Модифицированная система управления БПЛА «ГрАНТ»

Современные беспилотные летательные аппараты (БПЛА), оснащённые двигателями внутреннего сгорания (ДВС), подвержены интенсивным вибрационным воздействиям, обусловленным работой кривошипно-шатунного механизма (КШМ) [1]. Механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема центрального и смещённого КШМ Источник: [1].

Модифицированная система управления БПЛА «ГрАНТ»

Наиболее дестабилизирующим видом являются крутильные колебания, возникающие относительно оси коленчатого вала и строительной оси фюзеляжа, которые передаются от ДВС на несущие конструкции и бортовые измерительные комплексы. Это приводит к снижению точности инерциальных сенсоров, деградации качества изображения от оптико-электронной полезной нагрузки и ускоренному износу крепёжных соединений. В том числе крутильные колебания могут угрожать прочности коленчатого вала: если частота вынужденных крутильных колебаний совпадает с частотой собственных свободных колебаний коленчатого вала, то возникает резонанс колебаний, который может привести к сильному увеличению амплитуды крутильных колебаний вала и его поломке [2].

Влияние подобных колебаний может проявляться трёх ключевых аспектах:

• 1)    деградация точности инерциальных измерителей – вибрации вызывают шум в сигналах акселерометров и гироскопов, что ведёт к дрейфу оценки угловой ориентации и увеличению ошибки интегрирования в фильтре Калмана;

• 2)    снижение ресурса конструкции – усталостное разрушение крепёжных узлов, тре-щинообразование в композитных элементах планера [3];

• 3)    ухудшение качества данных от полезной нагрузки (ПН) – в случае применения стабилизированных платформ с оптико-электронными датчиками (ОЭП) наблюдается дрожание кадра, снижение резкости и эффективности алгоритмов автоматического распознавания, в том числе с видеокамер, тепловизоров, гиростабилизированных платформ [4].

Традиционные методы виброзащиты – резинометаллические амортизаторы, упругопластические втулки – эффективны преимущественно против линейных (поступательных) колебаний, но слабо справляются с крутильной составляющей [5].

Для устранения описанных проблем предложены технические решения, направленные на снижение вибраций. В частности, в патенте [6] описан механический демпфер низкоамплитудных колебаний с вращательными парами трения. Его конструкция сложна в изготовлении и регулировании усилия, а движение демпфера происходит по дуге большого радиуса, что не обеспечивает селективного подавления по степени свободы. Это выделяет настоящую разработку, предложенную в [7], применяемую в рассматриваемой системе управления БПЛА, так как данная реализация лишена подобных технических и эксплуатационных недостатков. Другое известное решение – амортизатор для передачи вращательного момента, описанный в [8]. Он практически не обеспечивает возможности регулирования усилия противодействия крутильным колебаниям, поскольку оно определяется свойствами материала упругопластических втулок, что делает систему чувствительной к изменениям режимов работы ДВС и геометрии конкретного аппарата.

С учётом описанных наблюдений в настоящих условиях актуальной является разработка простой конструкции устройства снижения вибраций, обеспечивающей возможность оперативного регулирования усилия противодействия крутильным колебаниям в зависимости от конструкции фюзеляжа БПЛА, места установки ДВС и режимов его работы.

Технической задачей , рассматриваемой в настоящей статье, является разработка и экспериментальная верификация архитектуры модифицированной системы управления БПЛА типа «ГрАНТ», центральным элементом которой выступает устройство, существенно снижающее вибрации и их передачу от ДВС на фюзеляж БПЛА и систему авто-

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление». 2026. № 2

матического управления, снижение влияния вибрационных помех на формирование изображения полезной нагрузки. Предъявленная модификация должна иметь возможность интегрирования в состав системы управления БПЛА типа «ГрАНТ» и подтверждать свою эффективность в рамках комплексных испытаний. В частности, конструкция устройства должна быть проста и надежна в эксплуатации, иметь регулируемое упругое противодействие для настройки демпфирующих свойств, а также возможность вращательного движения силовой установки относительно фюзеляжа в ограниченном секторе. Ожидаемый технический результат – снижение уровня вибраций, передаваемых на автопилот и ПН, что должно обеспечить повышение точности стабилизации и качества получаемой информации с компонентов системы.

