Распределенная инерциальная система

Полезная модель относится к системам автоматического управления летательными аппаратами, беспилотными летательными аппаратами, например, (БПЛА) и может быть использована для навигации и управления БПЛА, проверяющих магистральные нефте и газопроводы (далее трубопроводы). Технической задачей является повышение точностных характеристик для безусловного выполнения полетного задания БПЛА, т.е. точного следования по оси магистрального трубопровода. Для решения поставленной задачи распределенная - инерциальная система комплекса из n=3 БПЛА, каждый из которых содержит индивидуальную инерциальную систему, в состав которой входит: микроконтроллер, два трехстепенных гироскопа, первый - третий операционные усилители, акселерометр, модем с приемопередающей антенной, наземная станция управления и связи с третьим радиоканалом, отличающаяся тем, что в нее введены первый и второй радиоканалы приема навигационных сигналов спутников GPS и/или ГЛОНАСС соответственно и четвертый радиоканал двухсторонней связи с каждым из "n" БПЛА; система имеет следующие соединения: выходы информационных сигналов первого и второго гироскопов по углам крена, тангажа и курса через первый, второй и третий операционные усилители соответственно соединены с первым - третьим входами микроконтроллера, выход акселерометра соединен первой шиной связи с четвертым входом микроконтроллера, приемо-передающая антенна через модем и вторую шину связи соединена входом/выходом микроконтроллера, первым радиоканалом антенна соединена с спутником навигационной системы GPS, вторым радиоканалом с спутниками навигационной системы ГЛОНАСС, третьим радиоканалом - с наземной станцией управления и четвертым радиоканалом - с индивидуальными станциями каждого из "n" БПЛА; микроконтроллер в своем составе содержит АЦП для преобразования аналоговых сигналов первого и второго гироскопов в цифровую форму, фильтр Калмана для качественной оценки движения БПЛА, дифференциальный вычислитель определения координат БПЛА от.GPS и ГЛОНАСС и вычислитель среднеквадратического значения координат комплекса из "n" БПЛА, также микроконтроллер содержит цифро-аналоговые преобразователи для управления приводами элеронов, рулей высоты и направления, а количество БПЛА в комплексе из n=3 в зависимости от конкретных условий полетного задания.

Полезная модель относится к системам автоматического управления летательными аппаратами, например, беспилотными летательными аппаратами, (БПЛА) и может быть использована для навигации и управления БПЛА, проверяющих магистральные нефте и газопроводы (далее трубопроводы).

Известным недостатком существующих систем с одиночным БПЛА является тот факт, что при потере связи с БПЛА, либо самого БПЛА появляются три проблемы:

- остается невыполненной поставленная задача.

- непонятна причина случившегося.

- потерян сам БПЛА.

Проблемы 2 и 3 серьезных последствий не имеют - это всего лишь технические проблемы. Проблема 1 имеет существенное значение, поскольку является проблемой для заказчика.

В случаях, когда выполнение задачи БПЛА имеет приоритетное по отношению к затратам значение, целесообразно создание «облака» - то есть комплекса из нескольких БПЛА, связанных между собой определенным алгоритмом поддержки и функционирования. Ранее, когда БПЛА обладали высокой стоимостью, концепция «облака» была труднореализуема. Сейчас стоимость отдельного БПЛА имеет устойчивую тенденцию к снижению, поэтому применение «облака» выгодно - во-первых, потому, что вероятность выполнения задачи увеличивается, а во-вторых, потому, что увеличение этой вероятности не приводит к существенному увеличению стоимости решения.

Система управления беспилотным летательным аппаратом (СУ БПЛА) предназначена для контроля и управления БПЛА, а также решения остальных задач, связанных с выполнением БПЛА задания оператора.

Еще одной проблемой контроля трубопроводов в автоматическом режиме без участия оператора наземной станции управления и наведения является максимально точное следование над ниткой трубопровода. Погрешность отклонения от нитки должна быть минимальной и не превышать ±(3,0-6,0) метра от оси трубопровода. Также проблемой является минимальные габаритно-массовые характеристики (ГМХ) инерциальной системы, т.к. сам вес БПЛА может лежать в пределах десятков или даже единиц кГ.

