Система управления беспилотным летательным аппаратом с комплексным устройством измерения высоты полета

Авторы патента:

G05D1 - Системы управления или регулирования неэлектрических величин (для непрерывного литья металлов B22D 11/16; клапаны как таковые F16K; индикация неэлектрических переменных величин см. в соответствующих подклассах класса G01; регулирование электрических и магнитных переменных величин G05F)

Полезная модель к системам управления местоположением и курсом беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), предназначенных для высокоточного приведения в заданную точку морской и земной поверхности, в частности, для доставки грузов в зараженные районы или решения задач экологического и промышленного мониторинга.

Техническим результатом полезной модели является повышение точности системы управления БПЛА при полете на малых высотах, в сложных метеоусловиях.

Сущность полезной модели заключается в том, что в система управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА), содержащей систему обнаружения и сопровождения объекта мониторинга и систему управления движением (СУД), которая содержит электронно-вычислительную машину (ЭВМ) СУД, исполнительное устройство и устройство измерения параметров движения, в состав которого входят радиовысотомер, инерциальное навигационное устройство (ИНУ) БПЛА, содержащее гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней датчиками положения платформы, маятниковыми и струнными акселерометрами, выходы которых подключены к соответствующим входам блока обработки данных измерителей, а также входят блок выработки сигналов выставки ГСП, выходы которого соединены с входами соответствующих исполнительных механизмов ГСП, и блок коррекции высоты и вертикальной скорости, входы которого по сигналам текущих значений высоты и вертикальной скорости, измеренных ИНУ БПЛА, соединены с соответствующими выходами блока обработки данных измерителей, выходы которого по сигналам текущих значений скорости, дальности полета, углов курса, крена и тангажа БПЛА, соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, выход которой по сигналу текущего значения скорости полета БПЛА и входы по сигналу текущего значения дальности объекта мониторинга и сигналам углов рассогласования по курсу и тангажу соединены с соответствующим входом и выходами системы обнаружения и сопровождения объекта мониторинга, а выходы ЭВМ СУД по сигналам управления высотой полета и углами курса, крена и тангажа БПЛА соединены с соответствующими входами исполнительного устройства, в устройство измерения параметров движения введены блок мажоритарной обработки и блок датчиков угловых скоростей, выходы которого и выходы радиовысотомера соединены с соответствующими входами блока обработки данных измерителей, выходы которого по сигналам угловых скоростей БПЛА соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, а выходы, на которых формируются сигнал текущего значения высоты полета, измеренного радиовысотомером, и сигнал достоверности измерений радиовысотомера, соединены с соответствующими входами блока коррекции высоты и вертикальной скорости, при этом блок мажоритарной обработки содержит блок определения медианы трех сигналов, блок определения медианы пяти сигналов, два блока задержки на один такт и интегратор блока мажоритарной обработки, причем первый вход блока определения медианы трех сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение вертикальной скорости, второй вход соединен с выходом блока обработки данных измерителей, на котором формируется текущее значение вертикальной скорости, измеренное ИНУ БПЛА, а третий вход через первый блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, на котором формируется оценочное значение вертикальной скорости, первый и второй входы блока определения медианы пяти сигналов соединены с выходами блока обработки данных измерителей, на которых формируются текущие значение высоты, измеренное ИНУ БПЛА, и текущее значение высоты, измеренное радиовысотомером, третий вход блока определения медианы пяти сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение высоты, четвертый вход через интегратор блока мажоритарной обработки соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, а пятый вход через второй блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы пяти сигналов, на котором формируется оценочное значение высоты, которое, как и оценочное значение вертикальной скорости с выхода блока определения медианы трех сигналов, передается в ЭВМ СУД.

Полезная модель относится к системам управления местоположением и курсом беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), предназначенных для высокоточного приведения в заданную точку морской и земной поверхности, в частности, для доставки грузов в зараженные районы или решения задач экологического и промышленного мониторинга.

Известна система управления движением БПЛА по патенту РФ 2062503 на изобретение, МПК B64G 1/24, G01C 25/00, публикация 20.06.1996 г., которая содержит радиолокационный визир, обеспечивающий измерение координат и параметров цели, систему инерциальной навигации, обеспечивающую измерение координат и параметров движения БПЛА, радиовысотомер, с помощью которого осуществляется корректировка показаний высоты и вертикальной скорости системы инерциальной навигации, устройство обмена информацией, бортовую вычислительную систему и рулевые агрегаты, управляемые сигналами, вырабатываемыми вычислительной системой.

