспилотные летательные аппараты. Состояние и тенденции развития/ Под ред. Иванова Ю.Л. М.: Варяг, 2004.

11. Развитие, основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно-пилотируемые летательные аппараты)/ Под ред. Голубева И.С., Янкевича Ю.И. М.: Изд-во МАИ, 2006.

12. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / Бочкарев В. В., Кравцов В. Ф., Крыжановский Г. А. и др.; Под ред. Г. А. Крыжановского.-М.: ИКЦ «Академкнига», 2003.- 415 с.

13. Бабаскин В. В., Королькова М. А., Олянюк П. В., "Чепига В. Е. Воздушный транспорт в современном мире / под ред. П. В. Олянюка. С-Пб.: Государственный университет ГА, 2010-ЗЗбс.

14. Фальков Э.Я. Об организации полетов беспилотных летательных аппаратов в гражданском воздушном пространстве// Тезисы докладов 5-международной конференции «Авиация и космонавтика 2006». - М.: МАИ, 2006.

15. Авиационная миссия Москвы: Ставка на малую авиацию и новые технологии. // «Авиапанорама», март-апрель 2008.

16. Авиационная миссия Москвы: Восстановлен воздушный мост для Золотого кольца России. // «Авиапанорама», май-июнь 2008.

17. Авиационная миссия Москвы: Базовый принцип безопасного управления // «Авиапанорама», июль-август 2008.

18. Авиационная миссия Москвы: Авиатакси и не только // «Авиапанорама», сентябрь-октябрь 2008.

19. Беляев В. Война в воздухе. Новая угроза. Авиация и космонавтика вчера, сегодня, завтра. №4, 2004

20. США разрабатывают самолет-убийцу./ Интерфакс-АВН. Известия №51,2005

21. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к Международной конвенции ИКАО (t.IV: Системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений). Монреаль, 1995.

22. Tomlin C, Lygeros J., Sastry S. Synthesizing Controllers for Nonlinear Hybrid Systems. Report of the Research under NASA Grant NAG-2-1039. University of California, Department of Electrical Engineering and Computer Sciences. 1997. 16 pp.

23. ГОСТ 20058-80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. М.: Госстандарт. 1980.

24. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Справочник / Савицкий В.И., Василенко В.А. и др. М.: Транспорт,Л 986. 192 с.

25. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл., 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

26. Minimum Aviation System Performance Standards For Automatic Dependent Surveillance Broadcast (ADS-B). RTCA/DO-242A. RTCA, Inc. 2002.

27. Автоматизированное управление самолетами и вертолетами / Федоров С.М., Кейн.В.М., Михайлов О.И., Сухих Н.Н. М.: Транспорт, 1992, 266с.

28. Токарев Ю.П. Автоматическое зависимое наблюдение в условиях интенсивного развития беспилотной авиации. Транспорт: наука, техника, управление. ВИНИТИ. 2006, №8, с. 17-20.

29. Токарев Ю.П. Применение линии передачи данных для управлениябеспилотным летательным аппаратом. СПб: Научно-технические ведомости

30. СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6 (113)/2010, с. 7144

31. Руководство по применению линий передачи данных в цепях обслуживания воздушного движения: Doc/9694 AN/ 995/ - Монреаль, 1999, Юс.

32. Привалов A.A. Метод топологического преобразования стохастических сетей и его использование для оценки эффективности систем связи ВМФ. СПб: BMA, 2000г., 160 с.

33. Привалов A.A., Чемиренко В.П. и др. Модели и методы исследования сетей связи ВМФ. СПб: BMA, 2003 г., 219 с.

34. Красовский H.H. Теория управления движением. М: Наука, 1968,476с.

35. Красовский H.H., Субботин А.И. Позиционные дифференциальные игры. М: Наука, 1974, 456с.

36. Куржанский А.Б. Управление и наблюдение в условиях неопределенности. -М: Наука, 1977, 392с.

37. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. Пособие / P.M. Ахмедов, A.A. Бибутов, A.B. Васильев и др.; Под ред. С.Г. Пятко и А.И. Красова. СПб: Политехника, 2004, 446с.

38. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. -М.: Наука, 1985. 248 с.

39. Кумков С.И. Конфликтные ситуации в пространстве, маневр по вертикали. Отчет по НИР "Алгоритмы обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций применительно к конкретным районам УВД". ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 2002. 47с.

40. Kumkov S. I. Conflict Detection and Resolution in Air Traffic Control // IF AC on-line Journal on Automatic Control in Aerospace, AS-09-004, 2009, 7 pp.

41. Анодина Т.Г., А. А. Кузнецов A.A., Е. Д. Маркович. Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. М: Транспорт, 1992.

42. Белкин A.M., Н. Ф. Миронов Н.Ф., Ю. И. Рублев Ю.И., Сарайский Ю.Н. М: Воздушная навигация: справочник. Транспорт, 1998.

43. Токарев Ю.П. // Флуктуационные явления на ОВЧ линии передачи данных режима 4. Тезисы докладов XXXIX научной конференции студентов, аспирантов" и молодых ученых, посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с. 14.

44. Токарев Ю.П. Особенности применения ОВЧ линии передачиданных режима 4 на беспилотных летательных аппаратах. // Тезисы докладов

45. XXXIX научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых,146посвященной памяти авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2007. с.15.

46. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н Автоматизированное управлениедвижением авиационного транспорта. \ Под. Ред. Г.А. Крыжановского,. ¡Транспорт, 1999. 319с.

47. Королев E.H. Технологии работы диспетчеров управления воздушным движением. М: Воздушный транспорт, 2000, 155с.

48. Липин A.B., Олянюк П.В. Бортовые системы предотвращения столкновений воздушных судов. Учебное пособие. СПб.: Академия гражданской авиации, 1999. 54 с.

49. Пятко С.Г. Методы повышения точности прогнозирования траекторий полета самолетов в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л, ОЛАГА, 1985, 188 с.

50. Пятко С.Г. Методы прикладной теории наблюдения на основе информационных множеств в автоматизированных системах управления воздушным движением. Дисс. на соискание ученой степени доктора техн. наук. С-Пб, АГА, 2000, 370 с.

51. Токарев Ю.П. Применение АЗН-В в задачах обеспечениябезопасности движения БПЛА. // Тезисы докладов XLII научно-техническойконференции студентов, аспирантов и молодых учены, посвященной памяти147авиаконструктора И. И. Сикорского. СПбГУГА, 2010. с.21.

52. Eduardo D. Sontag, Mathematical Control Theory: Deterministic Finite Dimensional Systems. Second Edition, Springer, New York, 1998.

53. Пацко B.C., Пятко С.Г., Кумков A.A., Федотов A.A. Оценивание движения воздушного судна на основе информационных множеств при не полных замерах координат: Научные доклады. - СПб: Академия гражданской авиации, 1999; ИММ УрО РАН, Екатеринбург, 1999.

54. Пятко С.Г. Скользящая модернизация систем УВД. - СПб, Типография фирмы «НИТА», выпуск 2, 2003.

55. Правила аэронавигационного обслуживания. Организация воздушного движения. Doc 4444 ATM/501. ИКАО. Издание пятнадцатое, 2007

56. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. Том 1. Правила производства полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 1. ИКАО, Издание пятое, 2006

57. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. Том 2. Построение схем визуальных полетов. Doc 8168-OPS/611, Том 2. ИКАО, Издание пятое, 2006

58. Руководство по навигации, основанной на характеристиках (PBN). Doc 9618-AN/937, ИКАО, Издание третье, 2008

59. Руководство по планированию воздушного пространства. Основные принципы. ASM.ET1 .ST03.4000.EAPM.01.02. Издание 1. Евроконтроль. 2002

60. Глобальная эксплуатационная концепция ОрВД. Doc 9854-AN/458, ИКАО, Издание первое, 2005

61. Обслуживание воздушного движения. Диспетчерское обслуживание воздушного движения, полетно-информационное обслуживание, служба аварийного оповещения. Приложение 11 к Конвекции о международной авиации. ИКАО, Издание тринадцатое, 2001

62. Справочник по организации воздушного пространства. ASM.ET1 .ST08.5000.HKB-02-00. Издание 2. Евроконтроль. 2003

63. Методика создания и допуска к эксплуатации маршрутовобслуживания воздушного движения. Москва. Госкорпорация по ОрВД. 2008148

64. Федеральные правила использования воздушного пространства Российской Федерации. Утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 11 марта 2010. №138. М. 2010, 45 с

65. Токарев Ю.П., Фальков Э.Я. Полеты беспилотных летательных систем в гражданском воздушном пространстве в рамках существующих стандартов и методов ИКАО. UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS STUDY GROUP (UASSG) SECOND MEETING Montréal, 2 to 5 December, 2008.

66. Токарев Ю.П., Громова Е.Г., Фальков Э.Я., Пятко С.Г. Организация полетов беспилотных летательных систем в общем воздушном пространстве. -М: ВВИА, 20-21 ноября 2008.