Известна инерциальная система БПЛА фирмы TRANSAS, см. www.transas.ru, включающая в себя датчик магнитного курса, инерциальную спутниковую навигационную систему БИСНС-11.

Недостаток: при приемлемых ГМХ недостаточная точность определения: курса 5°, координат ±20 метров, накопление погрешности определения координат равной 12 м за час полета, определение координат 20 м. Далее, высокая масса до 4,5 кг.

Также известен бортовой комплекс БПЛА навигации и управления см. www.teknol.ru, включающий в себя: ИНС/СНС интегрированную систему и полностью автоматический полет по заданному маршруту; стабилизация углов ориентации БПЛА в полете; оперативное изменение маршрута в полете (при наличии канала радиосвязи).

Комплекс содержит: инерциальную навигационную систему; приемник спутниковой навигации GPS или ГЛОНАСС; автопилот; накопитель летных данных (опция); датчик воздушной скорости (опция).

Недостатки: использование только или GPS или ГЛОНАСС (одновременное использование не предусмотрено), собственная инерциальная система отсутствует, что приводит к значительным ошибкам определения координат, и как следствие к ошибке следования по оси трубопровода, т.е. к некачественному контролю его состояния.

Известен комплекс «ФИЛИН-1» предназначен для выполнения задач по оперативно-тактической разведке техническими средствами, обладает большой автономностью и мобильностью. Наличие шести БПЛА в составе комплекса позволяет вести постоянную разведку или целеуказание в районе объекта наблюдения. Комплекс «ФИЛИН-1» решает ряд боевых задач: патрулирование местности в любое время суток; обнаружение и идентификация объектов; передача информации о представляющих угрозу объектах; подавление средств ПВО.

Мониторинг воздушной и наземной обстановки БПЛА связан с просмотром некоторого участка местности и получением информации с помощью фото-, теле- и видеосистем с сохранением ее на бортовом накопителе. В процессе полета в заданном районе БПЛА по радиоканалу в реальном масштабе времени может передавать разведывательную информацию на модуль системы связи, управления и обработки информации.

Оператор БПЛА оценивает поступающую информацию и по командному радиоканалу управляет самим БПЛА и его целевой нагрузкой, например телевизионной камерой, с целью наилучшего наблюдения неподвижных или движущихся объектов и определения их типа и координат - ПРОТОТИП, см., ж.»АвиаСоюз», Москва, 6, 2007, стр.50, www. aviationunion.ru.

Недостатки: большие погрешности выдерживания координат полета в связи с отсутствием приема навигационных сигналов GPS и/или ГЛОНАСС, корректировка полета от оператора наземной станции управления и наведения. Отсутствие связи по радиоканалам между БПЛА в составе комплекса, это затрудняет точное определение координат комплекса в целом. Все это обусловлено военной направленностью комплекса.

Технической задачей является повышение точностных характеристик для безусловного выполнения полетного задания БПЛА, т.е. точного следования по оси магистрального трубопровода, конечно, с минимально допустимой ошибкой.

Для решения поставленной задачи распределенная инерциальная система комплекса из n=3 БПЛА, каждый из которых содержит индивидуальную инерциальную систему, в состав которой входит: микроконтроллер, два трехстепенных гироскопа, первый - третий операционные усилители, акселерометр, модем с приемопередающей антенной, наземная станция управления и связи с третьим радиоканалом, отличающаяся тем, что в нее введены первый и второй радиоканалы приема навигационных сигналов спутников GPS и/или ГЛОНАСС соответственно и четвертый радиоканал двухсторонней связи с каждым из "n" БПЛА; система имеет следующие соединения: выходы информационных сигналов первого и второго гироскопов по углам крена, тангажа и курса через первый, второй и третий операционные усилители соответственно соединены с первым - третьим входами микроконтроллера, выход акселерометра соединен первой шиной связи с четвертым входом микроконтроллера, приемо-передающая антенна через модем и вторую шину связи соединена входом/выходом микроконтроллера, первым радиоканалом антенна соединена с спутником навигационной системы GPS, вторым радиоканалом с спутниками навигационной системы ГЛОНАСС, третьим радиоканалом - с наземной станцией управления и четвертым радиоканалом - с индивидуальными станциями каждого из "n" БПЛА; микроконтроллер в своем составе содержит АЦП для преобразования аналоговых сигналов первого и второго гироскопов в цифровую форму, фильтр Калмана для качественной оценки движения БПЛА, дифференциальный вычислитель определения координат БПЛА от GPS и ГЛОНАСС и вычислитель среднеквадратического значения координат комплекса из "n" БПЛА, также микроконтроллер содержит цифро-аналоговые преобразователи для управления приводами элеронов, рулей высоты и направления, а количество БПЛА в комплексе из n=3 в зависимости от конкретных условий полетного задания.