Недостатком известного аналога является централизованная структура вычислительной системы, ограничивающая круг решаемых задач, и недостаточно надежная оценка высоты полета при отказах высотомера или при его работе с существенными ошибками, возникающими при полете на малых высотах, что, в конечном счете, не обеспечивает надежности и эффективности работы системы управления на малых высотах.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой системы, является система управления БПЛА с комплексным навигационным устройством по патенту РФ 2046736 на изобретение, МПК B64G 1/24, G01C 25/00, публикация 27.10.1995 г. Система по прототипу содержит инерциальное навигационное устройство, включающее гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней датчиками положения платформы, маятниковыми и струнными акселерометрами, вычислитель инерциального навигационного устройства (блок обработки данных измерителей), блок выработки сигналов выставки ГСП, блок тарировки акселерометров, задатчик положения точки подвеса ГСП, задатчик и блок коррекции паспортных данных инерциальных блоков. Кроме этого, система управления БПЛА содержит радиолокационный визир (систему обнаружения и сопровождения объекта-цели), радиовысотомер, блок корректировки показаний измерителей, входы которого соединены с выходами сигналов высоты и вертикальной скорости инерциального навигационного устройства и выходами сигнала высоты и сигнала достоверности измерений радиовысотомера, а выходы, на которых формируются сигналы откорректированных значений высоты и вертикальной скорости, подключены к соответствующим входам устройства выработки сигналов управления, представляющего собой электронно-вычислительную машину (ЭВМ) системы управления движением, формирующую сигналы управления рулями БПЛА, которые передаются на исполнительное устройство (рулевые агрегаты). ЭВМ СУД связана информационными магистралями с вычислителем инерциального навигационного устройства, с устройством обмена информацией радиолокационного визира и с вычислителем комплекса предстартовой подготовки ЭВМ. Перед началом полета система управления БПЛА соединяется с пунктом управления, расположенным на носителе БПЛА, в состав которого входят навигационный комплекс носителя, пульт управления и таймер.

Система управления БПЛА обеспечивает выставку гироплатформы инерциального навигационного устройства, тарировку акселерометров, начальное управление БПЛА по сигналам с инерциального навигационного устройства с последующим переходом на управление от радиолокационного визира как более точного инструмента управления.

Недостатком системы по прототипу является нестабильная работа высотомера при полете на малых высотах, обусловленная волнением моря или (при полете над сушей) неоднородностью подстилающей поверхности. При отсутствии признака достоверности измерений радиовысотомера коррекция высоты и вертикальной скорости не производится, что приводит к структурной реорганизации системы управления, возникновению переходных процессов в контуре управления высотой, накоплению ошибки измерения высоты и, как следствие, снижению точности управления движением БПЛА.

В неблагоприятных погодных условиях управление БПЛА по показаниям только одного измерителя может привести к невозможности удержания его в зоне местоположения объекта мониторинга, а также к возникновению аварийных ситуаций из-за снижения БПЛА ниже безопасного уровня полета.

Сущность полезной модели заключается в том, что в системе управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА), содержащей систему обнаружения и сопровождения объекта мониторинга и систему управления движением (СУД), которая содержит электронно-вычислительную машину (ЭВМ) СУД, исполнительное устройство и устройство измерения параметров движения, в состав которого входят радиовысотомер, инерциальное навигационное устройство (ИНУ), содержащее гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней датчиками положения платформы, маятниковыми и струнными акселерометрами, выходы которых подключены к соответствующим входам блока обработки данных измерителей, а также входят блок выработки сигналов выставки ГСП, выходы которого соединены с входами соответствующих исполнительных механизмов ГСП, и блок коррекции высоты и вертикальной скорости, входы которого по сигналам текущих значений высоты и вертикальной скорости, измеренных ИНУ, соединены с соответствующими выходами блока обработки данных измерителей, выходы которого по сигналам текущих значений продольной и боковой скорости, горизонтальной дальности, бокового отклонения, углов курса, крена и тангажа соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, выход которой по сигналу текущего значения скорости полета БПЛА и входы по сигналу текущего значения дальности объекта мониторинга и сигналам углов рассогласования по курсу и тангажу соединены с соответствующим входом и выходами системы обнаружения и сопровождения объекта мониторинга, а выходы ЭВМ СУД по сигналам управления высотой полета и углами курса, крена и тангажа БПЛА соединены с соответствующими входами исполнительного устройства, при этом устройство измерения параметров движения дополнительно содержит блок мажоритарной обработки и блок датчиков угловых скоростей, выходы которого и выходы радиовысотомера соединены с соответствующими входами блока обработки данных измерителей, выходы которого по сигналам угловых скоростей БПЛА соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, а выходы, на которых формируются сигнал текущего значения высоты, измеренной радиовысотомером, и сигнал достоверности измерений радиовысотомера, соединены с соответствующими входами блока коррекции высоты и вертикальной скорости, при этом блок мажоритарной обработки содержит блок определения медианы трех сигналов, блок определения медианы пяти сигналов, два блока задержки на один такт, интегратор блока мажоритарной обработки и два управляемых коммутатора блока мажоритарной обработки, выходы и управляющие входы которых соединены с ЭВМ СУД, первый вход блока определения медианы трех сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение вертикальной скорости, второй вход соединен с выходом блока обработки данных измерителей, на котором формируется текущее значение вертикальной скорости, измеренной ИНУ, а третий вход через первый блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, на котором формируется оценочное значение вертикальной скорости, первый и второй входы блока определения медианы пяти сигналов соединены с выходами блока обработки данных измерителей, на которых формируются текущее значение высоты, измеренной ИНУ, и текущее значение высоты, измеренной радиовысотомером, третий вход блока определения медианы пяти сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение высоты, четвертый вход блока определения медианы пяти сигналов через интегратор блока мажоритарной обработки соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, а пятый вход через второй блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы пяти сигналов, на котором формируется оценочное значение высоты, выход блока определения медианы трех сигналов и выход блок определения медианы пяти сигналов соединены соответственно с первыми входами первого и второго управляемых коммутаторов блока мажоритарной обработки, вторые входы которых соединены соответственно с выходами блока обработки данных измерителей, на которых формируются сигнал текущего значения вертикальной скорости, измеренной ИНУ, и сигнал текущего значения высоты, измеренной ИНУ.