68. Токарев Ю.П. Беспилотные воздушные системы (UAS). Потребности и вызовы. Глобальный форум по организации ВД по вопросам гражданско-военного сотрудничества, ИКАО, октябрь 2009.

69. Бортовая аппаратура радиоуправления АЗН-В4Д. Технические условия. НКПГ.464211.001 ТУ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2009, 41 с

70. Бортовая аппаратура радиоуправления «АЗН-В4Д». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464211.001 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 25 с

71. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Руководство по эксплуатации. НКПГ.464511.006 РЭ. Санкт Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 60 с.

72. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство оператора. НКПГ. 10401-01 34. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 18 с.

73. Наземная станция связи, навигации и наблюдения «ПУЛЬСАР-Н». Управляющий модуль. Руководство системного программиста. НКПГ. 10401-01 32. Петербург, ООО «Фирма «НИТА», 2008, 11 с.

74. Minimum operational performance specification for VDL mode 4149aircraft transceiver for ADS-B. Version L. ED-108. EUROCAE. 2001, 386 c.

75. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4. Doc 9816-AN/448, ИКАО, Издание первое, 2004

76. Системы адаптивного управления летательными аппаратами. / Новиков А.С. и др. М.: Машиностроение, 1987

77. Бабуров В.И. и др. Совместное использование навигационных полей спутниковых радионавигационных систем и сетей псевдоспутников. - СПб.: Агенство «РДК-Принт», 2005

78. Г. О лее он, Д. Пиани Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.:Невский Диалект, 2001. -557с.

79. Кузьмин Б.И. Авиационная цифровая электросвязь в условиях150реализации «Концепция ИКАО-ИАТА CNS/АТМ» в Российской Федерации. С-Петербург-Н. Новгород: ООО «Агентство» ВиТ-принт», 2007.- 384 с.

80. Патент № US2008033604 "System and Method For Safely Flying Unmanned Aerial Vehicles in Civilian Airspace", опубл. 2008-02-07, http://v3.espacenet.com.

81. Субботин А.И., Ченцов А.Г. Оптимизация гарантии в задачах управления. М.: издательство «Наука», 1981 год, 288 стр.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

И. В. Макаров, В. И. Кокорин (научный руководитель)

ООО НПП «Автономные аэрокосмические системы – ГеоСервис»

Институт инженерной физики и радиоэлектроники ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск

Работа отражает один из подходов к созданию программно-аппаратного комплекса управления беспилотными летательными аппаратами, как совокупности бортового и наземного сегментов. Для управления бортовым сегментом разработан блок автопилота. Контроль наземного сегмента комплекса выполняет управляющая электронная вычислительная машина, функционирующая по унифицированному программному обеспечению с блоком автопилота. Предложенный подход позволяет минимизировать затраты по проектированию системы и разработке программного обеспечения при обеспечении масштабируемости системы.

При проектировании систем гражданского назначения ключевым является соотношение функциональности, надёжности и цены. Обеспечение функциональности на начальных этапах жизненного цикла комплексов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) осложняется слабым развитием методик их применения в хозяйственной деятельности предприятий-потребителей. Это связано с тем, что направление гражданских БПЛА в России находится на начальном этапе своего развития. Возможно, поэтому активное применение БПЛА в настоящее время сводится к методически простым задачам визуального наблюдения и аэрофотосъёмки.

Для построения комплексов БПЛА для широкого круга задач: аэроэлектроразведка, аэромагнитометрия, аэрофотосъёмка, газоанализация, патрулирование и т.д. требуется сформировать комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих на уровне комплектации и настройки интегрировать систему с различными полезными нагрузками на базе планеров БПЛА различных массогабаритных характеристик.

Комплекс управления БПЛА по назначению разделяется на два сегмента: бортовой комплекс управления (БКУ) и наземный комплекс управления (НКУ).

Задачами БКУ является:

Решения задачи навигации и автоматического управления летательным аппаратом (ЛА);
Обеспечения командно-телеметрического взаимодействия с НКУ;
Обеспечение функционирования полезной нагрузки;
Обеспечение самодиагностики ЛА.

Основными задачами НКУ является:

Обеспечение командно-телеметрического взаимодействия с БКУ;
Обеспечение ручного управления в реальном времени;
Предоставление элементов программирования и управления БПЛА;
Представление телеметрической информации в графическом виде;
Отражение результатов функционирования полезной нагрузки.

По перечисленным основным задачам НКУ одним из очевидных и дешёвых решений является система рабочего места оператора на базе портативной персональной электронной вычислительно машины (ППЭВМ), подключённой к приёмо-передающей аппаратуре командно-телеметрического канала. Графическое управляющее программное обеспечение (ПО) осуществляет программирование маршрута и отображение параметров полёта. При этом остаётся нерешённой задача обеспечения ручного управления БПЛА. Задачи поддержания управляющего графического интерфейса и управления в реальном времени (передача управляющих сигналов по штатному радиоканалу) на одной ЭВМ являются несовместимыми. Это связано с требованием обеспечения надёжности и детерменированности времени прохождения сигналов ручного управления. Кроме этого централизация НКУ на базе графической системы требует дополнительных технических средств для обеспечения её автономности в течение длительного времени.

Предлагается в качестве центрального элемента НКУ использовать встраиваемую управляющую электронную вычислительную машину (УЭВМ) под управлением операционной системы реального времени (рис. 1). В то время как обеспечение рабочего места оператора с задачами отображения параметров полёта и программирования маршрута остаются под управлением ППЭВМ, но уже подчинённого системно УЭВМ НКУ. Задача доступа к управлению БПЛА и получения его телеметрии на ПЭВМ реализуется клиент-серверным взаимодействием через Socket интерфейс по каналам Ethernet. Таким образом, рабочее место оператора является графическим управляющим терминалом к УЭВМ НКУ. В данном случае не требуется обеспечение автономности рабочего места оператора в течение длительного времени.

При предложенной схеме организации НКУ система обеспечивает решение задач ручного управления в реальном времени с разделением приоритетов доступа к вычислительным ресурсам и к радиоканалу. Это гарантирует доставку пакетов ручного управления с минимальной задержкой вне зависимости от загрузки радиоканала и процессора УЭВМ.

Рисунок 1. Структурная схема наземного комплекса управления

Кроме обеспечения независимого канала ручного управления, централизация на базе УЭВМ НКУ позволяет интегрировать в состав НКУ дополнительные системы в зависимости от решаемых задач. Например, для решения задачи высокоточного пилотирования и автоматической посадки в НКУ интегрируется аппаратура формирования дифференциальных поправок (ДП) к сигналам спутниковых навигационных систем (СНС), в данном случае УЭВМ НКУ выполняет доставку на БКУ информацию ДП по выставленным приоритетам.

Для обеспечения автономности НКУ от рабочего места оператора в систему НКУ включается пульт индикации и выбора режимов, который с минимальным энергопотреблением отражает ключевые параметры жизнеобеспечения БПЛА, а так же ретранслирует основные команды выполнения задания (например «взлёт», «возврат», «посадка», «прекратить задание»). Данное решение сводит задачи рабочего места оператора к программированию маршрута, настройкам БПЛА, расширенному исследованию полётных параметров. Это позволяет не только увеличить продолжительность автономного функционирования НКУ, но и сократить затраты на заимствуемое оборудование. Например, отсутствует необходимость приобретения ПЭВМ для работы в зимних условиях на регулярной аэрофотосъёмке, где маршрут может быть запрограммирован на ПЭВМ в помещении, а обслуживающему персоналу БПЛА достаточно обеспечить взлёт и контроль полёта.

Клиент – серверная модель взаимодействия рабочего места оператора с УЭВМ НКУ позволяет строить систему с распределёнными рабочими местами оператора, имеющие доступ к НКУ через любую локальную вычислительную сеть (ЛВС) и интернет. В составе сервера настраиваются права доступа к комплексу для каждого пользователя. Таким образом, в системе предусмотрен режим удалённого информационного обеспечения потребителя или диспетчерских служб о параметрах функционирования БПЛА, его местоположении. Эта возможность обеспечивает потребителю в реальном времени удалённый доступ к результатам работы комплекса. Для диспетчерских служб эта функция позволяет контролировать полёты комплексов БПЛА.

Система БКУ строится на базе блока автопилота, объединяющего в своём составе следующие системы:

Вычислитель;
Микромеханическая инерциальная навигационная система;
Спутниковая навигационная система;
Абсолютный и дифференциальный манометры.

Вычислитель имеет следующие характеристики и особенности:

Производительность 400MIPS;

Объём оперативной памяти 64Мб;
Объём энергонезависимой памяти от 256Мб;
Управление осуществляется операционной системой реального времени (ОСРВ) QNX Neutrino.

В составе блока автопилота находятся следующие интерфейсы:

5 последовательных портов в зависимости от аппаратной конфигурации представляемые в виде: RS-232, RS-485 или RS-422;
100Мбит Ethernet;
USB Host.

