. СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИНИ И МИКРО-БПЛА
СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИНИ И МИКРО-БПЛА

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИНИ И МИКРО-БПЛА

1 Бортові системи керування 45 УДК В. И. КОРТУНОВ 1, А. В. МАЗУРЕНКО 1, ВАТИК МУХАММЕД АЛИ ХУСЕЙН 2 1 Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина 2 Политехнический университет, г. Духок, Ирак СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ МИНИ И МИКРО-БПЛА Рассмотрены и проанализированы основные средства управления мини и микро-бпла, в частности системы автоматического управления - автопилоты (АП) и средства связи. Приведены результаты анализа современных автопилотов представленных на рынке авионики мини и микро-бпла, их технические характеристики, аппаратные особенности, функциональные возможности. Дано их сравнение по различным техническим характеристикам вычислительной мощности центральной бортовой электронно-вычислительной машины, точности позиционирования, интерфейсным связям между модулями, каналам управления и поддерживаемым типам ЛА. Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат; система автоматического управления; автопилот; микромеханические датчики; наземная станция управления; полезная нагрузка. Введение Применение БпЛА открывает возможность оперативного и недорогого способа выполнения ряда специфических задач [1]: - разведка труднодоступных районов, в которых получение информации обычными средствами, включая обычную авиаразведку, затруднено или же подвергает опасности здоровье и даже жизнь людей, либо экономически не выгодно; - периодическое наблюдение за заданными районами, где требуется наблюдение за местностью и объектами на ней с воздуха, в том числе и с высокоточным определением координат объектов (мониторинг состояния энергетических коммуникаций, газо- и нефтепроводов, авиалесоохрана и т.д); - цифровое фотографирование для использования в геодезических работах и в случаях чрезвычайных ситуаций; - доставка грузов и выполнение специфических видов работ (обработка химикатами сельскохозяйственных посевов, участие в спасательных операциях) и т.д. Комплекс управления современных мини и микро-бпла состоит из бортовой системы автоматического управления (САУ) или автопилота и наземного оборудования наземной станции управления (НСУ). В их состав входят различные датчики и вычислительные устройства со специализированным программным обеспечением, аппаратура контроля, управления и связи, электропитания. САУ современных мини и микро-бпла основывается на микромеханических датчиках давления, угловых скоростей и ускорений (МЕМS-сенсорах), а так же микромагнетометрах (магнитных компасах) и приемниках спутниковых радионавигационных [2-4]. Такие сенсоры позволяют проектировать микро- мини системы измерения параметров движения (бесплатформенные инерциальные навигационные системы БИНС) и системы управления различными ЛА от самолета с классической компоновкой до оригинальных аппаратов вертикального взлета и посадки. Объединение БИНС, навигационной системы (НС) и системы управления в единое устройство дало понятие автопилота, как многофункционального устройства по управлению мини и микро- БпЛА. В данной работе анализируются возможности современных автопилотов различных фирмпроизводителей, а также нерешенные для них задачи технического и математического характера. Приведены основные параметры средств связи и их коммуникативные возможности для АП. Бортовое оборудование для управления БпЛА В состав бортового оборудования пилотируемых и беспилотных ЛА входит САУ, как совокупность устройств и систем измерения, вычисления, управления и наведения [3]. Основные функциональные задачи САУ следующие: - определение параметров ориентации и скоростных параметров ориентации (угловых скоростей); - определение пространственных (широта, долгота и высота) и скоростных (путевой и воздушной скорости) координат ЛА, а также путевого угла; - определение параметров траекторного управ- В. И. Кортунов, А. В. Мазуренко, Ватик Мухаммед Али Хусейн