Кроме этого, блок коррекции высоты и вертикальной скорости указанной системы содержит четыре блока разности, блок умножения, вычислитель переменных коэффициентов, управляемый ключ, два сумматора и три интегратора, при этом первый и второй входы блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на которые поступают сигнал текущего значения высоты, измеренной ИНУ, и сигнал текущего значения высоты, измеренной радиовысотомером, соединены с входами первого блока разности, выход которого соединен с сигнальным входом управляемого ключа, управляющий вход которого и управляющий вход вычислителя переменных коэффициентов соединены с третьим входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на который поступает сигнал достоверности измерений радиовысотомера, выход управляемого ключа со единен с первым входом второго блока разности, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом вычислителя переменных коэффициентов, к первому выходу умножителя подключен первый вход второго сумматора, второй вход которого и второй вход четвертого блока разности соединены с выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, первый вход которого соединен со вторым выходом умножителя, третий выход которого через первый интегратор соединен со вторым входом первого сумматора, выход второго сумматора через третий интегратор соединен со вторыми входами второго блока разности и третьего блока разности, первый вход которого соединен с первым входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, а выход образует выход блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется сигнал откорректированного значения высоты, первый вход четвертого блока разности соединен с четвертым входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на который поступает сигнал вертикальной скорости, измеренной ИНУ, а выход четвертого блока разности является выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется сигнал откорректированного значения вертикальной скорости.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - структурно-функциональная схема системы управления БПЛА,

фиг.2 - структурно-функциональная схема устройства комплексной оценки высоты и вертикальной скорости,

фиг.3 - структурно-функциональная схема блока определения медианы трех сигналов.

На фиг.1 структурно-функциональной схемы системы управления БПЛА обозначены:

1 - система управления движением (СУД),

2 - устройство измерения параметров движения,

3 - система обнаружения и сопровождения объектов мониторинга (СОСОМ),

4 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ) СУД,

5 - устройство комплексной оценки высоты и вертикальной скорости,

6 - исполнительное устройство,

7 - пульт оператора устройства предполетной подготовки,

8 - корабельная инерциальная навигационная система,

9 - ЭВМ устройства предполетной подготовки,

10 - инерциальное навигационное устройство БПЛА (далее по тексту - ИНУ),

11 - гиростабилизированная платформа,

12 - блок маятниковых акселерометров,

13 - блок струнных акселерометров,

14 - блок выработки сигналов выставки ГСП,

15 - блок обработки данных измерителей,

16 - блок датчиков угловых скоростей,

17 - радиовысотомер,

18 - усилительно-преобразовательное устройство рулевых приводов,

19 - блок рулевых механизмов,

20 - устройство предполетной подготовки,

M1, , М5 - информационные магистрали (например, интерфейсные магистрали мультиплексных каналов информационного обмена).

Согласно фиг.1 в состав бортовой аппаратуры БПЛА входят система 1 управления движением и система 3 обнаружения и сопровождения объектов мониторинга (СОСОМ), связанная с ЭВМ 4 СУД посредством второй информационной магистрали М2, по которой в систему 3 передается сигнал текущей скорости V БПЛА, а из системы 3 поступают сигналы дальности D (расстояния) объекта мониторинга и сигналы рассогласования углов курса и тангажа .

В состав системы 1 управления движением входят устройство 2 измерения параметров движения, устройство 5 комплексной оценки высоты и вертикальной скорости и исполнительное устройство 6, включающее блок 19 рулевых механизмов, входы сигналов ₁, ₂, ₃, ₄ закладки рулей и выходы контрольных сигналов _1K, _2K, _3K, _4K положения рулей которого соединены с соответствующими выходами и входами усилительно-преобразовательного устройства 18 рулевых приводов, связанного с ЭВМ 4 СУД посредством третьей информационной магистрали М3, по которой в исполнительное устройство 6 передаются сигналы ₁, ₂, ₃, ₄ управления БПЛА по высоте, курсу, крену и тангажу.

Устройство 2 измерения параметров движения содержит инерциальное навигационное устройство 10 БПЛА, включающее гиростабилизированную платформу 11 с установленными на ней датчиками положения платформы и блоками 12, 13 маятниковых и струнных акселерометров, выходы которых соединены с соответствующими входами блока 15 обработки данных измерителей. К входам блока 15 подключены такжевыходы блока 16 датчиков угловых скоростей, на которых формируются сигналы _X, _Y, _Z угловых скоростей БПЛА, и выходы радиовысотомера 17, на которых формируются сигнал текущей высоты полета H_PB, измеренной радиовысотомером, и сигнал признака достоверности измерений радиовысотомера f_PB.