Программное обеспечения блока автопилота на базе существующих ОСРВ позволяет концентрировать усилия по разработке на решении ключевых задач блока. Операционная система QNX является мультиплатформенной, это обстоятельство позволяет сохранять масштабируемость блока автопилота не только по функциональности, но и производительности за счёт использования других архитектур процессора.

ОСРВ QNX Neutrino позволяет без ограничений выполнять НИОКР. Приобретение лицензии необходимо только на этапе коммерциализации.

Ethernet интерфейс необходим для интеграции с высокопроизводительными полезными нагрузками, такими как фотокамеры высокого разрешения. Кроме этого в составе БКУ автопилот может быть дублирован, канал перекрёстного резервирования образуется по Ethernet за счёт использования специализированного сетевого стека QNX – QNET.QNET позволяет получать доступ к ресурсам удалённой машины теми же программными механизмами, что и к локальным ресурсам. Под ресурсом понимается блочное, символьное или специализированное устройство, с точки зрения программиста – файл, зарегистрированный в дереве каталогов .Так как базовое программное обеспечение строится на основании администраторов ресурсов – фактически драйверов, основной блок автопилота может считывать информацию, например, по показаниям инерциальных датчиков с резервного блока. Таким же образом резервный блок может использовать приёмо-передающую аппаратуру, подключённому к основному блоку.

УЭВМ НКУ функционирует также, под управлением ОСРВ QNX Neutrino, это позволяет использовать для ряда задач унифицированное программное обеспечение, общее для НКУ и БКУ. Например: ПОкомандно-телеметрического обмена и драйверы устройств и подсистем.

Доступ к исполнительным устройствам (электроприводам, контроллерам полезной нагрузки) комплекса осуществляется по магистральным интерфейсам RS-485, RS-422 специализированным протоколом с адресацией устройств и контролем канальных ошибок.

На рисунке 2 представлена структура БКУ БПЛА взлётной массой до 4кг (тип «Дельта»), так как планер выполнен по аэродинамической схеме «бесхвостка», для управления аэродинамическими поверхностями используются два электропривода: по одному налевый и правый элевоны. Магистрали RS-485 разделены для электроприводов и вспомогательных систем: контроллера полезной нагрузки, системы автоматического спасения. Это сделано для специализации канала электроприводов, исключая дополнительные задержки прохождения управляющего сигнала в случае если канал занимается низкоприоритетным процессом. Система автоматического спасения контролирует выпуск парашюта для штатной посадки и является «сторожевым таймером» комплекса, осуществляя выброс парашюта, если нет сигнала сброса таймера от блока автопилота.

Рисунок 2. Структурная схема БКУ БПЛА DELTA

На рисунке 3 представлена блок-схема информационной структуры БПЛА максимальной взлётной массой 20-25 кг (тип «Гамма»). Электроприводы унифицированы для обоих типов БПЛА: «Дельта» и «Гамма». Аппарат «Гамма» выполнен по классической аэродинамической схеме и имеет 3 секции флаперонов на каждом крыле, так же имеются дублированные электроприводы для руля направления и высоты, функционирующие через дифференцирующий механизм. В данном случае подключение электроприводов осуществляется по двум независимым магистралям RS-485, для левой и правой стороны летательного аппарата. Это исключает необратимые последствия от замыканий в магистрали от механического повреждения или выгорания драйверов интерфейса. Функции по управлению выполняют в ограниченном режиме электроприводы противоположной стороны. При этом БПЛА «Гамма» так же может оборудоваться парашютной аппаратурой системы автоматического спасения. Как и для типа «Дельта» оборудование вспомогательных систем вынесено на отдельную магистраль.

Отсутствие необходимости выполнения гальванической развязки и использования специализированных контроллеров, например, мультиплексного канала обмена, позволяет интегрировать комплекс БПЛА более оптимальным по цене и массо-габаритным характеристикам.

Рисунок 3. Структурная схема БКУ БПЛА GAMMA

Унификация элементов комплекса управления беспилотными летательными аппаратами в области исполнительных устройств, программного обеспечения позволяет с минимальными затратами конфигурировать БКУ и НКУ в зависимости от решаемых задач.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

1. Макаров И.В. Создание блока автопилота малого беспилотного летательного аппарата. //Современные проблемы радиоэлектроники: сб.науч.тр. / науч.ред.: А.И.Громыко, А.В.Сарафанов; отв. за вып.: А.А.Левицкий. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - 465 с. - Стр. 56–59

2. Writing a Resource Manager[Электронный ресурс]: тех.документация / QSSI-QNX Documentation Library.

Что такое беспилотный летательный аппарат и как работают дроны? Ответы на эти вопросы вы найдете в данной статье.

Сразу стоит сказать, что дроны постоянно эволюционируют: новые технологии и инвестиции в этот сегмент приводят к тому, что каждый месяц появляются продвинутые модели.

Технология БПЛА охватывает все: от аэродинамики аппарата и материалов для его изготовления до печатных плат, микросхем, программного обеспечения, которые в совокупности составляют мозг беспилотника.

Одной из самых популярных моделей на рынке является DJI Phantom 3. Этот дрон пользуется спросом среди людей, занимающихся воздушной съемкой. Несмотря на то, что сегодня он слегка устарел, в нем используется множество передовых технологий, присутствующих и в самых свежих моделях БПЛА. Этот аппарат идеально подходит в качества образца для объяснения как работает данный класс устройств.

Сейчас на рынке появились новые высокотехнологичные дроны, такие как и Inspire 2. Темп развития технологии просто поражает.

Как работают БПЛА

Типичный беспилотный летательный аппарат изготовлен из легких композитных материалов: это способствует снижению веса корпуса и увеличению маневренности устройства. Свойства таких материалов позволяют военным дронам совершать полеты на чрезвычайно больших высотах.

Дроны оснащаются различными технологиями, такими как инфракрасные камеры, GPS и лазеры (в большей мере, это относится именно к военным образцам). Беспилотники могут быть управляемы дистанционной системой, которую иногда еще называют наземной кабиной. То есть можно говорить, что БПЛА состоит из 2-х частей: самого дрона и его системы управления.

« Нос» беспилотника – это то место, где расположены его датчики и навигационная система. Все остальное размещается в «теле» устройства. Композитный материал, из которого изготавливаются аппараты, помимо своей легкости еще и способен поглощать вибрацию.

Типы и размеры дронов

БПЛА бывают самых разных размеров, причем самые большие из них используются чаще всего в военных целях, например, Predator. Следом за ними идут средние беспилотники с фиксированными крыльями, которым для взлета требуется небольшая взлетно-посадочная полоса. Такие модели используются для охвата обширных территорий, например, для географической съемки или борьбы с браконьерами.

Еще меньше по размерам модели, называемые VTOL дроны. Большинство из них – это квадрокоптеры. Эти беспилотники способны взлетать и приземляться вертикально. Аббревиатура VTOL означает «вертикальный взлет и посадка». К примеру, такой маленький дрон как DJI Spark вовсе можно запускать с ладони.

Определение местоположения и возвращение домой

Многие из последних БПЛА оснащены двумя глобальными навигационными системами (GNSS), включающими в себя GPS и ГЛОНАСС. Дроны могут совершать полеты как используя GNSS, так и без помощи спутников. Например, устройства DJI могут летать в режиме P-Mode (GPS и GLONASS) или ATTI, который не использует спутниковую навигацию.

Высокоточная навигация очень важна для дронов занимающихся картографической съёмкой, а также для беспилотников, выполняющих поисково-спасательные миссии.

При первом включении квадрокоптера происходит поиск и обнаружение спутников GNSS. Система GNSS использует технологию Satellite Constellation (спутниковая группировка). Принцип ее работы заключается в координации и синхронизации всех спутников, что позволяет ей охватывать всю зону покрытия, не оставляя «слепых пятен».

Радиолокационная технология БПЛА при включении устройства отобразит на пульте дистанционного управления (ПДУ) следующую информацию:

Сигнал об обнаружении достаточного количества спутников GNSS и готовность к полету.
Текущую позицию дрона относительно пилота.
Запись исходной точки для функции «Возращение домой».

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов имеют три типа этой функции:

«Возвращение домой» по приказу пилота, нажавшего соответствующую кнопку на ПДУ или в приложении.
Низкий уровень заряда батареи, который приводит к автоматическому возврату дрона.
Потеря сигнала между БПЛА и ПДУ: в этом случае устройство также возвращается на исходную позицию.

Например, дрон при использовании опции RTH (Return to Home) будет обнаруживать все препятствия на обратном пути и активно их избегать. В условиях недостаточного освещения функция RTH будет работать так:

При обнаружении препятствия беспилотник замедляется.
Он останавливается и начинает парить из стороны в сторону и вверх-вниз до тех пор, пока не найдет способ обойти препятствие.
Затем БПЛА возвращается на исходную позицию.

Гиростабилизация, IMU и контроллер полета

Технология гиростабилизации позволяет дронам летать плавно и без рывков. Гироскоп должен работать молниеносно, чтобы обеспечивать стабильный полет устройства. Кроме того, он предоставляет всю необходимую навигационную информацию пилоту, т.е. вам.

