Использование ГННС технологии для определения пространственного местоположения беспилотного летательного аппарата. Часть 4

Страницы: 1 2 3 4 5

---

3.5 Порядок реализации системы на основе ГНСС технологии

Полученная модель реализации системы на основе ГНСС технологии проходит испытания и модернизируется в зависимости от изменения тех или иных параметров и в ходе общей разработки самого БПЛА согласно схеме изображенной на рис. 21.

В имитационную модель были загруженные поочередно реализации на ОСРВ и программных прерываниях.

При работе с ОСРВ не возникло никаких проблем с асинхронностью, так же работа на физических моделях по отдельности дало весьма хорошие результаты в виду удобства программирования и небольшом количестве задач физической модели.

При работе же с имитационной моделью возникли некоторые особенности, такие как переполнение стека.  На рис. 21 изображен график увеличения размера стека в зависимости от времени работы. Из графика, сгенерированного из данных полученных монитором стека видно, что с начала загрузки тестирующей программы стек заполняется полностью. Это приводит к отказу и нестабильной работе системы.

Рис. 21. График изменения загружаемой памяти в стек в зависимости от времени.

Для исправления вышедшей ситуации было принято решение изменить размер стека до максимального и дальнейшее его уменьшение до оптимального размера в зависимости от нужного размера. На рис 22 изображен график полученный при оптимизации.

Рис. 22. График изменения загружаемой памяти в стек в зависимости от времени и метки уменьшения размера стека, а также работы программы после оптимизации

 

Для наглядности картины были удалены некоторые промежуточные значения. После загрузки тестовой программы были отключены модули, которые не нужны для работы во время выполнения полетного задания, далее с наземной станции было загружено полетное задание и запущены подсистемы полета, после полученные данные проанализированы и задан максимальный размер стека, который обеспечит нормальное выполнение полета и не перегрузит систему.

При работе с программными прерываниями проблем с перегрузкой памяти не возникло. По показателям, полученным со стендовой модели при работе отклик ответа по запросу на стабилизацию и обработку команд составил около 15мс в отличии от операционной системы где запрос того же рода выполняется в рамках 20 – 30мс.

3.6 Структурная схема программных модулей

Запуск программного комплекса осуществляется открытием исполняемого файла программы на языке C# в файле с именем projectSTART.exe. После запуска исполняемого файла запускается стартовая форма авторизации EnterForm После идентификации пользователя перед пользователем появится главное окно программы. На главном окне расположены 3 вкладки (Рис. 23). Вкладка «Исходные данные» — в данной вкладке предоставляется возможность изменения характеристик БЛА, а также значений внешних условий.

Рис. 23

После ввода значений пользователю необходимо сохранить изменения нажатием на кнопку «Сохранить», в нижней части вкладки «Исходные данные» и перейти на вкладку «Моделирование». При попытке перейти на вкладку «Моделирование» без предварительного сохранения пользователю отображается сообщение.

Вкладка «Моделирование» — в данной вкладке пользователь проводит моделирование взлета БЛА с данными, заданными в вкладке «Исходные данные».»

При нажатии кнопки «Моделирование» производится моделирование взлета беспилотного летательного аппарата. Красным цветом отмечен участок траектории полета БЛА со стартовым двигателем (СД), синим цветом отмечен участок траектории полета БЛА после сброса СД (Рис. 24). При нажатии кнопки «Показать анимацию» демонстрируется анимированное построение кривой взлета БЛА. При нажатии кнопки «Стереть» происходит сброс моделирования. (Рис. 25).

Рис. 24

Рис. 25

Таблица промежуточных результатов. (Рис. 25). В данной таблице отображаются промежуточные данные взлета БЛА, разбитые на 3 этапа:

1 этап — проход БЛА по направляющим МПУ.

2 этап — полет БЛА до сброса ускорителя.

3 этап — полет БЛА после сброса ускорителя до момента отрицательного угла тангажа.»

Модель — номер моделированного взлета.

Этап — номер этапа, при взлете БЛА.

Время — показатель времени на момент окончания этапа (с)»

Скорость — показатель скорости БЛА на момент окончания этапа (м/с)»

Угол — угол наклона БЛА к горизонтальной оси (градус)»

Координата Х — перемещение БЛА по горизонтальной оси (м)»

Координата Y — перемещение БЛА по вертикальной оси (м)»

Пользователь имеет возможность изменения значений угла наклона направляющих МПУ, а также температуры окружающей среды (Рис. 26)

Рис. 26

Программный комплекс позволяет отображать результаты множественного моделирования взлета БЛА. Изменим значение угла наклона направляющих МПУ (Рис. 27). С помощью графика представления возможно наблюдать разницу между разными моделями взлета БЛА (Рис. 28).

Рис. 27

Таблица промежуточных результатов вмещает в себя результаты всех произведенных моделей.  Таким образом возможно отслеживать показатели БЛА на каждом этапе (Рис. 29).