Описание внедряемого устройства

Разработанное устройство снижения вибраций, включаемое в систему управления БПЛА типа «ГрАНТ», содержит первую (внутреннюю) деталь кольцевой формы, выполненную с возможностью закрепления на ней двигателя внутреннего сгорания, и вторую (внешнюю) деталь кольцевой формы, выполненную с возможностью закрепления к фюзеляжу беспилотного летательного аппарата. Детали соединены пружинами растяжения, а также снабжены средством регулирования натяжения этих пружин. Первая деталь выполнена с возможностью вращательного перемещения относительно второй детали (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Вид спереди на ДВС, установленный с помощью устройства снижения вибраций Источник: [7].

Устройство дополнительно включает ролики, закреплённые на первой детали и выполненные с возможностью перемещения по внутренней кольцевой поверхности второй детали. Количество роликов составляет не менее трёх; в частном случае ролики могут быть выполнены в виде подшипников качения.

Средство регулирования натяжения пружины включает ось, выполненную с возможностью сцепления с пружиной растяжения и помещённую в сквозное отверстие болта, а также регулировочные гайки. Поворот болта позволяет изменять силу натяжения пружины без демонтажа устройства (см. Рисунок 3).

Модифицированная система управления БПЛА «ГрАНТ»

Рисунок 3 . Вариант исполнения средства регулирования натяжения пружины Источник: [7].

Для удержания роликов устройство снабжено запорным кольцом, закреплённым ко второй детали; в частном случае запорное кольцо может быть выполнено как одно целое со второй деталью.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Вторая деталь неподвижно закрепляется к фюзеляжу БПЛА, а ДВС – к первой детали. При возникновении колебаний во время полёта двигатель имеет возможность поворота совместно с первой деталью относительно второй детали за счёт перемещения роликов по внутренней дуге окружности второй детали. Средство регулирования натяжения пружин обеспечивает возможность изменения угла возможного поворота двигателя относительно фюзеляжа, пружины при этом обеспечивают рассеивание энергии крутильных колебаний, возникающих в связи с работой ДВС.

Таким образом, достигается эффективное снижение передачи вибраций, в особенности крутильных колебаний, от ДВС на фюзеляж БПЛА и его систему автоматического управления, а также улучшение качества изображения, получаемого с полезной нагрузки БПЛА.

Математическое моделирование

Рассмотрим систему как двухмассовую упруго демпфированную структуру, где опре- делим:

• 1)    J ₁ – момент инерции двигателя с внутренним кольцом;

• 2)    J ₂ – приведённый момент инерции фюзеляжа;

• 3)    θ ₁( t ), θ ₂( t ) – углы поворота масс;

• 4)    k – эквивалентную жёсткость пружинной связи;

• 5)    c – коэффициент демпфирования (трение в подшипниках, внутреннее трение в пружинах);

• 6)    M ( t ) – возмущающий момент от ДВС.

Тогда уравнение движения:

У|9| + c(0| ^— 0₂) + ^(6| ^— 0t ) — M (?) j J₂ ^2 ^{- c}(®i “0г)^- ^(®i ^_ 02) ⁼ 0-

Передаточная функция по моменту:

W (s ) =

Ms)_

M (s ) J1 J 2 s4 + (J 1 + J 2 )cs3 + (J 1 + J 2) ks 2‘

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление». 2026. № 2

Резонансная частота:

и = Ik (J 1 + J 2)                                   (3)

• ^r          J 1 J 2

Коэффициент передачи колебаний (КПК):

η(ω) = | W ( i ω)|.                                   (4)

Как показано в [9], активные методы подавления вибраций в электромеханических системах требуют идентификации в режиме реального времени параметров возмущения и обратной связи по состоянию. Предложенное решение, в отличие от этого, реализует пассивную адаптацию за счёт механической регулировки жёсткости, исключая необходимость в датчиках, вычислениях и энергопотреблении.