Инерциальный измерительный блок (IMU) служит для отслеживания текущего ускорения устройства, используя для этого сочетание нескольких акселерометров. Некоторые блоки IMU включают в себя еще и магнитометр, служащий для дополнительной стабилизации аппарата.

Гироскоп является составной частью IMU, а тот в свою очередь – важный компонент контрольно-измерительной системы БПЛА. Контроллер полета (Flight Controller) – это, по сути, центральный мозг беспилотника.

Двигатель дрона и конструкция пропеллеров

Благодаря своим двигателям и пропеллерам дроны способны летать в любых направлениях. На квадрокоптерах они работают парами: 2 двигателя и 2 пропеллера, вращающихся по часовой стрелке (CW Propellers) и пара двигателей с пропеллерами, вращающимися против часовой стрелки (CCW Propellers).

Они получают данные от контроллера полета и электронных регуляторов скорости (ESC) и в соответствии с ними заставляют дрон парить на одном месте либо лететь в нужном направлении.

Параметры полета на экране в режиме реального времени

Следить за телеметрией полета и наблюдать за всем тем, что видит дрон можно с помощью ПДУ или смартфона.

Технология «No Fly Zone»

Чтобы повысить безопасность и предотвратить полеты в запретных зонах, последние беспилотные аппараты от DJI и других производителей включают в себя функцию «No Fly Zone».

Эти запретные зоны подразделяются на две категории: А и В. Производитель с помощью обновления прошивки может изменять и корректировать размер и местоположение этих зон.

Подготовка к полету

После включения устройства происходит поиск спутников GPS. Когда дрон обнаружит как минимум 6 спутников, то на экране пульта управления появится надпись «Готов к полету».

Внутренний компас и функция Failsafe

Позволяет БПЛА и системе дистанционного управления точно обнаруживать свое текущее местоположение. Калибровка компаса необходима для установки точки возвращения. После того как данная точка будет установлена, в случае потери сигнала между дроном и системой дистанционного управления, БПЛА вернется «домой». Эта функция известна под названием Failsafe.

Технология трансляции видео от первого лица

FPV расшифровывается как « First Person View » и означает наличие камеры, которая устанавливается на беспилотнике, а затем транслирует видео в режиме реального времени на принимающее устройство пилота на земле. То есть, человек, управляющий дроном, может почти буквально «видеть его глазами», а не просто наблюдать за БПЛА с земли.

Данная функция также позволяет более точно управлять дроном, особенно, когда дело касается ухода от столкновения с препятствиями. С ее помощью очень удобно управлять дроном, летающим в закрытом помещении, а также в тех случаях, когда наблюдение с земли за БПЛА по ряду причин просто невозможно (например, вы отправили дрон в лес или в горы).

Исключительно быстрый рост и развитие гоночных соревнований дронов не был бы возможен без FPV технологии.

Такие «гоночные» дроны оснащены встроенным многодиапазонным беспроводным передатчиком FPV. В зависимости от типа беспилотника принимать транслируемое видео может как ПДУ, так и компьютер, планшет или смартфон.

Разумеется, передача видео в режиме реального времени напрямую зависит от силы сигнала между ПДУ и дроном. Новейшие беспилотники, такие как DJI Mavic и Phantom 4 Pro могут транслировать «живое видео» на расстоянии до 7 км. Phantom 4 Pro и Inspire 2 используют новейшую систему передачи DJI Lightbridge 2 .

Дроны, такие как DJI Mavic Pro, используют интегрированные контроллеры и интеллектуальные алгоритмы для установки нового стандарта беспроводной передачи изображений высокого разрешения путем снижения задержки и увеличения максимального диапазона связи.

FPV для сетей 4G / LTE

В 2016 году появилась новая технология, позволяющая передавать видео в режиме реального времени с минимальной задержкой с помощью 4G. Технология получила название Sky Drone FPV 2.Она включает в себя установку на дрон камеры, модуля данных и 4G модема.

Прошивка и порт для обновлений

Обновить систему управления полетом практически любого нового дрона можно с помощью ПК, используя USB-кабель.

БПЛА можно описать как летающий компьютер, с установленной на нем камерой и разными датчиками. Как и у любого компьютера, у дронов имеется прошивка – программное обеспечение, отвечающее за работу беспилотника и его управление.

Производители БПЛА выпускают обновления для исправления ошибок и добавления новых функций устройства.

Светодиодные индикаторы полета

Он расположены на передней и задней частях беспилотного летательного аппарата. Передние светодиоды обозначают «нос» устройства. Задние же загораются тогда, когда разряжен аккумулятор устройства, чтобы его владелец сразу это заметил.

Система дистанционного управления БПЛА

Представляет собой устройство беспроводной связи, использующее частоту 5,8 ГГц. Дрон и ПДУ должны быть сопряжены по умолчанию, что называется «из коробки». В эту систему входит приемник, встроенный в ПДУ и ряд других элементов, о которых ниже.

Расширитель диапазона частот БПЛА

Это тоже устройство беспроводной связи, которое работает на частоте 2,4 ГГц. Оно используется для расширения диапазона связи между смартфоном или планшетом и дроном на открытых пространствах.

Дальность передачи может достигать 700 м. Каждый такой расширитель имеет уникальный MAC-адрес и сетевое имя (SSID).

Как упоминалось выше, некоторые модели могут летать на расстоянии до 7 км, при этом транслируя видео. Это хорошая реклама расширителей диапазона – поэтому они пользуются большой популярностью среди пользователей.

Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Большинство современных дронов могут управляться как с ПДУ, так и со смартфона с помощью специального приложения. Такие приложения полностью заменяют пульт дистанционного управления, скачать их можно из Google Play или Apple Store. У каждого производителя имеется свое фирменное приложение, например, Go 4 от DJI.

Высокопроизводительная камера

В новейших беспилотных аппаратах от DJI, Walkera, Yuneec и других производителей установлены камеры, которые могут снимать видео в формате 4К, а также делать 12-ти мегапиксельные снимки.

Многие старые модели БПЛА использовали камеры, не совсем пригодные для аэрофотосъёмки. Из-за широкоугольного объектива снимки часто имели искажения. В последних же моделях такой недостаток устранен.

Дроны с зум-объективом

В 2016 и 2017 годах на рынке появился ряд карданных подвесов с интегрированными камерами, поддерживающими функцию Zoom.

DJI выпустила Zenmuse Z3, которая является интегрированной камерой с воздушным зумом и оптимизирована для фотосъемки. Zenmuse Z3 имеет 7-кратный зум, состоящий из 3,5-кратного оптического и двумерного цифрового, с диапазоном фокусного расстояния от 22 до 77 мм, что делает ее идеальной для промышленного применения.

Затем в октябре 2016 года DJI выпустила камеру Zenmuse Z30. Zenmuse Z30 представляет собой интегрированную камеру с 30-кратным оптическим и 6-кратным цифровым зумом с полным увеличением до 180x. Это позволяет использовать ее в промышленности, например, для осмотра башен сотовой связи для получения подробной информации о состоянии проводов и конструкции в целом. Zenmuse совместим с диапазоном частот дронов DJI Matrice.

Walkera Voyager 4 поставляется с невероятной камерой с 18-ти кратным зумом. Данная камера имеет возможность вести съемку на все 360 градусов. Запись видео производится в формате 4K со скоростью 30 кадров в секунду.

Карданные подвесы

Технология карданных подвесов имеет огромное значение для качественной фото-, видеосъемки. Карданный подвес позволяет изолировать камеру от вибрации, исходящей от самого БПЛА. Кроме того, с его помощью камера может изменять углы обзора. Большинство 3-х осевых стабилизирующих карданов способны работать в двух съемочных режимах: обычном и FPV.

Практически все новые БПЛА оснащены такой системой. Лидером в этой области является DJI со своей линейкой Zenmuse.

Датчики БПЛА

Мультиспектральные, лидарные, фотограмметрические и тепловизионные датчики используются в беспилотных аппаратах для высокоточного картографирования и аэрофотосъемки. С их помощью можно получать цифровые карты высот (DEMS), а также данные о состоянии сельскохозяйственных культур, цветов, кустарников, деревьев и даже фауны.

В 2016 году на рынке появились дроны с Time-of-Flight, так называемыми «времяпролетными» датчиками, определяющие расстояние до объекта. Эти сенсоры могут быть использованы в различных целях: для сканирования объектов, внутренней навигации, предотвращения столкновении с препятствиями, 3D-съемки, в играх дополненной реальности и многих других областях.

Дрон может быть запрограммирован на полет над определенной областью с использованием автономной навигационной системы. Камера БПЛА будет делать снимки с интервалом 0,5 или 1 сек. Затем эти изображения «сшиваются» воедино с помощью специального ПО и в результате получается 3D-карта местности.

Компания DroneDeploy является одним из лидеров в создании программного обеспечения для 3D-картографии в сельском хозяйстве. Их последний продукт под названием Fieldscanner работает с большинством новейших беспилотных летательных аппаратов.