Кроме этого, в состав устройства 2 измерения параметров движения входит блок 14 выработки сигналов выставки ГСП, выходы которого по сигналам _D, _D, _D выставки гиростабилизированной платформы (сигналам углов разворота колец карданового подвеса гироскопа) соединены с входами соответствующих исполнительных механизмов ГСП 11. Исходные данные для корректировки поступают в блок 14 из ЭВМ 9 устройства 20 предполетной подготовки по магистрали М4, к которой подключен также блок 15 обработки данных измерителей. На основе хранящейся в запоминающем устройстве и поступающей из устройства 20 информации блок 15 программно формирует сигналы w_OX, w_OY , w_OZ тарировки акселерометров, используемые для корректировки текущих показаний маятниковых и струнных акселерометров 12, 13, по которым рассчитываются текущие значения горизонтальной дальности (X), бокового отклонения (Z), продольной и боковой скорости (V_X, V_Z), углового положения БПЛА по курсу (), крену () и тангажу (). Расчетные значения указанных величин, расчетные значения величин высоты (Y=H_ИНУ) и вертикальной скорости (V_Y=H_ИНУ), измеренных ИНС, а также значения величин угловых ускорений (w_OX, w_OY, w_OZ ), измеренных блоком 16 датчиков угловых ускорений и, величины вертикальной скорости (Н_РВ), измеренной радиовысотомером 17, преобразуются в соответствии с форматом используемого канала информационного обмена и поступают на выход блока 15 обработки данных измерителей, который соединен посредством магистрали M1 с ЭВМ 4 СУД и с входами устройства 5 комплексной обработки высоты и вертикальной скорости. В устройство 5 с выхода блока 15 передаются сигналы H_ИНУ, H_ИНУ, H_РВ и сигнал РВ признака достоверности измерений радиовысотомера. Остальные сигналы передаются в ЭВМ 4 СУД. В обратном направлении по магистрали M1 из ЭВМ 4 СУД передаются сигналы, подтверждающие прием информации, и управляющие сигналы.

В состав устройства 20 предполетной подготовки входят пульт 7 оператора и корабельная инерциальная навигационная система 8, соединенные с ЭВМ 9, которая в входе предстартовой подготовки соединяется посредством магистрали М4 с устройством 2 измерения параметров движения, как было рассмотрено выше, и соединяется с ЭВМ 4 СУД посредством магистрали М5.

Система 3 обнаружения и сопровождения объектов мониторинга представляет собой моноимпульсную радиолокационную систему, формирующую сигналы дальности D и углов рассогласования тангажа и курса между направлением на объект мониторинга и осью диаграммы направленности антенны, которые передаются в ЭВМ 4 СУД для решения задачи управления пространственным положением БПЛА в соответствии с заложенными в ЭВМ 4 алгоритмами. В систему 3 из ЭВМ 4 передается сигнал текущей скорости V полета БПЛА, на основании которого производится компенсация доплеровского сдвига частоты.

Схемы реализации систем, решающих аналогичные задачи, известны из уровня техники и приведены в прототипе или, например, в описании изобретения «Бортовая аппаратура систем управления беспилотного летательного аппарата» к патенту РФ 2207613, МПК G05D 1/12, G01S 13/42, публикация 27.06.2003 г.

Устройство 5 комплексной оценки высоты и вертикальной скорости предназначено для формирования оценочных значений высоты Нм и вертикальной скорости Hм полета БПЛА, исключающих ошибки измерений инерциального навигационного устройства и радиовысотомера, и передачи этих сигналов в ЭВМ 4 СУД для решения задачи управления пространственным положением БПЛА. Комплексирование показателей различных измерителей производится на основе алгоритмов мажоритарной обработки сигналов (Гильбо Е.П., Челпанов И.Б. Обработка сигналов на основе упорядоченного выбора. - М.: Сов. Радио. - 1976, с.344), которые будут рассмотрены ниже.

Структурная схема устройства 5 комплексной оценки высоты и вертикальной скорости приведена на фиг.2, где обозначены:

21 - блок коррекции высоты и вертикальной скорости,

22 - блок мажоритарной обработки,

23 - первый блок разности,

24 - вычислитель переменных коэффициентов,

25 - управляемый ключ,

26 - второй блок разности,

27 - блок умножения,

28 - первый интегратор,

29 - первый сумматор,

30 - второй интегратор,

31 - второй сумматор,

32 - третий интегратор,

33, 34 - третий и четвертый блоки разности,

35 - блок определения медианы трех сигналов,

36 - блок определения медианы пяти сигналов,

37 - первый блок задержки на один такт,

38 - интегратор блока мажоритарной обработки,

39 - второй блок задержки на один такт,

40, 41 - первый и второй коммутаторы блока мажоритарной обработки.

Согласно фиг.2 устройство 5 комплексной оценки высоты и вертикальной скорости содержит блок 21 коррекции высоты и вертикальной скорости и блок 22 мажоритарной обработки. Входными сигналами устройства 5 являются сигналы текущих значений высоты H_ИНУ(t) и вертикальной скорости H_ИНУ(t), измеренные инерциальным навигационным устройством 10 БПЛА, сигнал текущего значения высоты Н_PB(t), измеренный радиовысотомером 17, и сигнал f_PB достоверности измерений радиовысотомера, которые поступают в устройство 5 с выхода блока 15 обработки данных измерителей по информационной магистрали M1.

Блок 21 коррекции высоты и вертикальной скорости представляет собой вычислитель, в котором реализуются следующие соотношения:

где Н_K(t), - откорректированные значения высоты и вертикальной скорости на выходе блока 21,

k(t)={k₁(t), k₂(t), k₃(t)} - переменные коэффициенты, закон изменения которых получен путем решения уравнений Рикатти с учетом дисперсий начальных погрешностей инерциального навигационного устройства и радиовысотомера (Иванов Ю.П. и др. Комплексирование информационных устройств летательных аппаратов / Под ред. Б.А.Боднера. - М.: Машиностроение. - 1984, с.73);

К первому и второму входам блока 21 коррекции высоты и вертикальной скорости, на которые поступают сигналы H_ИНУ(t) и Н_PB (t), подключены входы первого блока 23 разности, выход которого соединен с входом управляемого ключа 25, управляющий вход которого и управляющий вход вычислителя 24 переменных коэффициентов соединены с третьим входом блока 21, на который поступает сигнал f_PB достоверности измерений радиовысотомера. Выход управляемого ключа 25, на котором формируется сигнал , соединен с первым входом второго блока 26 разности, выход которого соединен с первым входом умножителя 27, второй вход которого соединен с выходом вычислителя 24 переменных коэффициентов.

