ВВЕДЕНИЕ 7
1 ПАТЕНТНО-БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ПОИСК 9
1.1 Патентный поиск 9
1.1.1 Общие данные об объекте исследований 9
1.1.2 Основная (аналитическая) часть 9
1.1.3 Задание на проведение патентных исследований 13
1.1.4 Регламент поиска № 1 13
1.1.5 Отчет о поиске 14
1.2 Библиографический поиск 16
1.3 Разработка облика резервной системы ориентации 17
2 ОБЗОР АЛГОРИТМОВ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РЕЗЕРВНОЙ СИСТЕМЫ
ОРИЕНТАЦИИ 19
2.1 Выбор оптимального алгоритма построения резервной системы
ориентации 19
2.2 Численная реализация алгоритмов ориентации ЛА 29
3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ РЕЗЕРВНОЙ
СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ 31
3.1 Выбор инерциальных чувствительных элементов 31
3.2 Выбор контроллера 42
3.3 Разработка алгоритма и расчет точности системы ориентации 43
3.3.1 Инерциальные микросистемы ориентации 43
3.3.1.1 Гироскопическая система ориентации 43
3.3.1.2 Акселерометрическая система ориентации 47
3.3.1.3 Комплексирование гироскопической и акселометрической систем
ориентации 48
4 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ РЕЗЕРВНОЙ
СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ (РСО) 52
4.1 Конструктивное оформление резервной системы ориентации 52
4.2 Макетный образец резервной системы ориентации 59
4.3 Результаты экспериментов РСО 60
4.4 Разработка ПО для контроллера 62
4.5 Разработка ПО для визуализации данных 64
4.5.1 Описание структуры разработанного ПО 65
4.6 Визуализация резервной системы курса и вертикали 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 70
ПРИЛОЖЕНИЯ 72
Технический прогресс в области авиации в связи с развитием современных средств вычисления, хранения, передачи и преобразования информации потребовал нового подхода к объектам изучения авиационного оборудования, а именно к системам индикации пилотажно-навигационной системы, где основу составляют бортовые вычислительные машины.
Современные летательные аппараты оснащены авиационными приборами и автоматами, обеспечивающими непрерывный контроль режима полета и решающими сложные задачи автоматического управления, ориентации и навигации. К этим приборами относятся приборы авиационных силовых установок, пилотажно-навигационные приборы (в том числе гироскопические) и навигационные системы.
Перед пилотом летательного аппарата стоят две основные задачи:
1) точно определять и постоянно знать текущее состояние воздушного судна, включая направление, скорость, высоту, местоположение и скорость изменения каждого из них;
2) быстро и точно управлять воздушным судном, чтобы осуществить изменение этих параметров для достижения желаемого состояния воздушного судна, включая, например, установку или изменение плана движения воздушного судна.
С этой целью системы индикации пилотажно-навигационного комплекса, развернутого на борту летательного аппарата, были тщательно продуманы для визуальной передачи значительного объема информации о полете в интуитивно понятном и легко воспринимаемом виде.
Однако, безопасность управления летательным аппаратом не может быть обеспечена при использовании только одного комплекта навигационных приборов. Поэтому, применяется резервирование - метод повышения надежности путем введения избыточности.
При выходе из строя основного бортового оборудования необходимо продолжать процесс пилотирования самолета до ближайшего аэродрома. Эта
7
задача может быть решена на основе резервной системы ориентации, построенной с применением технологии МЭМС.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.
В связи с тем, что в настоящее время, перспективы современного приборостроения главным образом связаны с созданием устройств, обладающих малыми массой, габаритными размерами, энергопотреблением и себестоимостью, но при этом обеспечивающих необходимую точность в установленных пределах, МЭМС стали широко использоваться в системах индикации пилотажно-навигационной информации.
В связи с этим целью работы является: разработка резервной системы ориентации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Патентно-библиографический поиск;
2. Расчет параметров и выбор элементов резервной системы ориентации;
3. Написание программного обеспечения для системы ориентации;
4. Конструктивное оформление резервной системы ориентации;
5. Разработка макетного образца резервной системы ориентации.
В ходе выполнения работы для достижения поставленной цели был проведен патентно-библиографический поиск, на основе которого разработан облик резервной системы ориентации. Также для достижения поставленной цели был проведен ряд исследований различных алгоритмов построения резервной системы ориентации, в ходе которого было установлено, что применение параметров Родрига-Гамильтона (кватернионов), как сигналов управления, позволяет получить не только устойчивое управление угловым движением ЛА, но и в ряде случаев достаточно близкое к оптимальному управление.
В ходе решения задачи, касающейся разработки резервной системы ориентации был проведен выбор элементной базы, входе которого было выяснено, что для реализации системы в с соответствии заданными требованиями, предпочтительнее использовать технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).
Однако, не смотря на то, что (МЭМС) обладают малыми массой, высокой помехозащищенностью, автономностью и надежностью у них есть ряд недостатков. МЭМС гироскоп имеет значительный недостаток, называемый дрейфом нуля, суть которого сводится к тому, что при остановке вращения гироскопа он все еще будет показывать значение отличное от нуля. У акселерометра же недостаток заключается в том, что он обладает высокой чувствительностью к внешним воздействиям, что будет вносить ошибку в вычисление угла наклона. Таким внешним воздействием может быть вибрация летального аппарата, ветер или тяга двигателей.
Таким образом, в ходе работы было установлено, что для оптимальной и правильной работы системы ориентации необходима реализация комплементарного фильтра, заключающаяся в том, чтобы с помощью показаний акселерометра устранить (сгладить) дрейф нуля гироскопа и ошибки дискретного интегрирования.
После выбора элементной базы было осуществлено конструктивное оформление резервной системы ориентации. Исходя из технического задания на роботу в качестве управляющего устройства был выбран контроллер “Arduino NANO”, а в качестве среды разработки визуальной составляющей системы - открытая среда программирования на базе “Processing”.
После установки электронных компонентов в корпус резервной системы ориентации (РСО) были проведен ряд испытаний с целью выявления реальных характеристик системы.
Результаты экспериментов показали, что точность по углам тангажа и крена в прямолинейном полете с постоянной скоростью (среднее квадратическое отклонение (СКО)) составила ±0,03°, смещение нуля по углу тангажа составляет -0,663°, а по углу крена -1,732-10’3°, время прихода системы из завалов по углам тангажа и крена составляет семь секунд, что полностью удовлетворяет поставленной задаче.
Исходя из проведенных в работе экспериментов, можно сделать вывод о том, что использование технологий МЭМС и программного обеспечения на базе “Processing” позволяют достаточно простым и дешевым способом разработать резервную систему ориентации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