Технология обнаружения препятствий и предотвращения столкновений

Современные беспилотники практически всегда оснащены такими системами. Датчик обнаружения препятствий постоянно сканирует окружение. Одновременно с этим программные алгоритмы и технология SLAM создают 3D-карту, которая обрабатывается контроллером полета и позволяет дрону избегать столкновений. Эта система использует один из нескольких датчиков для лучшего распознавания потенциально опасных объектов:

видеосенсор,
ультразвуковой,
инфракрасный,
лидар,
монокулярное зрение.

Защита от падения (Anti-Drop Kit)

Защищает камеру в случае аварийного падения БПЛА.

ПО для редактирования видео

Наличие высококачественного видеопрограммного обеспечения важно как для съемки, так и для последующей обработки материала. Большинство современных дронов могут снимать в формате Adobe DNG, что очень удобно для последующей работы с полученными изображениями.

Операционные системы, которые используют дроны

Основная масса беспилотников работают под управлением Linux, остальные используют MS Windows. Также, у Linux Foundation есть проект, запущенный в 2014 году, под названием Dronecode*.

*Dronecode - проект по созданию свободной платформы с открытым исходным кодом для беспилотных летательных аппаратов.

Последние высокотехнологичные беспилотники

Львиную долю рынка инновационных дронов занимает, конечно же, компания DJI. Вот список новейших устройств, на которые стоит обратить внимание:

– маленький беспилотник, который может взлетать с ладони.

– небольшой складной дрон с датчиками предотвращения столкновения, расположенными спереди и снизу. Супер стабильный полет и возможность снимать видео в формате 4k.

DJI Phantom 4 Pro – с технологией предотвращения столкновения «Vision». Многоцелевой беспилотный летательный аппарат, способный вести аэрофотосъемку и фотограмметрические работы. Встроенная камера оснащена 4-х кратным зумом.

DJI Inspire 2 – запатентованная конструкция и двигатели. Многоцелевой беспилотник с подвесными карданами и камерой, предназначенной для аэрофотосъемки, записи видео в 5К, фотограмметрии, съёмки мультиспектральных и тепловизионных изображений.

Yuneec Typhoon H Pro – использует запатентованную технологию предотвращения столкновений Intel «Realsense». Отлично подходит для профессиональной аэрофотосъемки.

Walkera Voyager 4 – профессиональный дрон с 18-кратной оптической трансфокаторной камерой, что делает его идеальным для поисково-спасательных работ.

DJI Matrice 200 Commercial Quadcopter – дрон со встроенной двойной батареей, системами IMU и спутниковой навигацией. Поддерживает установку 2-х камер (например, камеры с тепловизором и зумом). Оснащен видеосенсором, ультразвуковым и ToF датчиками. Идеально подходит для осмотра труднодоступных объектов с целью оценки их состояния.

Интеллектуальные режимы полета

Все вышеперечисленные БПЛА имеют множество разных интеллектуальных режимов полета. Особенно ярко на фоне остальных выделяется Phantom 4 Pro от DJI, имеющий такие режимы как:

Active Track (Profile, Spotlight, Circle) - активный трек;
Draw Waypoints - рисунок точек пути;
TapFly - интеллектуальный режим полета;
Terrain Follow Mode - режим рельефа местности;
Tripod Mode - режим штатива;
Gesture Mode - режим жестов;
S-Mode (спорт);
P-Mode (позиция);
A-Mode (положение в воздухе);
Beginner Mode - начальный режим;
Course Lock - блокировка курса;
Home Lock - домашний замок;
Obstacle Avoidance - обхождение препятствий.

Использование БПЛА

Дронов можно использовать в самых различных целях. Когда вы устанавливаете камеру или датчики, такие как лидар, тепловизор, ToF, мультиспектральный и многие другие, диапазон применения устройств расширяется еще больше.

Лучшие видео на тему БПЛА

Ниже размещены 2 видеоролика, в которых подробно рассказывается о технологии БПЛА. На первом видео ведущий специалист по БПЛА Раффаэлло Д"Андреа даст зрителям представление о ПО, лежащем в основе технологии беспилотных летательных аппаратов. Он также расскажет об алгоритмах работы, теории управления и проектирования на основе разных моделей (видео, к сожалению, не адаптировано на русский язык).

Военные беспилотники

Следующее видео – это рассказ о том, что настоящее и будущее военной техники принадлежит беспилотным летательным аппаратам, таким как Predator и Reaper.

Два военных БПЛА среднего размера, которые в настоящее время активно используются – это Predator MQ-1B и MQ-9 Reaper . Их применяли в Афганистане и Пакистане.

Последние несколько лет характеризуются значительными инвестициями в разработку дронов, особенно в секторе бизнеса и потребительских БПЛА. Технологии действительно удалось совершить громадный рывок всего лишь за несколько лет.

По материалам DroneZon

Аннотация : в данной статье приведена ТРИЗ-эволюция систем управления беспилотными летательными аппаратами, начиная с первых и заканчивая современными, с их описанием, техническими противоречиями и возможным дальнейшим развитием.

Ключевые слова : система управления, беспилотный летательный аппарат, БПЛА.

Annotation: In this article we present TRIZ-evolution of control systems of unmanned aerial vehicles, that is starting with the original and ending with the modern, with their description, technical contradictions and possible further development.

Keywords: control system, unmanned aerial vehicle, UAV.

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) достаточно сильно развиты и имеют широкий круг применений. За век своего существования БПЛА как увеличились в своих размера до десятков метров, так и уменьшились до нескольких миллиметров; их диапазон скорости, грузоподъёмности тоже существенно расширился.

Однако системы управления БПЛА неизменно развивались и продолжают развиваться. Рассмотрим эволюцию систем управления БПЛА, начиная от систем управления первых беспилотных «воздушных торпед» до систем управления современных беспилотников. Для современных БПЛА ограничимся мини и микро классами аппаратов (вес до 30 кг).

Как всегда бывает, первыми БПЛА разрабатывали военные, и только в XXI веке началось активное развитие БПЛА гражданского назначения.

1. Исторически первый БПЛА .

Исторически первым БПЛА считается «Жук» Кеттеринга (см. рис. 1). Это один из первых успешных проектов беспилотного летательного средства. По заказу армии США в 1917 году изобретатель Чарльз Кеттеринг разработал свою экспериментальную беспилотную «воздушную торпеду», которая стала предшественником крылатых ракет. Целью было создать дешёвый и простой беспилотный самолёт-снаряд для армейского авиационного корпуса.

Рисунок 1 – Жук Кеттеринга.

Аппарат получился достаточно компактный, в отличие от «крылатой бомбы» Сперри, разрабатываемой и испытываемой в тоже время. «Жук» имел цилиндрический корпус из дерева, к которому крепилась бипланная V-образная коробка.

Беспилотное средство было оснащено дешёвым четырёхцилиндровым двигателем и инерциальной автоматической системой управления. После старта, питающийся электричеством от двигателя, гироскоп обеспечивал стабилизацию «Жука» по направлению . Гироскоп был соединён с вакуум-пневматическим автопилотом (рис. 2), который осуществлял управление рулём направления. Блок-схема системы управления «Жука» представлена на рисунке 3.

Рисунок 2 – Вакуум-пневматический автопилот (пример)

Управление рулём высоты осуществлялось аналогичным образом, но датчиком в этом случае уже являлся барометрический альтиметр.

Перед стартом на беспилотном аппарате задавали значение высоты и максимальное количество оборотов пропеллера, что соответствовало пройденному расстоянию; раскручивали гироскоп. Запуск происходил с рельсовой катапульты, «Жук» выходил на заданную высоту и летел по прямой в сторону цели. Специальное устройство отсчитывало обороты пропеллера и по достижении нужного расстояния (количества оборотов пропеллера сравнялось с заданным), высвобождался пружинный механизм, который отключал двигатель и выбивал болты, держащие крылья. Корпус аппарата падал вниз и достигал цели.

Рисунок 3 – Блок-схема системы управления

«Жук» Кеттеринга предназначался для обстрела городов, крупных промышленных центров и мест сосредоточения войск противника на дистанции до 120 км. Он успешно прошёл испытания, в отличие от «воздушной торпеды» Сперри, и был прият на вооружение. Система показала себя лучше, успешней и дешевле предыдущих, но Первая мировая война закончилась, и заказ так и не был выполнен . Всего было изготовлено 45 машин.

У «Жука» Кеттеринга были реализованы простейшие функции автопилота: управление рулём высоты и рулём направления, отсчитывание пройдённого расстояния, отключение двигателя и сброс крыльев. Неудачи в испытаниях были связаны с проблемами удержания аппарата на курсе. Аппарат мог отклониться от курса как при запуске с рельсовой катапульты, так и во время полёта. Кроме того, «воздушная торпеда» под действием ветра могла завалиться на крыло и упасть. Примитивный автопилот хоть и пытался придерживаться курса, но с сильными порывами ветра или ошибкой при запуске справиться не мог.

Представим алгоритм управления «Жука» Кеттеринга:

1) Перед стартом задавались максимальная высота и число оборов пропеллера.