К первому выходу умножителя 27(сигнал k₁ ·) подключен первый вход второго сумматора 31, второй вход которого и второй вход четвертого блока 34 разности соединены с выходом второго интегратора 30, вход которого соединен с выходом первого сумматора 29. Первый вход первого сумматора 29 соединен со вторым выходом умножителя 27 (сигнал k₂·), а второй вход - с выходом первого интегратора 28, вход которого подключен к третьему выходу умножителя 27 (сигнал k₃·).

Выход второго сумматора 31 соединен с входом третьего интегратора 32, к выходу которого подключены вторые входы второго и третьего блоков 26, 33 разности. Первый вход третьего блока 33 разности соединен с первым входом блока 21 (сигнал H_ИНУ(t)), а выход третьего блока 33 разности образует выход блока 21, на котором формируется сигнал откорректированного значения Н_K(t) высоты полета БПЛА.

Первый вход четвертого блока 34 разности соединен с четвертым входом блока 21, на который поступает сигнал вертикальной скорости, а на выходе четвертого блока 34 разности формируется сигнал откорректированного значения вертикальной скорости .

Блок 22 мажоритарной обработки содержит блок 35определения медианы трех сигналов, на выходе которого формируется оценочное значение вертикальной скорости , блок 36 определения медианы пяти сигналов, на выходе которого формируется оценочное значение высоты полета Н_M (t), а также блоки 37, 39 задержки на один такт, интегратор 38 и два управляемых коммутатора 40, 41.

Входными сигналами блока 35 определения медианы трех сигналов являются:

- сигнал откорректированного значения вертикальной скорости, поступающий на первый вход блока 35 с выхода четвертого блока 34 разности;

- сигнал измеренного инерциальным навигационным устройством значения вертикальной скорости, поступающий на второй вход блока 35 из блока 15 обработки данных измерителей;

- сигнал оценочного значения вертикальной скорости, определенного в предыдущем такте вычислений, который поступает на третий вход блока 35 с выхода первого блока 37 задержки, вход которого соединен с выходом блока 35.

Входными сигналами блока 36 определения медианы пяти сигналов являются:

- сигналы H_ИНУ(t), Н_РВ(t) значений высоты, измеренных инерциальным навигационным устройством и радиовысотомером, поступающие на первый и второй входы блока 36 из блока 15 обработки данных измерителей;

- сигнал Н_K(t) откорректированного значения высоты, поступающий с выхода третьего блока 33 разности на третий вход блока 36;

- интегральный сигнал Н_1M(t) высоты, поступающий на четвертый вход блока 36 с выхода интегратора 38 блока мажоритарной обработки, вход которого подключен к выходу блока 35 определения медианы трех сигналов;

- сигнал Н_M(t-1) оценочного значения высоты, определенного в предыдущем такте вычислений, поступающий на пятый вход блока 36 с выхода второго блока 39 задержки, который подключен к выходу блока 36.

Выходы блоков 35, 36 определения медианы соединены с первыми входами соответственно первого и второго управляемых ключей 40, 41, выходы и управляющие входы которых по сигналу включения корректировки, соединены с ЭВМ 4 СУД.

Вторые входы коммутаторов 40, 41 соединены соответственно с выходами блока 15 обработки данных измерителей, на которых формируются сигнал вертикальной скорости и сигнал высоты H_ИНУ(t), измеренные инерциальным навигационным устройством.

Операция нахождения медианы определяется как поиск среднего члена вариационного ряда:

где х(k), k=1,2,, n - члены вариационного ряда - порядковые статистики случайной выборки.

Выборочная медиана используется в качестве робастной оценки математического ожидания.

Численно, операцию нахождения медианы можно представить через комбинацию нахождения минимума и максимума и, тем самым, реализовать на элементарных логических элементах.

Так, выборочная медиана трех элементов определяется как:

Такое преобразование может быть реализовано в соответствии с представленной на фиг.3 схемой выполнения блока 35 определения медианы трех сигналов, где обозначены:

42, 43, 44 - блоки определения минимума,

45 - блок определения максимума.

В соответствии со схемой фиг.3 к первому входу блока 35 подключены первые входы блоков 42, 43 определения минимума, к третьему входу подключены вторые входы блоков 43, 44 определения минимума, а ко второму входу подключены второй вход блока 42 и первый вход блока 44. Выходы блоков 42, 43, 44 определения минимума подключены к входам блока 45 определения максимума, выход которого образует выход блока 35 определения медианы трех сигналов.

Выборочная медиана пяти сигналов определяется в соответствии с соотношением:

Блок 36 определения медианы пяти сигналов, в котором реализуется указанное соотношение, построен по аналогии с блоком 35, содержит пять блоков определения минимума, на входы которых подаются соответствующие комбинации входных сигналов, и блок определения максимума, формирующий выходной сигнал оценочного значения высоты.

Предлагаемая система управления беспилотным летательным аппаратом работает следующим образом.