На чертеже показана структурная электрическая система навигационной системы одного БПЛА, на которой изображено: 1 - первый гироскоп, выдающий сигналы крена () и тангажа (), 2 - второй гироскоп, выдающий сигнал курса (), 3 - первый, второй и третий операционные усилители (ОУ) по сигналам , и соответственно, 4 - микроконтроллер (МС), 5 - акселерометр, 6 - модем, 7 и 8 - спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС соответственно, 9 - наземная станция управления и наведения БПЛА, 10 - "n" других БПЛА образующих группу («облако»), 11 - источник питания, первый - четвертый радиоканалы, А - антенна БПЛА, первая шина связи акселерометра с МС4, вторая двунаправленная шина связи модема с МС4. МС4 имеет в своем составе АЦП4-1 и ЦАП4-5 фильтр Калмана 4-2, дифференциальный вычислитель координат по сигналам GPS и ГЛОНАСС 4-3, вычислитель среднего значения координат группы -комплекса- БПЛА 4-4 и мультиплексор 4-6.

Схема каждой инерциальной системы имеет следующие соединения.

Распределенная инерциальная система, входящая в комплекс из "n" БПЛА 10, каждый из которых содержит индивидуальную инерциальную систему, содержащую два трехстепенных гироскопа 1 и 2, акселерометр 5 и микроконтроллер 4, отличающаяся тем, что в нее введены первый - третий операционные усилители 3, АЦП4-1, модем 6 с приемной антенной со следующими соединениями: выходы первого и второго гироскопов по каналам крена -- и тангажа -- и курса -- соответственно через первый - третий операционные усилители 3 соединены через мультиплексор 4-6 со входами АЦП4-1 микроконтроллера 4, с четвертым информационным входом которого первой шиной связи соединен выход акселерометра 5, выход антенны А через модем 6 второй шиной связи соединен с дифференциальным блоком 4-3 обработки навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС+GPS, выходы ЦАПов микроконтроллера 4 соединен с приводами управляющих поверхностей: элероны, руль направления, рули высоты и пр.; информационные сигналы спутников ГЛОНАСС 8+GPS 7 первым и вторым радиоканалами соединены с антеннами А каждой инерциальной системой соответственно, выход наземной станции 9 управления и наведения также соединен третьим радиоканалом с антенной А инерциальной системы; микроконтроллер 4 в своем составе содержит: мультиплексор 4-6, АЦП4-1 для преобразования аналоговых сигналов первого и второго гироскопов в цифровую форму, ЦАП 4-5 для управления приводами, фильтр Калмана 4-2 для качественной оценки движения БПЛА 10, фильтр Калмана 4-2 реализован программным путем при обработке навигационных сигналов ГЛОНАСС 8+GPS 7; дифференциальный вычислитель 4-3 определения координат БПЛА 10 от GPS 7 и ГЛОНАСС 8 и вычислитель среднеквадратического значения 4-4 координат группы БПЛА 10, если таковая имеется; количество БПЛА 10 в комплексе n>3 в зависимости от конкретных условий полета.

Распределенная инерциальная система работает следующим образом. Работа индивидуальной инерциальной системы. Аналоговые сигналы с выходов гироскопов 1 и 2 усиливается малошумящими прецизионными операционными усилителями 3 до величины, различимой АЦП4-1. Регулярно опрашивая АЦП4-1, МС4 получает данные о пространственном положении объекта-БПЛА (гироскопов) в цифровом виде. Цифровой акселерометр 5, также по запросу МС4, передает ему информацию о значении ускорения по трем координатам. Обрабатывая полученные от гироскопов 1 и 2 и акселерометра 5 данные по определенному алгоритму, МС4 формирует сигналы управления для управляющих поверхностей БПЛА и двигателей. Два источника питания необходимы ввиду разного питающего напряжения используемых компонентов:+3,3 В и 5 В.