2) Происходил запуск с рельсовой катапульты.

3) Аппарат выходил на заданную высоту (контроль высоты осуществлялся с помощью барометрического альтиметра).

4) Автопилот поддерживал неизменный курс благодаря воздействию гироскопа (полёт представлял собой движение по прямой).

5) При достижении заданного числа оборотов (нужного расстояния), происходило отключение двигателя и сброс крыльев. Корпус аппарата падал вертикально вниз в цель.

Аппарат имел малую дальность и мог двигаться только по прямой из пункта «А» в пункт «Б». Маршрут с большим количеством точек был невыполнимой задачей, как и возвращение аппарата на место старта.

Выявим технические противоречия (ТП), имеющиеся в описываемой системе, для единообразия в формулировках противоречий все рассматриваемы системы будем называть БПЛА:

ТП1. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается вес аппарата.

ТП2. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается сложность конструкции.

ТП3. При повышении степени стабилизации по курсу недопустимо уменьшается расстояние до цели.

ТП4. При повышении сложности маршрута недопустимо повышается сложность конструкции.

Противоречие ТП4 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены инерциального автопилота на систему радиоуправления. Этап ТРИЗ-эволюции представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Первый этап эволюции.

2. Новая веха : появление радиоуправляемых летательных аппаратов .

В 1930-х годах армия США получила предложения поставлять радиоуправляемые беспилотные самолёты для различных нужд. Среди компаний, сделавших предложение, была Radioplane Company. Основана она Дени Реджинальдом, бывшим пилотом британской королевской авиации, который эмигрировал в США и стал актёром, а позже основал магазин и компанию по производству радио моделей самолётов .

Radioplane Company предложила армии США линейку радиоуправляемых моделей самолётов, среди которых присутствовала модель Radioplane OQ-2 (рис. 5). Это первый дистанционно-пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), поступивший в массовое производство. В общем было произведено 15000 моделей. Эксплуатация проводилась вплоть до 1948 года .

Radioplane OQ-2 представлял собой самолёт-мишень для обучения зенитных расчётов. Длина – 2,65 м. Размах – 3,73 м. Взлётный вес – 47 кг. Максимальная скорость – 137 км/ч. Максимальное время полёта – 1 час.

Рисунок 5 – Внешний вид Radioplane OQ-2

Запуск происходил с катапульты, а управлялась беспилотная радио модель оператором с земли, который мог имитировать различный ситуации (например, заход истребителя для атаки). Если аппарат оставался цел после полёта, посадка происходила с помощью выбрасываемого парашюта и неубираемого шасси (было не у всех моделей), которое смягчало удар о землю. Блок-схема системы управления представления на рисунке 6.

Рисунок 6 – Блок-схема радиоуправления

Радиоуправление позволило беспилотникам следовать по сложным маршрутам и выполнять сложные манёвры в воздухе, превосходя в этом «Жука» Кеттеринга и «Крылатую торпеду» Сперри. Аппараты получили возможность возвращаться на стартовую позицию, что увеличило количество их использования. Малогабаритная конструкция Radioplane OQ-2 и простота позволили развивать ему большие скорости и покрывать большее расстояние. Однако появилась проблема с малым потолком использования в 2438 м.

Аппаратура того времени позволяла эффективно использовать Radioplane OQ-2 только в поле видимости оператора. Именно так оператор с земли мог производить управление беспилотником. Если аппарат вылетал из радиуса видимости, то его можно было контролировать только радаром, что не обеспечивало эффективного наблюдения и снижало точность позиционирования.

При рассмотрении Radioplane OQ-2 можно выявить следующие противоречия:

ТП5. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается объём наземной аппаратуры управления.

ТП6. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается количество персонала.

ТП7. При увеличении дальности, путём увеличения объёма топливного бака, недопустимо увеличивается вес.

Второй этап эволюции показан на рисунке 7.

Противоречие ТП7 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника».

Рисунок 7 – Второй этап эволюции

3. Разработки второй мировой войны .

Фау-1 – самолёт-снаряд, прообраз современных крылатый ракет, состоял на вооружении армии Германии в середине Второй мировой войны (рис. 8). Эта ракета создана в рамках проекта «Оружие возмездия». Проект беспилотного аппарата разработан немецкими конструкторами Робертом Луссером и Фритцем Госслау. Разработка производилась в период 1942-1944 гг .

Фау-1 была построена по самолётной схеме, в задней части корпуса над рулём курса крепился реактивный двигатель. В процессе разработки проекта появилась необходимость ввести стабилизаторы и гироскоп для стабилизации аппарата во время полёта.

На земле перед запуском беспилотному аппарату задавали значения высоты и курса, а так же дальность полёта. Наведение выполнялось по магнитному компасу. После пуска аппарата (производился с катапульты, либо с самолёта-носителя – модифицированного бомбардировщика Heinkel He 111 H-22) он летел с помощью автопилота по заданному курсу и на заранее определённой высоте. Стабилизация по курсу и тангажу осуществлялась на базе показаний 3-степенного гироскопа: по тангажу суммировались с показаниями барометрического датчика высоты; по курсу – со значениями угловых скоростей от двух 2-степенных гироскопов, используемых для уменьшения колебаний снаряда. Управление по крену отсутствовало, так как Фау-1 была достаточно устойчива вокруг продольной оси .

Рисунок 8 – Внешний вид Фау-1

Автопилот был пневматическим устройством, работающим на сжатом воздухе. Золотники пневматических машинок рулей курса и высоты приводились в действие воздушным давлением, в зависимости от показаний гироскопов. Сами гироскопы раскручивались также сжатым воздухом. Расстояние полёта задавалось на специальный механический счётчик, а прикреплённый на нос снаряда анемометр постепенно сводил значение к нулю. По достижении нулевого значения происходило разблокирование ударных взрывателей и отключение двигателя. Примерна блок-схема показана на рисунке 9.

Длина – 7.75 м. Размах крыльев – 5,3 (5,7) м. Максимальная скорость – 656 км/ч (по мере расходования топлива скорость доходила до 800 км/ч). Дальность доходила до 280 км.

Фау-1 могла летать только по прямой (как «Жук» Кеттеринга), однако покрывала большее расстояние и развивала гораздо большую скорость.

Рисунок 9 – Блок-схема системы управления.

После рассмотрения Фау-1 были выделены следующие технические противоречия:

ТП8. При упрощении процесса старта, путём отказа от катапульты, недопустимо увеличивается сложность конструкции.

ТП9. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается сложность оборудования.

ТП10. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается вес аппарата.

На основе вышеописанных противоречий выделен второй этап ТРИЗ-эволюции беспилотных летательных аппаратов (рис. 10).

Противоречия ТП8 и ТП9 были разрешены с помощью приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены самолётной схемы на вертолётную.

Рисунок 10 – Третий этап эволюции.

4. Противолодочный вертолёт .

Проект американского беспилотного летательного аппарата, а если точнее бдеспилотного вертолёта. Gyrodyne QH-50 DASH – первый в мире беспилотный вертолёт принятый на вооружение (рис. 11). Первый его полёт состоялся в 1959 году, и вплоть до 1969, когда ВМС США отказались от проекта, было произведено 700 аппаратов различных модификация. Изначально проектировались как штатное противолодочное вооружение ракетных крейсеров .

Рисунок 11 – Внешний вид Gyrodyne QH-50 DASH

Вертолёт был в длину 3,9 м, в высоту 3 м.. Вес неснаряжённого и снаряжённого соответственно 537 кг. и 991кг. Максимальный взлётный вес 1046 кг. Максимальная скорость 148 км/ч. и дальность 132 км. Практический потолок 4939 м. На борту нёс 33,6 галлонов топлива .

В отличие от предыдущих систем, аппарату не требовалась взлётная полоса или оборудование (например, катапульта), а требовалась небольшая ровная поверхность.

Беспилотный вертолёт разрабатывался для старта с палубы корабля. Перед запуском к нему подвешивали торпеды.

Контроль управления вёлся с пульта оператора (блок-схема системы управления представлена на рис. 12). На пульт также приходили данные о состоянии аппарата, сигналы оружейной системы. В дальнейшем было предложено ввести два пульта управления. По требованию, один пульт должен был находиться на палубе, а другой в командном пункте.

Так как торпеды весили много, пришлось отказаться от телеаппаратуры. Поэтому запускали сразу два вертолёта: один с аппаратом обнаружения и целеуказания; второй с вооружением.

Проект Gyrodyne QH-50 DASH был отменён из-за несовершенства системы управления и конструктивных дефектов, почти половина аппаратов разбились. Во время полёта у беспилотного вертолёта могло произойти самопроизвольное отключение аппаратуры управления. Также сказалось начало войны во Вьетнаме. Но использование беспилотного вертолёта вплоть до 2006 года как учебное пособие, объект экспериментов и т.д.

Рисунок 12 – Блок-схема системы управления.

Выделим противоречия беспилотного вертолёта Gyrodyne QH-50 DASH:

ТП11. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается показатель полезной нагрузки.