Приведённая модель носит пояснительный характер и используется для качественного анализа влияния параметров жёсткости и демпфирования на передачу крутильных колебаний; количественная оценка эффективности была реализована экспериментально.

Интеграция в систему управления

Модификация системы управления БПЛА типа «ГрАНТ» была выполнена в рамках разработки резервированного бортового блока управления. Опытный образец автопилота включает следующие основные компоненты:

• •    малогабаритную гировертикаль МГВ-4 (позиционный гироскоп);

• •    блок датчиков угловой скорости и акселерометров, реализованный на основе МЕМС-технологии;

• •    интерфейсы связи RS-232 и I2C;

• •    блок резервирования электропитания на основе диодов Шоттки.

При этом степень резервирования должна составлять не менее 2×. Выполнение приведённого требования обеспечено путём использования двух независимых источников информации о положении БВС в пространстве – позиционного гироскопа МГВ-4 и блока датчиков угловой скорости (ДУС). Кроме того, электропитание резервировано через блок диодов Шоттки, что исключает единую точку отказа по цепи питания.

Система управления поддерживает следующие функции:

• –    возможность адаптации под конкретный тип БВС;

• –    ведение по маршруту;

• –    автоматический взлёт без участия оператора;

• –    автоматическая посадка по глиссаде без участия оператора.

Дополнительно подтверждено выполнение требований:

• •    количество маршрутных точек в памяти устройства – не менее 2500;

• •    количество поддерживаемых полётных заданий – не менее 5;

• •    общая масса комплекса – не более 5 кг;

• •  вид исполнения – набор блоков и устройств, соединённых между собой кабелями

различной длины.

При проведении исследования масса 5 кг была зафиксирована взвешиванием составных частей на электронных весах с ценой деления 1 грамм. Потребляемая мощность при этом не превышает 100 Вт, что подтверждено измерениями с использованием мульти-

Модифицированная система управления

БПЛА «ГрАНТ»

метра и токовых клещей. Температурный диапазон эксплуатации составляет от минус 50°С до плюс 50°С, а тактовая частота процессора – не менее 72 МГц при разрядности не менее 32 бит.

Объекты испытаний

В рамках исследования были проведены комплексные испытания опытного образца, включающие как наземные, так и лётные этапы, с целью подтвердить или опровергнуть выполнение поставленных технических требований, необходимых для вынесения решения об эффективности применения модифицированной системы управления БПЛА в реальных условиях эксплуатации рассматриваемых летательных аппаратов.

Испытания проведены на четырёх типах беспилотных воздушных систем (БВС) с целью подтвердить требование о возможности адаптации под конкретный тип БВС. В частности, в рамках испытания использовались следующие БПЛА разного типа:

• 1)    БПЛА самолётного типа «ГрАНТ-М», колёсное шасси (см. Рисунок 4);

Рисунок 4. БПЛА самолётного типа «ГрАНТ-М Источник: здесь и далее рисунки выполнены автором.

• 2)    БПЛА типа «ГрАНТ-МД» с фазовым интерферометром (см. Рисунок 5);

Рисунок 5. БПЛА самолётного типа «ГрАНТ-МД»

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление». 2026. № 2

• 3)    БПЛА «Нарвал» с вертикальным взлётом и посадкой (см. Рисунок 6);

Рисунок 6. БПЛА самолётного типа с вертикальным взлётом и посадкой типа «Нарвал»

• 4)    мультироторный БПЛА (см. Рисунок 7).

Рисунок 7. БПЛА мультироторного типа «АК-21»

Модифицированная система управления БПЛА «ГрАНТ»

Объём и условия испытаний

Было проведено свыше 70 полётов беспилотных воздушных систем под управлением опытного образца автопилота с учётом условий проведения испытаний, соответствующих установленным требованиям:

• –    скорость ветра – до 12 м/с, в реальных полётах зафиксированы значения порывов ветра до 20 м/с;

• –    атмосферное давление – 530…760 мм рт. ст.;

• –    температура окружающей среды – 15 °С (среднее значение);

• –    высота и дальность полётов – в пределах, установленных лётными характеристиками БВС.

Все полёты проведены в автоматическом режиме без вмешательства оператора на этапах взлёта, маршрута и посадки.

