Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика

Во всем мире беспилотные летательные аппараты (БЛА) играют все большую роль в оборонных программах и оборонной стратегии. Технологические до-стижения дали возможность развитию как крупных (например Global Hawk,Predator), так и малых беспилотных летательных аппаратов (например Wasp,Nighthawk) со все возрастающими возможностями. Как показали последние военные конфликты, для беспилотных летательных аппаратов существует мно-жество военных областей применения, включая рекогносцировку местности,наблюдение, оценку повреждений в результате боя и ретрансляцию связи. Гражданское и коммерческое применение беспилотных летательных аппа-ратов (БЛА) еще недостаточно хорошо развито, хотя область потенциальногоприменения БЛА весьма обширна и включает в себя мониторинг окружающейсреды (мониторинг загрязнений, наблюдение за погодой и решение научных за-дач), мониторинг лесных пожаров, обеспечение национальной безопасности, патрулирование границ, препятствование ввозу наркотиков, воздушную развед-ку и картографирование, а также контроль дорожного движения, точное земле-делие, оказание помощи при стихийных бедствиях, специализированные сети связи, исследования в области сельского хозяйства и спасение пострадавших. Для обеспечения необходимого уровня решения многих из вышеуказанных за-дач требуются повышение надежности беспилотных авиационных комплексов (БАК), дальнейшее развитие потенциала БАК, БЛА, повышение простоты экс-плуатации и снижение стоимости таких комплексов. Помимо этих технических и экономических проблем предстоит еще преодолеть административные проб-лемы интеграции беспилотных летательных средств в национальное и междуна-родное воздушное пространство. Термин «беспилотные авиационные комплексы» (БАК) относится не только ксамим летательным аппаратам, но также ко всему вспомогательному оборудо-ванию, используемому в системе, включая датчики, микроконтроллеры, про-граммное обеспечение, компьютеры наземных станций, пользовательские ин-терфейсы и аппаратные средства связи. В этой книге акцент делается на самилетательные аппараты и их управление, навигацию и подсистемы управления. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) можно в целом разделить на две категории: с неизменяемой геометрией крыла и винтокрылые летательные ап-параты. Оба типа летательных аппаратов имеют отличительные особенности,которые затрудняют расчет их автономного поведения. В книге обращается внимание исключительно на летательные аппараты с неизменяемой геомет-рией крыла, которые можно в первом приближении разбить на категории по их размерам. В книге будет использоваться термин «малые БЛА» в отношениикласса аппаратов с неизменяемой геометрией крыла с размахом крыльев от 5до 10 футов (от 1,5 до 3 метров). Малые БЛА обычно работают на бензиновом двигателе и нуждаются во взлетно-посадочной полосе для взлета и посадки, хотя БЛА ScanEagle компании «Боинг», использующий катапульту для взлетаи «крюк-подвес» для захвата и посадки, является заметным исключением. Ма- лые БЛА обычно предназначены для выполнения полетов продолжительно-стью от 10 до 12 часов при грузоподъемности от приблизительно 10 до 50 фун-тов (от 5 до 23 кг). Термин «миниатюрный БЛА», в отношении которого будет использоваться сокращение мини-БЛА (МБЛА) и которое будет обозначать класс летательныхаппаратов с неизменяемой геометрией крыла,размах крыльев которых не превышает 5 футов (1,5 м). Мини-БЛА (МБЛА) обычно работают на электрическом двигателе (аккумуляторах), запускаются с руки оператора, осуществляют посадку на фюзеляж и поэтому не нуждаются во взлетно посадочной полосе.Они предназначены для работы (выполнения полета) в течение определенного периода времени от 20 минут до нескольких часов. Диапазон грузоподъемно-сти составляет от нескольких унций до нескольких фунтов (от сотен грамм до нескольких килограмм). Малая грузоподъемность сильно ограничивает пере-чень датчиков и тип вычислительного устройства, которые могут быть уста-новлены на борту мини-БЛА (МБЛА). Эти ограничения ставят перед разра-ботчиками интересные проблемы по проектированию автономных режимов работы. В то время как большинство концепций, описанных в этой книге, применимы как к более крупным беспилотным летательным аппаратам, так и к еще более маленьким микро-БЛА, основное внимание в книге уделено проблемам, которые присущи управлению малыми БЛА и мини-БЛА с огра-ниченной грузоподъемностью. Этот учебник был вдохновлен желанием составить для наших студентов магистратуры и аспирантов курс, который бы подготовил их к работе в обла-сти объединенного управления беспилотными летательными аппаратами. Большая часть студентов приходит с базовым образованием в области элект-ротехники, компьютерной техники, машиностроения или информатики. И только лишь немногие из них прошли подготовку по аэродинамике; сту-денты же, получившие подготовку по электротехнике и компьютерной тех-нике, обычно не имеют подготовки по кинематике, динамике или механике жидких сред. Однако большая часть студентов прошли подготовку по сигналам и системам, системам управления с обратной связью, робототехнике и машинному зрению.