ТП12. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается дальность полёта.

Противоречия ТП10 и ТП11 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы, путём создания доступных контроллеров полёта для авиамоделистов.

По этим противоречиям составим этап ТРИЗ-эволюции (рис. 13).

Рисунок 13 – Четвёртый этап эволюции.

5. « Беспилотники » в массы . Полётные контроллеры для моделирования .

В наше время беспилотные летательные аппараты перестали быть военными «игрушками». В начале XXI века всё больше и больше различных БПЛА находят применение в гражданских сферах: аэросъёмка, доставка грузов, отдых и досуг, образование и др. Появилось множество схем конструкций (мультикоптеры, самолётного типа и др.). Теперь их можно спокойно купить в магазинах или даже сделать самому при покупке определённых комплектующих. О них и пойдёт речь далее.

Полётный контроллер – это основная плата управления, обеспечивающая функционирование беспилотного летательного аппарата.

Одним из первых популярных полётных контроллеров XXI века был MultiWii (рис. 14). Это открытый проект полётного контроллера на основе Arduino (аппаратной вычислительной платформе, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wirin (Си подобный)). Используется как элемент системы управления самодельных беспилотных аппаратов (в частности для мультикоптеров). Название MultiWii исторически сложилось потому, что в первых версиях были задействованы гироскопы из контроллера к игровой консоли Nintendo Wii.

Рисунок 14 – Внешний вид платы MultiWii

В данный момент платформа поддерживает большое количество сенсоров. Изначально нужно было докупать гироскопы из контроллера Wii Motion Plus и акселерометр из контроллера Wii Nunchuk, однако сейчас этого делать не нужно.

Так как основой проекта служит Arduino, то подключаемые модули (GPS, радио передатчик и т.д.) совместимо с проектом полётного контроллера ArduPilot (подробнее о нём поговорим ниже). По своей сути это плата с контактами, а не готовая система управления, к которой радиолюбитель может присоединять различные модули (в соответствии с нужными целями). Есть возможность настроить управление по радио пульту (с помощью приемника/передатчика радиосвязи) либо простые функции автопилота, такие как движение по точкам (необходим модуль GPS) и удержание курса (магнитометр). Естественно всё это возможно только при правильной настройке контроллера.

Изначально на плате был 8-битный микроконтроллер ATMega328 (тактовая частота до 20MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 2кб), либо ATMega2560 (тактовая частота 16MHz, FLASH-память 256кб, SRAM-память 8кб). Но, т. к. проект является открытым, появились любительские версии с 32-битным STM32. Так же присутствуют встроенные датчики MPU6050 (3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр), BMP085 (барометр) и HMC5883L (электронный магнитный компас). Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.

На рисунке 15 показана блок-схема системы управления.

Предполагаемый алгоритм управления:

1) Необходимо подключить все необходимые для задачи пользователя модули, предварительно записав программу в микроконтроллер (официальную или самодельную).

3) В зависимости от конструкции беспилотного аппарата, следует произвести запуск.

Полётные контроллеры в основном предназначались для радиоуправления. Хоть они и поддерживали некоторые функции автопилота, оператору приходилось контролировать полёт. Например, двигаясь по точкам маршрута, летающий аппарата может врезаться в возникшее препятствие, если не будет принято своевременных мер. Это относится и к остальным моделям полётных контроллеров, описанных ниже.

Рисунок 15 – Блок-схема системы управления.

ТП13. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается сложность кода.

ТП14. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается количество часов, требуемых на это.

Противоречия ТП13 и ТП14 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы.

Этап эволюции показан на рисунке 16.

Рисунок 16 – Пятый этап эволюции.

6. Новые аналоги .

Контроллер CopterControl3D (CC3D) создан в рамках открытого проекта Open Pilot,начатого в 2009 году (рис. 17). Как и MultiWii является небольшой и относительно дешевой программируемой платой, но в отличие от неё разрабатывался специально для квадрокоптеров. Так же получил своё программное обеспечение OpenPilot GCS для настройки. Примерно 90% квадрокоптеров используемых для управления First Person Viev (FPV, вид от первого лица – управление осуществляется не только по радио каналу, но и по дополнительному каналу принимается на экран видео в реальном времени) собираются любителями именно на этом контроллере.

Рисунок 17 – Внешний вид платы CC3D

На плате присутствует 32-битный микроконтроллер STM32F103 72MHz с FLASH-памятью 128кб и чип MPU6000 (совмещает 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр).

Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.

Блок-схема системы управления показана на рисунке 18 (отличия только в интерфейсах подключения устройств).

Рисунок 18 – Блок-схема системы управления

В системе выявлены следующие противоречия:

ТП15. При повышении гибкости управления контроллера, путём добавления функций автопилота, недопустимо повышается сложность кода.

ТП16. При повышении универсальности использования контроллера недопустимо повышается сложность кода.

Противоречия ТП15 и ТП16 были разрешены с помощью приёмов вынесения, универсальности, самообслуживания, «посредника».

Этап эволюции представлен на рисунке 19.

Рисунок 19 – Шестой этап эволюции

7. Решение от Arduino.

Полётный контроллер ArduPilot Mega (рис. 20), разработанный компанией Arduino. Главным отличием от предыдущих является поддержка не только летающих беспилотных аппаратов, но наземных и лодочных систем. Так же помимо радиоуправляемого дистанционного пилотирования – автоматическое управление по заранее созданному маршруту, т.е. полет по точкам, а так же обладает возможностью двухсторонней передачей телеметрических данных с борта на наземную станцию (телефон, планшет, ноутбук и т.д.) и ведение журнала во встроенную память.

Рисунок 20 – Внешний вид платы

Контроллер поддерживает программирование, как и прочие продукты Arduino, язык программирования Arduino (является стандартным C++ с некоторыми особенностями). При грамотной настройке позволяет превратить любой аппарат в автономное средство и эффективно использовать его не только в развлекательных целях, но и для выполнения профессиональных проектов. По сравнению с вышеописанными платами более стабильно ведёт себя во время полёта, может неплохо выполнять некоторые фигуры полёта.

Контроллер поддерживает авиасимулятор через ПО Mission Planner, который позволят настроить управление, проложить маршрут и т.д.

На плате установлен микроконтроллеры ATMega2560 и ATMega32U2 (8-битный, тактовая частота 16 MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 1 кб), датчики MPU6000 и MS5611 (барометр).

Блок-схема системы управления показана на рисунке 21.

Рисунок 21 – Блок-схема системы управления.

В рассмотренной системе были выявлены следующее противоречие:

ТП17. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо уменьшается универсальность использования контроллера.

ТП18. При повышении качества платы недопустимо повышается цена.

ТП19. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо повышается сложность схемы подключения периферии.

Противоречия ТП17 и ТП18 были разрешены с помощью приёмов объединения, дешёвой замены, универсальности, путём создания универсального полётного контроллера.

На рисунке 22 показан этап эволюции.

Рисунок 22 – Седьмой этап эволюции.

8. Новое поколение .

Pixhawk – полетный контроллер нового поколения (рис. 23), дальнейшая разработка проекта PX4 и программного кода Ardupilot от 3DRobotics. В контроллере присутствует операционная система реального времени NuttX.

Контроллер поддерживает большое количество систем:

наземные, воздушные, наводные. Поддерживает различные модули и стандарты для их связи. Из-за своей универсальности и стал популярным. Поддерживает использование ПО Mission Planner как ArduPilot.

Рисунок 23 – Внешний вид контроллера Pixhawk

На плате установлен 32-битный микропроцессор STM32F427 Cortex M4 (168MHz, FLASH-память 2 Мб, RAM- память 256кб) и 32-битный сопроцессор STM32F103. Так же присутствуют датчики: ST Micro L3GD 20 – 3-осевой гироскоп, ST Micro LSM303D – 3-осевой акселерометр/магнитометр, MPU6000 - 3-осевой акселерометр/гироскоп, MEAS MS5611 – барометр.

Блок-схема системы управления показана на рисунке 24.

Рисунок 24 – Блок-схема системы управления.

Выявим противоречия описанной системы:

ТП20. При повышении гибкости управления аппарата недопустимо повышается сложность аппаратуры управления.

Противоречия ТП20 были разрешены с помощью приёмов объединения, универсальности, путём создания многофункционального БПЛА с открытым кодом для любительских разработок.

Этап эволюции представлен на рисунке 25.

Рисунок 25 – Восьмой этап эволюции.

9. Готовое решение .

В 2010 году французская фирма Parrot выпустила на рынок свой беспилотный летательный аппарат AR.Drone. Через пару лет была выпущена обновлённая версия Parrot AR.Drone 2.0 (рис. 29). Проект квадрокоптера был полностью открыт для идей пользователей, что помогло ему стать хитом.