Надёжность

Наработка опытного образца автопилота в лабораторных условиях составила 3554 часа непрерывной работы. В процессе лабораторных и лётных испытаний ни одного отказа не зафиксировано. Полученные результаты позволяют оценить верхнюю границу интенсивности отказов как величину порядка 10–5 на час работы при допущении экспоненциального закона распределения отказов и ограниченного объёма выборки, что соответствует требованиям, предъявляемым к системам данного класса.

Высокий уровень надёжности достигнут:

• –    за счёт аппаратного резервирования (2× по датчикам и питанию);

• –    применения проверенных промышленных компонентов (МГВ-4, МЕМС-ДУС);

• –    энергонезависимой реализации ключевых функций (в том числе пассивного демпфирования вибраций).

Точность наведения и маршрутизации

Выполнение требования ведения по маршруту, которое было представлено ранее в работе, подтверждено анализом телеметрических данных и скриншотов из логов полётов. Боковое отклонение от заданной прямолинейной хорды не превышает установленного предельно допустимого значения, а длина хорды при этом составляет не менее 1 км.

Кроме того, подтверждена работоспособность системы при взаимодействии с внешними системами:

• –    приём коррекций от базовой RTK-станции;

• –    приём данных от локальных корректирующих каналов связи (ЛККС);

• –    взаимодействие с внешними системами навигационной и обзорной поддержки, включая приём данных от систем автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В) и предупреждения столкновений (DAA).

Программное обеспечение

Программный комплекс состоит из отдельных программ, объединённых единым интерфейсом и функционирующих как единое целое. При наличии электропитания система сохраняет работоспособность в режиме 24/7/365.

Вестник Российского нового университета

Серия «Сложные системы: модели, анализ и управление». 2026. № 2

Обсуждение результатов

Внедрение рассматриваемого устройства в систему управления БПЛА типа «ГрАНТ» позволило реализовать энергонезависимое пассивное демпфирование крутильных колебаний без усложнения бортового программного обеспечения и без увеличения энергопотребления. В отличие от активных систем управления вибрациями данное решение не вносит дополнительных отказов, связанных с программными сбоями или отказами исполнительных механизмов.

Результаты испытаний показали:

• 1)    система управления обеспечивает полностью автономное выполнение полётного задания, включая взлёт и посадку;

• 2)    резервирование 2× по датчикам и питанию подтверждено в реальных условиях;

• 3)    отказов не зафиксировано при наработке 3554 часа, что соответствует требуемому уровню надёжности 10^–5;

• 4)    адаптация к различным типам БВС подтверждена более 70 полётами на четырех платформах.

Важно отметить, что устройство снижения вибраций является структурным элементом системы управления в широком смысле, поскольку напрямую влияет на динамику объекта управления – снижает уровень помех в измерительных каналах, повышая помехоустойчивость контуров стабилизации.

Сравнение с прототипами [6; 8] показывает принципиальное преимущество изобретения, заключающееся в решении проблем сложности конструкции и регулирования, а также в возможности осуществления регуляции без демонтажа, что было подтверждено в ходе испытаний.

Заключение

В систему управления БПЛА типа «ГрАНТ» было внедрено устройство снижения вибраций, обеспечивающее пассивное, регулируемое гашение крутильных колебаний ДВС.

В отличие от известных аналогов решение обладает простотой конструкции, возможностью ручной регулировки натяжения пружин без демонтажа и селективностью по степени свободы (вращение вокруг продольной оси).

Результатами комплексных испытаний подтверждено:

• 1)    выполнение автоматического взлёта и посадки без участия оператора;

• 2)    ведение по маршруту с соблюдением требований к точности;

• 3)    резервирование не менее 2× по датчикам и питанию;

• 4)    наработка опытного образца автопилота – 3554 часа без отказов;

• 5)    адаптация к четырём типам БВС.

Вероятность катастрофического отказа оценена на основании результатов наработки и испытаний и соответствует требованиям, установленным в рамках исследования для систем управления БПЛА данного класса.

Предложенная модификация рекомендуется к внедрению в серийное производство БПЛА, оснащённых ДВС.