В ходе предполетной подготовки БПЛА соединяют ЭВМ 9 устройства предполетной подготовки с блоком 14 выработки сигналов выставки ГСП и блоком 15 обработки данных измерителей посредством магистрали М4 и соединяют с ЭВМ 4 СУД посредством магистрали М5. ЭВМ 9 устройства предполетной принимает данные, вводимые с пульта 7 оператора и данные из корабельной инерциальной навигационной системы 8 и организует информационный обмен между вычислительными устройствами в соответствии с ГОСТ 26765.52-87 (MIL-STD-1553В)

С пульта 7 оператора вводят полетное задание (включающее программные значения скорости (V_ПР), высоты полета (H_ПР), курсового угла (_ПР), угла тангажа (v_ПР), угла крена (_ПР) на различных участках траектории полета БПЛА), а также вводят априорные сведения о предполагаемом нахождении объекта мониторинга, его классификационные признаки и основные исходные данные для конкретного варианта работы системы 3 обнаружения и сопровождения объекта мониторинга. Сформированный на основе этих данных информационный массив хранится в ЭВМ 9 до получения разрешения на передачу.

В блок 15 обработки данных измерителей через ЭВМ 9 вводится код, соответствующий составу параметров, выдаваемых корабельной навигационной системой 8 (угол рыскания (К_C), углы качки по дифференту (_K) и крену (Q_K), угол тангажа (_П1), пеленг выставки гиростабилизированной платформы (П_Н) и др.), паспортные данные систематических погрешностей масштабных коэффициентов и систематических погрешностей установки маятниковых и струнных акселерометров, а в блок 14 вводятся координаты _x, _y, _z точки подвеса гиростабилизированной платформы 11 относительно точки подвеса платформы корабельной навигационной системы 8.

После ввода указанных данных выдается команда на разгон гироскопов ИНУ 10 и начинается передача в блок 15 обработки данных измерителей текущих данных из корабельной навигационной системы 8. Одновременно снимаются показания величин углов с датчиков положения гиростабилизированной платформы 11 и сигналы с выходов блоков 12, 13 маятниковых и струнных акселерометров, которые поступают в блок 15. На основании поступающих данных в блоке 15 решается задача корректировки паспортных данных и систематических погрешностей датчиков углов положения ГСП и акселерометров и формируются сигналы w_OX, w_OY, w_OZ , тарировки акселерометров, а блок 14 начинает вырабатывать сигналы _D, _D, _D выставки гиростабилизированной платформы 11 в пространстве. Алгоритмы формирования указанных сигналов известны из уровня техники и приведены, например, в описании изобретения по патенту РФ 2046736.

По завершении процесса выставки гироплатформы 11 блок 15 формирует и передает в ЭВМ 9 контрольный сигнал, разрешающий передачу полетного задания из ЭВМ 9 в ЭВМ 4 СУД. После получения из ЭВМ 4 контрольного сигнала, подтверждающего окончание приема информации, предполетная подготовка считается завершенной, и в ЭВМ 4 передается команда, разрешающая прием информационных сигналов, которые формируются на выходе блока 15 обработки данных измерений и передаются по магистрали M1.

Блок 15 производит комплексную обработку величин, измеренных ИНУ 10, датчиком 16 угловых скоростей 16 и радиовысотомером 17, и формирует на выходе текущие значения следующих параметров движения БПЛА:

- проекций угловых скоростей _X, _Y, _Z,

- углов ориентации по курсу (), крену () и тангажу ();

- пространственного положения БПЛА в стартовой системе координат - горизонтальной дальности (X), высоты полета (Y=H=Н_ИНУ), бокового отклонения (Z), измеренных ИНУ 10;

- продольной и боковой составляющих линейной скорости (V_X, V_Z);

- вертикальной составляющей скорости , измеренной ИНУ 10;

- высоты полета Н_рв, измеренной радиовысотомером 17, и признака достоверности измерений радиовысотомера - f_рв.

Сигналы Н_рв, Н_ИНУ высоты полета, измеренной радиовысотомером 17 и инерциальным навигационным устройством 10, сигнал вертикальной скорости, измеренной ИНУ 10, и сигнал f_рв достоверности измерений радиовысотомера, формируемые блоком 15, поступают в устройство 5 комплексной оценки высоты и вертикальной скорости.

В блоке 21 коррекции высоты и вертикальной скорости устройства 5, представляющем собой вычислитель, реализующий соотношения (1.1.- 1.7), формируются сигналы и , соответствующие оптимальной оценке вертикальной скорости и высоты полета.

Выходные сигналы , H_K блока 21, а также сигналы , H_ИНУ и управляющий сигнал включения корректировки, поступающий из ЭВМ 4 СУД, поступают на входы блока 22 мажоритарной обработки, в котором производится обработка сигналов по принципу мажоритарного голосования, обеспечивая тем самым робастное оценивание высоты и вертикальной скорости.

Сигналы и поступают на первый и второй входы блока 35 определения медианы трех сигналов, который выделяет среднее выборочное значение в соответствии с зависимостью (2.2), при этом третьим входным сигналом блока 35 является его выходной сигнал, задержанный на один такт вычислений в блоке 37, т.е. предыдущее значение сигнала . В начальный момент времени, соответствующий первому такту вычислений, значение сигнала .

Такой способ выборочного оценивания позволяет ликвидировать одиночные выбросы в сигналах и и обеспечить формирование оценочного значения сигнала при кратковременных пропаданиях одного из сигналов, что может быть связано либо со сбоями измерителей (ИНУ) либо с некорректной работой алгоритма оптимального оценивания (блок 21).