Через приемо-передающую антенну А индивидуальная система обеспечивает решение следующих задач:

- прием и обработку сигналов СНС ГЛОНАСС+GPS по открытым гражданским кодам СТ и С/А в диапазоне L1;

- автоматическую непрерывную выработку трех координат (широта, долгота, высота), времени, курса и скорости;

- выдачу во внешние устройства текущих координат в системе координат WGS-84, ПЗ-90, ПЗ-90.02, СК-42, СК-95;

- обновление координат с частотой 1, 2, 5 Гц;

- оценку точности определения координат места потребителя;

- прием, хранение и обновление альманахов и эфемерид СНС ГЛОНАСС+GPS (альманахи, эфемериды и последние обсервованные координаты сохраняются в энергозависимой памяти при отключении питания приемника);

- автоматический выбор созвездия из видимых НКА СНС ГЛОНАСС+GPS с учетом их технического состояния;

- обмен информацией с внешними системами по протоколу NMEA-0183 (IEC 1162) или по протоколу BINR;

- прием и учет корректирующей информации в соответствии с рекомендациями RTCM SC-104 V2.2;

- выдачу потребителям метки времени;

- среднеквадратической погрешности определения текущих значений навигационных параметров при полностью развернутых СНС ГЛОНАСС+GPS.

Работа в составе комплекса («облака»). В этом режиме каждая индивидуальная система обменивается текущей координатной информацией с наземной станцией управления и наведения 9 и с каждым из "n" БПЛА. По принятой от других "n" БПЛА текущей информации каждая индивидуальная инерциальная система вычисляет среднее значение координат комплекса («облака»), которое и является истинным (конечно с учетом ошибки). Дифференциальный режим обработки сигналов ГЛОНАСС+GPS вместе с применением фильтра Калмана значительно повышает точность определения координат комплекса, следовательно повышается точность следования по маршруту трубопровода, а значит повышается вероятность безусловного выполнения поставленного полетного задания и контроль его состояния (разрыв трубопровода, утечка и т.д.).

Распределенная инерциальная система комплекса из n=3 беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых содержит индивидуальную инерциальную систему, в состав которой входит: микроконтроллер, два трехстепенных гироскопа, первый-третий операционные усилители, акселерометр, модем с приемопередающей антенной, наземная станция управления и связи с третьим радиоканалом, отличающаяся тем, что в нее введены первый и второй радиоканалы приема навигационных сигналов спутников GPS и/или ГЛОНАСС соответственно и четвертый радиоканал двухсторонней связи с каждым из "n" беспилотных летательных аппаратов; система имеет следующие соединения: выходы информационных сигналов первого и второго гироскопов по углам крена, тангажа и курса через первый, второй и третий операционные усилители соответственно соединены с первым-третьим входами микроконтроллера, выход акселерометра соединен первой шиной связи с четвертым входом микроконтроллера, приемопередающая антенна через модем и вторую шину связи соединена с входом/выходом микроконтроллера, первым радиоканалом антенна соединена с спутником навигационной системы GPS, вторым радиоканалом - с спутниками навигационной системы ГЛОНАСС, третьим радиоканалом - с наземной станцией управления и четвертым радиоканалом - с индивидуальными станциями каждого из "n" БПЛА; микроконтроллер в своем составе содержит АЦП для преобразования аналоговых сигналов первого и второго гироскопов в цифровую форму, фильтр Калмана для качественной оценки движения БПЛА, дифференциальный вычислитель определения координат БПЛА от GPS и ГЛОНАСС и вычислитель среднеквадратического значения координат комплекса из "n" БПЛА, также микроконтроллер содержит цифроаналоговые преобразователи для управления приводами элеронов, рулей высоты и направления, а количество БПЛА в комплексе из n=3 в зависимости от конкретных условий полетного задания.