Программный комплекс также предусматривает возможность появления препятствия (горная местность, лесополоса, и т.д.) на пути взлета беспилотного летательного аппарата. Предположим, что мы знаем характеристики препятствия, такие как высота(м) и расстояние до препятствия (м). Введем полученные данные в поля блока «Задать значение внешних условий» (Рис. 30)

Рис. 28

Рис. 29

Рис. 30

После нажатия кнопки «Моделировать», введенные координаты препятствия отобразятся на графике представления красно-темным цветом (Рис. 31), но, перед этим, пользователь получит сообщение об удачном или неудачном взлете БЛА (Рис. 32).

Рис.31

Рис. 32

Как видим из Рис. 32 для увеличения высоты полета беспилотного летательного аппарата необходимо переместить мобильную пусковую установку дальше от препятствия, либо увеличить угол наклона направляющих МПУ. Произведем оба совета программного комплекса. Произведем передислокацию мобильной пусковой установки на 100 метров далее от препятствия. Введем новые данные (Рис. 33). После сохранения изменений попробуем снова произвести моделирование взлета. Для этого перейдем на вкладку «Моделирование», отчистим результаты предыдущего моделирования нажав кнопку «Стереть». Далее нажмем кнопку «Моделировать». Пользователь получает уведомление от системы об успешном взлете БЛА (Рис. 35). Результирующий график представления приведен на рисунке 36.

Рис. 33

Рис. 34

Рис. 35

Комплекс программ «СТАРТ» предлагает возможность анализировать полученный график представления путем масштабирования. Увеличим график представления. Для этого левой кнопкой мыши необходимо выделить область масштабирования как показано на рисунке 36.

Рис. 36

Результат масштабирования КП «СТАРТ» показан на рисунке 37. Таким образом, можно убедиться, что беспилотный летательный аппарат обойдет препятствие на безопасном от него расстоянии.

Рис. 37

Рис. 38

Рис. 39

Перейдем во вкладку «Результаты». Попытка перейти во вкладку «Результаты» без предварительного моделирования взлета запрещается программой. Пользователь получит уведомление следующего содержания (Рис. 30).

Воспользуемся конфигурацией предыдущего примера (произведем моделирование с препятствием) перейдем во вкладку «Результаты» (Рис. 40).

Во вкладке «Результаты» пользователю отображается превью конечного результата работы программы, который необходимо сохранить. В верхней части программы расположена кнопка «Сохранить в файл», изображается ФИО пользователя текущей сессии, дата проведения моделирования, а также дублирующий график представления. В нижней части программы пользователю отображаются «Исходные данные» — таблица исходных данных, введенных пользователем, а также «Таблица промежуточных результатов» — таблица, содержащая поэтапные данные моделирования взлета БЛА с конечным результатом (Рис. 40).

После нажатия кнопки «Сохранить в файл», система уведомит пользователя об успешном сохранении данных..

Рис. 40

Сохраненные данные располагаются в корне проекта по пути «/modeling/result.txt», график сохранен отдельно в виде изображения в формате .png по пути  «/modeling/ graphic»

Рис. 41

На рисунках 42 и 43 изображены итоговый файл result.txt и graphic.png. Функционал работы КП «СТАРТ» на данном этапе заканчивается.

ГЛАВА 4. ИСПЫТАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУЧННОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ГНСС ТЕХНОЛОГИИ

4.1 Анализ результатов при работе на модели ОСРВ и программных прерываний

Приведем данные и характеристики одного из беспилотных авиационных комплексов и дополнительные расчетные соотношения, используемые при моделировании входящего в его состав БЛА.

Взлетная масса рассматриваемого БЛА:

Площадь крыла БЛА:

Балансировочный угол атаки БЛА:

Значение коэффициента А в выражении для

Эмпирические коэффициенты в формулах силы сопротивления и подъемной силы БЛА:

Масса корпуса стартового двигателя(СД):

Масса заряда СД:

Массовая скорость горения заряда:

Время работы СД:

Сила тяги СД:

Угол поворота сопла СД:

Максимальная сила тяги маршевого двигателя БЛА:

Угол установки маршевого двигателя БЛА:

Предельные значения угла наклона направляющих МПУ:

Коэффициент трения скольжения бугелей БЛА по направляющим МПУ(«сталь-сталь»):

Длина хода БЛА по направляющим МПУ при его старте:

Интервал температур  эксплуатации БЛА:

Значения параметров плотности воздуха при температуре  в выражении (8):

Зависимость плотности воздуха от высоты и температуры:

где  – вычисляется по формуле (2.1), y – высота полета БЛА, е – число Эйлера.

Значения коэффициентов  и  в зависимости скорости от высоты y(t) полета БЛА (см. выражения (7) (13)):

– скорость звука при температуре  на уровне поверхности Земли;

– скорость звука при температуре   ;

Обозначения в КП «СТАРТ» тестовых примеров.