У Parrot AR.Drone 2.0 имеются четыре мотора мощностью 14,5 Вт. Максимальная скорость – 18 км/ч. Масса дополнительной полезной нагрузки – 150 г. Процессор ARM Cortex A8 с частотой 1 ГГц. с 800 Гц. DSP TMS320DMC64x для обработки видео сигналов. RAM DDR2 1Гбит. Две камеры: основная для съёмки и режима FPV с разрешением 720p; дополнительная камера с разрешением 240p для измерения горизонтальной скорости, расположена снизу.Wi-Fi точка для подключения устройства управления (смартфон или планшет с ОС Android или iOS) .

Рисунок 29 – Внешний вид Parrot AR.Drone 2.0

Открытость проекта позволяет к готовому аппарату подключать дополнительные компоненты. Это была одна из привлекательных черт описываемого квадрокоптера. Также пользователи могли программировать его полётный контроллер, либо создавать различные приложения для управления на языках C, Java и Objectiv-C.

Примерная блок-схема управления представлена на рисунке 30.

Одна из главных проблем всех беспилотных летающих аппаратов заключается в том, что если во время режима автопилота перед ними возникнет препятствие (будь то стена, дерево, другой летающий аппарат или даже человек) столкновения не избежать. Максимум на что можно рассчитывать, что БПЛА попытается остановиться или оператор вовремя вмешается в процесс. Однако, если прогнозы развития верны и в ближайшее время нас ожидает дальнейшее развитие рынка беспилотных летательных аппаратов, эта проблема будет всё больше набирать актуальность.

Рисунок 30 – Блок-схема системы управления.

Выявленные противоречия:

ТП21. При добавлении дополнительной аппаратуры, повышающей функционал автопилота, недопустимо повышается вес аппарата.

10. Дальнейшее развитие .

Дальнейшее развитие беспилотных систем, в том числе БПЛА, заключается во внедрении в систему управления искусственного интеллекта. Интеллектуальная система управления позволит ещё больше развить функции автопилота, автоматизировать беспилотные аппараты. При этом действия оператора сводятся только к подготовке аппарату к началу полёта и непосредственно к самому запуску.

Но возникает техническое противоречие ТП21. Это противоречие разрешается принципами объединения, универсальности, непрерывности полезного действия, «посредника».

Интеллектуальную систему управления можно реализовать на микропроцессорном компьютере (например, Raspberry Pi) с несколькими датчиками (2 видео камеры и лидар). Такая система при движении по заданному маршруту сможет определить появившееся препятствие, которым может быть человек, другой БПЛА или дерево, стена, которые не заметил оператор при составлении маршрута. Данная система будет распознавать объекты методом компьютерного зрения и определять вектор движения этих объектов. После определения вектора движения, система сравнит его с вектором БПЛА и построит маршрут уклонения с минимальным уходом с маршрута. Такая схема несильно повлияет свои весом на характеристики беспилотного летательного аппарата, но значительно повысит степень его «выживаемости».

Литература и примечания :

Куда полетит беспилотник без пилота – День за днем [электронный ресурс] // LIVEJOURNAL.COM: Живой журнал. – Электрон. данные. URL: http://novser.livejournal.com/9293

99.html OQ-2 [электронный ресурс] // AVIA.PRO: Новости авиации. – Электрон. данные. URL: http://avia.pro/blog/oq-2

(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.

Фау-1 [электронный ресурс] // ANAGA.RU: Информационный портал «Столичный комитет». 2008 г. – Электрон. данные. URL: http://anaga.ru/v-1.htm (дата обращения

17.12.2016 г.). – Заглавие с экрана. Gyrodyne Helicopter Co. Mfg of QH-50 series of VTOL

UAVs. [электронный ресурс] // GYRODYNEHELICOPT ERS.COM: Информационный сайт. – Электрон. данные. URL: http://www.gyrodynehelicopters.com/dash_weapon_system.htm

(дата обращения 14.11.2016 г.). – Заглавие с экрана.

AR.Drone 2.0: обзор возможностей и дополнений [электронный ресурс] // XAKER.RU: Электронный журнал. – Электрон. данные. URL:

Уникальное программное решение помогает заказчикам эффективно управлять даже большим количеством беспилотных летательных аппаратов (БЛА), или дронов.

Аэрофотосъемка, видеонаблюдение, обследование обширных территорий, экологический мониторинг - это далеко не полный перечень задач, которые становятся проще с использованием беспилотников. Чтобы раскрыть весь потенциал дронов, их операторы должны иметь в распоряжении удобный инструмент для контроля и управления БЛА.
КРОК предлагает заказчикам универсальную систему управления, которая поддерживает практически все доступные на гражданском рынке беспилотные системы и автопилоты: DJI, MavLink-совместимые, Yuneec, Mikrokopter, Microdrones.

Предлагаемые продукты


	Планирование и выполнение полетов Программное обеспечение для управления беспилотниками и производства карт по данным аэрофотосъемки. Планирование оптимального маршрута на трехмерной карте с учетом препятствий, закрытых зон
	Система высотного наблюдения Привязной беспилотный летательный аппарат с подачей питания по проводу с наземной станции. Высота - до 100 м, продолжительность полёта - до 200 часов
	Управление группировками дронов Координация синхронных перемещений множества беспилотных летательных аппаратов для организации световых, пиротехнических шоу

Функции решения

Управление одним или несколькими БЛА, прием и запись телеметрии, уведомление оператора об опасных сближениях дронов с другими участниками воздушного движения
Поддержка ОС Windows, MacOS, Linux, Android

Одновременная работа нескольких операторов, гибкая настройка сценариев управления, разделение функций между участниками команды
Интеграция с системами автоматического зависимого наблюдения-вещания (АЗН-В)

Особенности решения

Универсальная архитектура позволяет подключать дроны со своими протоколами управления и телеметрии, быстро и легко добавлять новые устройства без масштабных доработок ПО - прямо «из коробки» система знакома с устройствами от основных ведущих производителей робототехники. Решение поддерживает масштабируемость и модульность для поддержки новых протоколов управления и типов полезной нагрузки.

Разные сценарии позволяют работать с системой одному или нескольким операторам, управляющим одним или несколькими БЛА, разделять между операторами управление движением и полезной нагрузкой БЛА. Пользовательский интерфейс может быть стандартизирован для конкретного типа аппарата. Режим симуляции позволяет организовать обучение, тренировку операторов БЛА и проведение экзаменов.

Благодаря поддержке полноценной трехмерной картографии и алгоритмов планирования траекторий можно создавать маршруты с учетом рельефа, препятствий и запретных зон, трасс в воздушном пространстве РФ, отраженных на цифровой модели местности. Задания формируются с использованием типовых маневров: движение по прямой, круг, «змейка», «коробочка», облет периметра, аэрофотосъемка с заданными параметрами перекрытия и разрешения. При подготовке заданий операторы могут измерять расстояния и площади, оценивать зоны прямой радиовидимости, планировать выполнение различных действий на тех или иных сегментах маршрута: поворот камеры, съемка в точке интереса, сброс полезной нагрузки и т. д. В постоянном режиме обеспечивается контроль профиля высот по маршруту.

В зависимости от типа полезной нагрузки БЛА могут собирать большие объёмы фото- и видеоматериалов, данных радиационной, экологической разведки, прочую информацию об окружающей обстановке с привязкой к модели движения с координатами и ориентацией в пространстве. По желанию заказчика систему можно доработать для сбора информации от внешних систем и электронных чипов (местоположение личного состава, стационарной и подвижной техники, объекты из системы автоматического зависимого наблюдения-вещания). Получение оперативной информации и отображение целевых объектов на карте повышает скорость оценки сценариев развития и планирования заданий. Все данные телеметрии могут сохраняться для дальнейшего анализа и просмотра.

Бухгалтеру о налогах и кадрах. Налоги, бухгалтерия, отчетность, ККМ

Система управления стабилизация беспилотным летательным аппаратом построение. Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Заключение диссертации по теме "Навигация и управление воздушным движением", Токарев, Юрий Петрович

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Токарев, Юрий Петрович, 2011 год

Что такое беспилотный летательный аппарат и как работают дроны? Ответы на эти вопросы вы найдете в данной статье.

Как работают БПЛА

Типы и размеры дронов

Определение местоположения и возвращение домой

Гиростабилизация, IMU и контроллер полета

Двигатель дрона и конструкция пропеллеров

Параметры полета на экране в режиме реального времени

Технология «No Fly Zone»

Подготовка к полету

Внутренний компас и функция Failsafe

Технология трансляции видео от первого лица

FPV для сетей 4G / LTE

Прошивка и порт для обновлений

Светодиодные индикаторы полета

Система дистанционного управления БПЛА

Расширитель диапазона частот БПЛА

Приложения для смартфонов, превращающие их в наземные станции

Высокопроизводительная камера

Дроны с зум-объективом

Карданные подвесы

Датчики БПЛА

Технология обнаружения препятствий и предотвращения столкновений

Защита от падения (Anti-Drop Kit)

ПО для редактирования видео

Операционные системы, которые используют дроны

Последние высокотехнологичные беспилотники

Интеллектуальные режимы полета

Использование БПЛА

Лучшие видео на тему БПЛА

Военные беспилотники

Предлагаемые продукты

Функции решения

Особенности решения