Информационно-измерительная система пирометрического типа для малоразмерного беспилотного летательного аппарата

Введение. Предложенная модель касается устройств для измерения углового положения самолета и может использоваться в качестве устройства для ориентации и стабилизации на беспилотных летательных аппаратах (ЛА) маленького размера.

Известна система ориентации свободного хода, которая генерирует в качестве параметров ориентации углы последовательных вращений движущегося объекта, известные как углы Крылова. Она состоит из трех датчиков угловой скорости, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны, и вычислителей угла, основными элементами которых являются вычислители угловой скорости на углах Крылова, а также интегрирующие и суммирующие устройства [1–3].

Недостатком система ориентации свободного хода являются зависящие от времени погрешности определения углового положения объекта, обусловленные наличием интегрирующих звеньев в датчике угловых скоростей.

Пирометрическая вертикаль. Наиболее близким аналогом является пирометрическая вертикаль в составе второго пилота CPD4 (рис. 1) – модель самолета автопилот производства FMA Inc (США, штат Мэриленд).

Fig. 1. Co-Pilot CPD4

Рис. 1. Co-Pilot CPD4

Эта вертикаль состоит из четырех пирометрических датчиков (пирометров), расположенных горизонтально на печатной плате в плоскости самолета [2–5]. Принцип измерения углового положения основан на измерении разности инфракрасного теплового излучения с поверхности земли и неба (рис. 2). Поскольку земля всегда теплее, существует определенный градиент, распределенный вертикально от Зенита к Надиру. Измеряя температуру четырьмя перпендикулярными пирометрами, расположенными вдоль осей симметрии самолета, можно определить углы крена и тангажа без накопления погрешностей из-за отсутствия интегрирующих звеньев [6–9].

Fig. 2. Gradient between sky and earth Рис. 2. Градиент между небом и землей

Недостатком известной пирометрической вертикали является невозможность работы при отсутствии видимой линии горизонта (при полете в глубоких ущельях, тоннелях, городских улицах) и неравномерной тепловой картине на противоположных сторонах самолета (например, при лесном пожаре справа, слева – холодное море) [10; 11]. В первом случае пирометрическая вертикаль вообще не сможет функционировать, во втором случае произойдет значительная погрешность в определении углов крена и тангажа (рис. 3).

Fig. 3. Location of pyrometric sensors

Рис. 3. Расположение пирометрических датчиков

Техническая задача. Техническая задача предлагаемого устройства заключается в расширении возможностей пирометрической вертикали путем добавления контроля точности углов, рассчитываемых пирометрической вертикалью, и вычисления углов тангажа и крена при отсутствии видимой линии горизонта или неравномерной тепловой картине [12– 14].

Техническая задача решается следующим образом: в пирометрическую вертикаль, содержащую четыре пирометра, размещенных на печатной плате перпендикулярно в одной плоскости, дополнительно вводится двух- или трехосный неклинируемый независимый от пирометров датчик угловой скорости, ось чувствительности которого параллельна осям симметрии летательного аппарата, а сам датчик угловой скорости располагается в центре масс летательного аппарата с возможностью контроля точности углов крена и тангажа, рассчитываемой по показаниям только пирометров углов крена и тангажа, и расчета углов крена и тангажа только по показаниям ДУС в течение ограниченного времени, когда углы крена и тангажа считаются неверными. В неблагоприятных для пирометрической вертикали условиях становится возможным моментально поменять способ расчета углового положения с пирометрической вертикали на датчик угловых скоростей (ДУС), используя последнее корректное значение пирометрической вертикали в качестве начальных значений углов крена и тангажа, а также определение наличия неблагоприятных условий по показаниям ДУС.