Сигнал поступает в интегратор 38, формирующий интегральное значение высоты - H_IM, которое подается на четвертый вход блока 36 определения медианы пяти сигналов совместно с сигналами H_K, H_ИНУ, Н_РВ, поступающими на третий, второй и первый входы блока 36. На пятый вход блока 36 поступает формируемое на его выходе оценочное значения высоты Н_м , задержанное на 1 такт в блоке 39 задержки - Н_м(t-1).

Оценивание высоты полета по пяти значениям (в соответствии с зависимостью 2.2) дает еще более точное значение Н_м высоты полета по сравнению с оценочным значение вертикальной скорости , формируемым блоком 35. Наличие пяти входных сигналов, два из которых (H_ИНУ и Н_РВ), получены прямыми измерениями, а три (H_K, Н_м(t-1), H_IM), - оценочным путем, позволяет получать оценочное значение сигнала при кратковременных отказах обоих измерителей (РВ 17 и ИНУ 10), имеющихся на борту БПЛА, и определять высоту полета по оценкам, исключая при этом оценку, содержащую максимальное изменение. Кроме того, такое оценивание позволяет избежать накопление ошибки, свойственное инерциальным измерителям (H_ИНУ ) и алгоритмической чувствительности, присущей методам оптимального оценивания (H_K).

Выходные сигналы и Н_м блоков 35, 36 совместно с сигналами и H_ИНУ, поступают на управляемые ключи 40 и 41, которые в зависимости от значения управляющего сигнала , поступающего из ЭВМ 4 СУД, формируют выходные сигналы и H(t) устройства 5 в соответствии со следующей логикой:

Использование сигналов H_ИНС и , обусловлено тем, что до выхода летательного аппарата на заданную траекторию (достижения первой опорной точки), целесообразно движение по сигналам инерциальных измерителей, имеющих в начале полета наивысшую точность.

Сформированные устройством 5 сигналы H{t) и передаются в качестве измеренных высоты и вертикальной скорости в ЭВМ 4 СУД.

Одновременно из блока 15 обработки данных измерителей в ЭВМ 4 СУД передаются текущие значения угловых параметров ориентации БПЛА - _X, _Y, _Z, , , , текущие значения продольной и боковой составляющих скорости V_X, V_Z, текущие координаты горизонтальной дальности X и бокового отклонения Z. На основании полученных данных ЭВМ 4 СУД в соответствии с алгоритмами управления и стабилизации формирует управляющие сигналы ₁, ₂, ₃, ₄, которые, поступая на исполнительное устройство 6, приводят к отклонению рулей БПЛА в сторону первой опорной точки полетного задания - .

₁=_Н-_Э;

₂=_В;

₃=_Н-_Э;

₄=_В;

При этом цифровые сигналы в каналах курса (_Н), крена (_Э) и тангажа (_В), определяются следующим образом:

Здесь - отклонение от программного угла курса;

- отклонение от программного угла тангажа;

- угол рыскания (курса);

- программный угол курса;

- угол тангажа;

- программный угол тангажа;

- угол крена;

_X, _Y, _Z - проекции угловой скорости на связанные оси БПЛА; F(z) - сигнал управления боковым отклонением;

F(h) - сигнал управления отклонением по высоте;

K, , K, , K_S, , , K_Z, , K_H, , K_SH - коэффициенты управлении и стабилизации;

Одновременно с этим ЭВМ 4 СУД вычисляет текущее отклонение БПЛА от первой опорной точки i=1:

В момент, когда отклонение дальности ЭВМ 4 СУД вырабатывает команду и переключается на следующую точку полетного задания i=2, после чего алгоритм вычисления отклонений БПЛА от опорной точки повторяется при движении по всем точка маршрута.

После выработки в устройство 5 поступает команда , по которой на выходы устройства 5 поступает команда передаются оценочные значения высоты и вертикальной скорости, сформированные блоками 35, 36, т.е. начинается комплексирование показателей высоты и вертикальной скорости и передача в ЭВМ 4 СУД уточненных значений этих показателей.

В момент, когда i=i^РЛС, ЭВМ 4 СУД вырабатывает команду , которая передается в систему 3 обнаружения и сопровождения объекта мониторинга, которая включается после поступления команды и начинает передавать в ЭВМ 4 СУД признак обнаружения объекта мониторинга, дальность до объекта мониторинга D_OM и сигналы , углов рассогласования по курсу и тангажу между направлением движения БПЛА и осью диаграммы направленности антенны системы 3.

Далее управление движением БПЛА осуществляется по сигналам системы 3, вплоть до достижения конечной точки маршрута.

По достижении конечной точки маршрута i=i^end ЭВМ 4 СУД вырабатывает команду выключения системы 3 и начинает вырабатывать сигналы управления, соответствующие движению БПЛА в точку возврата - . При этом вычисляются сигналы отклонения , , и дальность до конечной точки - .

Таким образом, введение в устройство измерения параметров движения блока мажоритарной обработки обеспечивает оптимальную оценку измеряемых величин по критерию модуля рассогласований. В результате кратковременные отказы радиовысотомера или неоптимальная оценка высоты и вертикальной скорости, выдаваемая блоком коррекции, не приводят к ухудшению точности управления БПЛА и не снижают надежность системы управления в целом.

Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемая система управления может быть изготовлена на основании приведенного описания и чертежей при использовании известных комплектующих изделий и известного технологического оборудования и использована для оснащения БПЛА, предназначенных для высокоточного приведения к объектам мониторинга.

1. Система управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА), содержащая систему обнаружения и сопровождения объекта мониторинга и систему управления движением (СУД), которая включает электронно-вычислительную машину (ЭВМ) СУД, исполнительное устройство и устройство измерения параметров движения, в состав которого входят радиовысотомер, блок коррекции высоты и вертикальной скорости, блок обработки данных измерителей и инерциальное навигационное устройство (ИНУ), содержащее гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней датчиками положения платформы, маятниковыми и струнными акселерометрами, выходы которых подключены к соответствующим входам блока обработки данных измерителей, а также входит блок выработки сигналов выставки ГСП, выходы которого соединены с входами соответствующих исполнительных механизмов ГСП, выходы блока обработки данных измерителей, на которых формируются сигналы текущих значений высоты и вертикальной скорости, измеренных ИНУ, соединены с соответствующими входами блока коррекции высоты и вертикальной скорости, а выходы, на которых формируются сигналы текущих значений продольной и боковой скорости, горизонтальной дальности, бокового отклонения, углов курса, крена и тангажа соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, выход которой по сигналу текущего значения скорости полета БПЛА и входы по сигналу текущего значения дальности объекта мониторинга и сигналам углов рассогласования по курсу и тангажу соединены с соответствующим входом и выходами системы обнаружения и сопровождения объекта мониторинга, а выходы ЭВМ СУД по сигналам управления высотой полета и углами курса, крена и тангажа БПЛА соединены с соответствующими входами исполнительного устройства, отличающаяся тем, что устройство измерения параметров движения дополнительно содержит блок мажоритарной обработки и блок датчиков угловых скоростей, выходы которого и выходы радиовысотомера соединены с соответствующими входами блока обработки данных измерителей, выходы которого по сигналам угловых скоростей БПЛА соединены с соответствующими входами ЭВМ СУД, а выходы, на которых формируются сигнал текущего значения высоты, измеренной радиовысотомером, и сигнал достоверности измерений радиовысотомера, соединены с соответствующими входами блока коррекции высоты и вертикальной скорости, при этом блок мажоритарной обработки содержит блок определения медианы трех сигналов, блок определения медианы пяти сигналов, два блока задержки на один такт, интегратор блока мажоритарной обработки и два управляемых коммутатора блока мажоритарной обработки, выходы и управляющие входы которых соединены с ЭВМ СУД, первый вход блока определения медианы трех сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение вертикальной скорости, второй вход соединен с выходом блока обработки данных измерителей, на котором формируется текущее значение вертикальной скорости, измеренной ИНУ, а третий вход через первый блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, на котором формируется оценочное значение вертикальной скорости, первый и второй входы блока определения медианы пяти сигналов соединены с выходами блока обработки данных измерителей, на которых формируются текущее значение высоты, измеренной ИНУ, и текущее значение высоты, измеренной радиовысотомером, третий вход блока определения медианы пяти сигналов соединен с выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется откорректированное значение высоты, четвертый вход блока определения медианы пяти сигналов через интегратор блока мажоритарной обработки соединен с выходом блока определения медианы трех сигналов, а пятый вход через второй блок задержки на один такт соединен с выходом блока определения медианы пяти сигналов, на котором формируется оценочное значение высоты, выход блока определения медианы трех сигналов и выход блока определения медианы пяти сигналов соединены соответственно с первыми входами первого и второго управляемых коммутаторов блока мажоритарной обработки, вторые входы которых соединены соответственно с выходами блока обработки данных измерителей, на которых формируются сигнал текущего значения вертикальной скорости, измеренной ИНУ, и сигнал текущего значения высоты, измеренной ИНУ.

2. Система управления беспилотным летательным аппаратом по п.1, отличающаяся тем, что блок коррекции высоты и вертикальной скорости содержит четыре блока разности, блок умножения, вычислитель переменных коэффициентов, управляемый ключ, два сумматора и три интегратора, при этом первый и второй входы блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на которые поступают сигнал текущего значения высоты, измеренного ИНУ БПЛА, и сигнал текущего значения высоты, измеренного радиовысотомером, соединены с входами первого блока разности, выход которого соединен с сигнальным входом управляемого ключа, управляющий вход которого и управляющий вход вычислителя переменных коэффициентов соединены с третьим входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на который поступает сигнал достоверности измерений радиовысотомера, выход управляемого ключа соединен с первым входом второго блока разности, выход которого соединен с первым входом умножителя, второй вход которого соединен с выходом вычислителя переменных коэффициентов, к первому выходу умножителя подключен первый вход второго сумматора, второй вход которого и второй вход четвертого блока разности соединены с выходом второго интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, первый вход первого сумматора соединен со вторым выходом умножителя, третий выход которого через первый интегратор соединен со вторым входом первого сумматора, выход второго сумматора через третий интегратор соединен со вторым входом второго блока разности и вторым входом третьего блока разности, первый вход которого соединен с первым входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, а выход образует выход блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется сигнал откорректированного значения высоты полета БПЛА, первый вход четвертого блока разности соединен с четвертым входом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на который поступает сигнал вертикальной скорости, измеренной ИНУ БПЛА, а выход четвертого блока разности является выходом блока коррекции высоты и вертикальной скорости, на котором формируется сигнал откорректированного значения вертикальной скорости БПЛА.