Существует большое количество учебников, посвященных динамике лета-тельных аппаратов и их управлению; однако почти все из них предполагают наличие у студентов базовых знаний в области аэронавтики, но отсутствие представления об управлении с обратной связью. Поэтому такие учебники,как [1, 2, 3, 4, 5, 6] приводят описание аэродинамических сил без основопола-гающих идей механики жидких сред и аэронавтики. С другой стороны, они обычно включают подробное введение в принципы управления с обратной связью, такие как корневой годограф. Учебник [7] в большей степени соответ-ствует тому, чему будут учить студентов, но акцент в этом учебнике делается на системы повышения устойчивости, в отличие от автономной работы. Авто-номная работа требует больше чем простой автопилот; она требует осуществ-лять автономные взлет и посадку, расчет траектории полета и последующее удержание этой траектории, которые объединены с процессами более высоко-го уровня принятия решений. Насколько известно, других учебников, которые бы охватывали вопросы моделей динамики летательных аппаратов, разработки автопилота (решающего задачи «низкого уровня» — low level), оценки состоя-ния БЛА, а также расчета траектории полета (задачи «высокого уровня» —high level), в настоящее время нет. Возможно, что этот учебник восполнит этот пробел. Целевой аудиторией этого издания являются студенты, которые прошли подготовку в области электротехники, компьютерной техники, машиностроения и информатики и прослушавшие вводный курс по системам управления с обратной связью или робототехнике. Этот учебник будет также интересен для инженеров курсе в автономные системы.При написании этой книги планировалось изложить материал в 13 главах,каждая из которых охватывала бы три одночасовые лекции, так чтобы содержимое книги удобным образом укладывалась бы в курс из одного семестра. Несмотря на то, что некоторые главы оказались длиннее, чем первоначально планировалось, опыт подсказывает, что весь материал в этой книге может уложиться в один семестр. Дополнительный материал позволит обеспечить преподавателю некоторую степень свободы действий в освещении тех вопросов,которые они охватывают. Одной из характерных особенностей этой книги является подключение опытно-конструкторских разработок. Курс рассчитан на постепенный переход от домашних заданий, которые можно выполнить с помощью карандаша и бумаги, к заданиям по компьютерному моделированию. Обнаружилось, что студенты в большей степени заинтересованы в изучении материала и стараются его лучше понять, когда они применяют определенные концепции в компьютерном моделировании. В процессе изучения этого курса студенты разрабатывают комплексный имитатор полета, который имеет реалистичную динамику полета, модели датчиков, модель автопилота и расчет траектории полета. К концу обучения по этому курсу они уже могут приспособить каждый элемент мозаики и поэтому понимают, как все эти элементы складываются воедино. Кроме того, студенты уже понимают внутренние механизмы довольно сложного пакета моделирования полета, который может быть использован в их будущих исследовательских проектах. Упражнения по проектированию первоначально были разработаны для использования языка программирования C/C++,требующего от студентов про-фессиональных навыков программирования. Порой это создавало нежелательные трудности как для преподавателя, так и для студентов. Впоследствии упражнения по проектированию поменялись так чтобы они выполнялись в среде программирования Matlab/Simulink. Это позволит студентам сфокусироваться более целенаправленно на ключевых аспектах, связанных с МБЛА, а не на деталях программирования. Приложения дают дополнительную информацию, описывающую основные инструменты Matlab/ Simulink, которые будут использоваться при разработке модели МБЛА. Эта книга имеет также соответствующий веб-сайт, содержащий основные файлы моделирования, которые помогут читателю в осуществлении проекта.