Fig. 4. Location of pyrometric sensors with angular velocity sensor

Рис. 4. Расположение пирометрических датчиков совместно с датчиком угловой скорости

Полезная модель проиллюстрирована чертежами (рис. 4), где показана структурная схема пирометрической вертикали с неработоспособными ДУС. Предлагаемое устройство содержит печатную плату 1 , на которой перпендикулярно друг другу в одной плоскости расположены четыре пирометра 2 (печатная плата 1 установлена на летательном аппарате так, что направление осей чувствительности пирометров параллельно осям симметрии летательного аппарата), а также двух- или трехосный ДУС 3 , расположенный в центре масс летательного аппарата с направлением осей чувствительности параллельно осям симметрии летательного аппарата. Пирометры и ДУС подключены к компьютеру 4 .

Заявляемое устройство работает следующим образом. В нормальном режиме расчет углов крена и тангажа происходит с использованием только показаний пирометров 2 . В течение всего полета непрерывно измеряются углы крена и тангажа по показаниям пирометров 2 , составляющих пирометрическую вертикаль, и ДУС 3 , происходит накопление последних образцов в ОЗУ компьютера 4 и сравнение этих показаний (см. рис. 4).

Выполнение неравенств показаний приборов означает, что показания пирометрической вертикали и независимых ДУС на последнем измерении коррелированы и пирометрическая вертикаль работает правильно. При этом φg углу тангажа ДУС присваивается значение угла тангажа пирометрической вертикали, а углу крена ДУС – значение угла крена пирометрической вертикали и отсчет углового положения ДУС начинается каждый раз заново от последнего значения, определенного пирометрической вертикалью. Таким образом, осуществляется непрерывный контроль точности углов, выдаваемых пирометрической вертикалью. Вместе с отсутствием накопления ошибок интегрирования, это обеспечивает увеличение надежности и универсальности предлагаемого устройства по сравнению с известными [15].

В случае невыполнения неравенств присвоения углов не происходит. Если неравенства не выполняются заданное конструкцией количество раз подряд, то условия работы пирометрической вертикали считаются неблагоприятными и задача расчета углов крена и тангажа полностью смещается к ДУС, путем интегрирования показаний которых получены текущие углы крена и тангажа относительно их последних правильных значений. Переключение на ДУС также возможно обеспечить по команде пилота самолета или оператора БПЛА. Значения остальных параметров подбираются индивидуально для используемого самолета и автопилота.

Наиболее распространенные в настоящее время ДУС имеют собственный уход в диапазоне 0,33 градуса в мин. Самолеты, в зависимости от компоновки, способны поддерживать стабилизацию с погрешностями углов крена и тангажа от 1 (для несамостабилизирующихся аэродинамических схем) до 5 (для самостабилизирующихся аэродинамических схем) градусов. Таким образом, при накоплении погрешностей в определении углов крена и тангажа на уровне 0,33 градуса в мин., воздушное судно может продолжать устойчиво летать, используя показания неработоспособной ДУС в течение времени от 3 до 15 мин., что позволяет не только выйти из неблагоприятной для работ пирометрической вертикальной зоны, но и выполнять кратковременные полеты в ущельях, тоннелях и на городских улицах.

Условием возврата к стабилизации самолета по показаниям пирометрической вертикали является выполнение неравенств несколько раз подряд.

При возвращении к стабилизации по показаниям пирометрической вертикали значения углов крена и тангажа сбрасываются, а угловое положение на ДУС, как и прежде, начинается заново с последнего корректного значения, определяемого пирометрической вертикалью, что позволяет многократно использовать управление ДУС без накопления ошибок интегрирования.

Таким образом, совокупность атрибутов устройства, реализация которых может быть выполнена, позволяет расширить функциональные возможности пирометра по вертикали при отсутствии видимой линии горизонта или неравномерной тепловой картине путем введения контроля точности, рассчитываемой по показаниям только пирометров углов крена и тангажа, и расчета углов крена и тангажа только по показаниям ДУС в течение ограниченного времени, когда углы крена и тангажа пирометров признаются некорректными.

Заключение. В данной работе была рассмотрена информационно-измерительная система пирометрического типа для малоразмерного беспилотного летательного аппарата. Преимущества использования такой системы обусловлены недостатками системы ориентации для определения углового положения БПЛА относительно опорной системы координат.

Подход использования пирометрических датчиков поможет существенно улучшить точности определения угловых координат БПЛА.