1. = ;
7. — масса стартового двигателя(СД)
8. — скорость горения заряда в СД
9. —  скорость БЛА; в момент времени t,
10. — угол наклона траектории,
11. — дальность полета БЛА,
12. – высота полета БЛА.
13. — сила трения бугелей БЛА по направляющим МПУ в момент времени t.
14. Начальные условия при интегрировании систем дифференциальных уравнений задаются как:
15. Правые части решаемых систем дифференциальных уравнений с учетом обозначений пп. 9-12 задаются как:

4.2 Испытания системы на имитационной моделе

Произведем моделирование движения беспилотного летательного аппарата по направляющим мобильной пусковой установки с углом наклона  при температуре , а также с углом наклона  при температуре .

Комплекс программ автоматически переводит значения углов наклона направляющих МПУ, стартового и маршевого двигателей в радианы:

Начальные данные, а также математические формулы расчета приведены ниже.

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 12

Таблица 12

 

По образу и подобию произведем моделирование движения беспилотного летательного аппарата по направляющим мобильной пусковой установки с углом наклона  при температуре .

4.3 Проведение численных экспериментов

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 13.

Таблица 13

Произведем моделирование полета беспилотного летательного аппарата после схода с направляющих мобильной пусковой установки с углом наклона  при температуре , а также с углом наклона  при температуре .

Комплекс программ автоматически переводит значения углов наклона направляющих МПУ, стартового и маршевого двигателей в радианы:

Начальные данные, а также математические формулы расчета приведены ниже.

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 14.

Таблица 14

 

По образу и подобию произведем моделирование полета беспилотного летательного аппарата после схода с направляющих мобильной пусковой установки с углом наклона  при температуре .

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 15

Таблица 15

 

Произведем заключительный этап моделирования взлета БЛА, а именно моделирование полета беспилотного летательного аппарата после сброса стартового ускорителя с начальным углом наклона  при температуре , а также с начальным углом наклона  при температуре .

Комплекс программ автоматически переводит значения углов наклона направляющих МПУ, стартового и маршевого двигателей в радианы:

Начальные данные, а также математические формулы расчета приведены ниже.

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 16.

Таблица 16

 

По образу и подобию произведем моделирование полета беспилотного летательного аппарата после схода с направляющих мобильной пусковой установки с углом наклона  при температуре .

Результаты вычисления системы с помощью комплекса программ «СТАРТ» представлены в таблице 17

Таблица 17

 

4.4 Дальнейшее развитие проекта

БПЛА с загруженной в него системой управления смог оторваться от земли и провести испытательный полет в вертолетном режиме. Из полученных результатов можно сделать вывод что при использовании системы управления, реализованной на ОСРВ мы сталкиваемся с задачей правильного распределения памяти и ресурсов что присуще почти всем подобным проектам, реализованных на микроконтроллерах. Реализация же на программных прерываниях даёт более лёгкий и быстрый по выполнению код, но реализация программных прерываний более сложная для написания. Это обусловлено пока не до конца сформировавшейся базой библиотек для работы с данной моделью реализации. Дальнейшая работа над данной парадигмой приведет к набору достаточной библиотеки.

Проведенные испытания и опыт полученный при разработке системы позволил сделать следующие выводы:

• При разработке не хватило нормальной исследовательской базы для получения нормальных характеристик по коэффициентам, передаваемым на автомат перекоса.
• Автомат перекоса является сложной механической системой подобной ближе к робототехнике и требует проведения исследований именно в этой области, нежели авиационной, это обусловлено тем что мы должны управлять подобной системой с помощью вычислителей и микропроцессорных систем как это происходит в робототехнике.
• При проведении испытаний на имитационной модели получаются в основном статические характеристики, получение динамических характеристик пока является затруднительным.

Хорошим выходом из ситуации является, возможно, применение таких технологий как гибридная симуляция и моделирование работ на высокопроизводительных вычислительных системах.

В таком случае модель проектирования получит следующий вид изображенный на рис. 44.

Рис. 44. Модель разработки с применением симуляции

Так же есть возможность описать систему управления в виде симуляции. Поэтому, возможно создать систему подготовки подобной БАС до испытания модели.

Стоит отметить, что при использованном автомате перекоса без обратной связи было затруднительно вводить коэффициенты перед испытанием непосредственно в прошивку после каждой регламентной работы связанной с тягами автомата перекоса. Благоприятным будет введение симуляционной модели со вводом нужных характеристик. Возможно будет разработать систему предполетной подготовки на базе систем симуляции. За основу можно взять простейшую систему 3х мерного проектирования Blender и пакет симуляции morse как основу. Данная система уже позволяет работать с моделью квадрокоптера, модель передается в программу в виде описания на языке python. Если решить вопросы переноса инерциальных математических систем в данную среду, то будет возможность просмотреть большую часть неопределенностей, связанных с разработкой данного вида летательных аппаратов. Этот вопрос ещё требует исследования, которое идет на данный момент.

---

Страницы: 1 2 3 4 5