2 46 ISSN РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, 1 (75) ления наведения на промежуточный пункт маршрута (ППМ) (заданный курс, заданная высота и заданная скорость); - хранение и смена маршрута по команде с НСУ; - определение и выработка управляющих сигналов на органы управления (сервоприводы - СП) на этапах взлета, выполнения маршрута и посадки в полуавтоматическом и автоматическом режимах полета; - контроль исполнения маршрута (выход за зону полета, снижение до критической высоты, потери приема сигналов спутниковой навигационной системы (СНС)); - контроль состояния бортового оборудования (электропитание, уровень топлива, потеря связи с НСУ); - контроль действий оператора БпЛА и обеспечение функций безопасности при снижении электропитания, полета в запретной зоне, пропадания сигнала СНС. Формирование большинства параметров для управления производится БИНС с использованием алгоритмов инерциальной навигации. Реализация БИНС в САУ для мини и микро-бпла основана на применении недорогих малогабаритных МЕМSсенсоров. Этим датчикам свойственны значительные уровни шумов и смещения нуля, что приводит к большим погрешностям исходной информации от БИНС. Для уменьшения медленно изменяющихся погрешностей БИНС ее параметры корректируются от внешних измерителей: приемника СНС (GPS, ГЛОНАСС), который измеряет компоненты векторов положения и путевой скорости; системы воздушных сигналов (СВС), которая измеряет барометрическую высоту и воздушную скорость; магнитометра, который измеряет магнитный курс. Интеграция или комплексирование данных от БИНС, СВС, магнитного компаса и СНС осуществляется с помощью алгоритмов фильтрации, в частности и калмановской фильтрации. Полученные в БИНС оценки параметров полета являются входной информацией для системы управления полетом (СУП). Навигационная информация также передается на НСУ с помощью двустороннего канала радиосвязи командно телеметрической линии (КТЛ). Система управления состоит из программноаппаратной части по вычислению и выработке сигналов управления непрерывного типа (ШИМ-сигнал сигнал с широтно-импульсной модуляцией) и дискретного типа. Программно-алгоритмическая часть системы управления определяет отклонения текущих навигационных параметров полета БпЛА (угловой ориентации, координат положения и проекций скорости) от заданных параметров, определяемых полетным заданием, и формирует сигналы управления для СП с целью уменьшения этих отклонений. Как правило, архитектура законов управления каналами многоуровневая, да и число каналов управления может достигать до пяти и более. Например, система управления мультироторным (МР) БпЛА, включает каналы управления местоположением, горизонтальной скоростью, углами наклона, а также высотой, вертикальной скоростью, курсом. Выделяют также вертикальный, продольный и боковой каналы управления МР и самолета. Кроме функций формирования и выработки сигналов, САУ включает множество функций настройки-калибровки передаточных функций датчиков, коэффициентов каналов управления, исполнительных механизмов. Одна группа коэффициентов устанавливается на предполетном этапе, а другая может быть подобрана только в полете в определенном режиме, например, крейсерский полет на заданной высоте, посадка и др. Большинство автопилотов поддерживают мультирежимность управление в ручном и полуавтоматическом режимах от пульта радиоуправления (джойстика) и автоматическом режиме через НСУ. Переход из режима в режим, как правило, доступен оператору. Система управления поддерживает мягкие переходы между режимами, к чему особенно чувствительно управление в вертикальном канале для мультироторов. В ручном режиме сигналы с пульта радиоуправления проходят через автопилот на СП. В полуавтоматическом режиме для мультироторов и самолетов стабилизируется курс, высота, скорость. Автоматический режим обеспечивает полет по заранее заданному, с помощью промежуточных контрольных точек, маршруту. В этом режиме управление осуществляется по принципу «наведение-стабилизация». При этом в автоматическом режиме БпЛА может выполнять автономный полет без связи с НСУ. Современные автопилоты мини и микро-бпла имеют простую конструкцию и легко могут быть реализованы, однако не все автопилоты являются оптимальными и имеют высокую надежность. Кроме того, для некоторых режимов полета настройка параметров системы управления может вызвать серьезные трудности. Поэтому в настоящее время проводятся активные исследования относительно применения современных методов теории управления для синтеза законов управления и появляются новые САУ мини и микро-бпла. При создании новых образцов БпЛА возникает первый вопрос как управлять ЛА во всех режимах и на всех этапах полета. Поэтому вопрос выбора

3 Бортові системи керування 47 САУ или автопилота становится центральным, так как необходимо выполнить требования по функциям и исполнению. Сравнительной информации о возможностях автопилотов практически не представлено в публикациях, на форумах идет поверхностное обсуждение, а детальная информация имеется только в руководстве пользователя после приобретения. В Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» разработка САУ для БпЛА проводиться с 2006 года [5-7] и в последних версиях был учтен широкий спектр требований по функциям автопилота, применяемого для мониторинга, разведки, аэрофотосъемки или доставки грузов с обеспечением безопасности полетов. Сравнительный анализ современных автопилотов Рассмотрим особенности некоторых автопилотов, которые представлены на свободном рынке авионики БпЛА. Автопилоты серии MP2x28 фирмы Micropilot (Канада). Фирма Micropilot является одним из мировых лидеров по производству автопилотов для БПЛА (более 850 клиентов в 70 странах мира). Выпускает серию автопилотов MP2х28 предназначенных для использования на мини-бпла самолетного, вертолетного, а также мультироторного типов [8]. Автопилоты этой серии интегрируют в себе трехосевую БИНС, приемник спутниковой навигационной системы, датчик дифференциального давления (для самолетной версии автопилота). Дополнительно автопилот поддерживает работу с трехосевым магнетометром (магнитным компасом). Разработана также версия автопилота с троекратным резервированием (три параллельных автопилота серии MP2х28). Стоимость автопилотов серии MP2х28 для БПЛА самолетной схемы колеблется от $1700 до $8000 [8-10]. Размеры автопилота MP2128 в базовом одноплатном бескорпусном исполнении составляют 100x40х15 мм при весе всего 24 грамма [8]. Автопилот «Vector» фирмы UAV Navіgatіon (Испания). Компанией UAV Navіgatіon разработан и с 2014 года производился профессиональный автопилот «Vector», который пришёл на смену «АР04», выпускавшемуся с 2004 по 2014 гг. Он может использоваться на мини-бпла самолетного, вертолетного и мультироторного типа [11]. АП может использоваться как на БпЛА, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, так и электрическими и реактивными двигателями. «Vector» это полностью интегрированный автопилот с возможностью ручного управления БпЛА, встроенным радиоканалом и возможностью управления полезной нагрузкой. Данный автопилот обеспечивает автоматический взлет, полет по заданному маршруту и автоматическое приземление. Встроенный радиоканал позволяет передавать данные на расстояние до 100 км. Механизм ручного управления позволяет оператору на земле полностью управлять БпЛА с помощью стандартного джойстика или стандартной аппаратуры управления, предназначенной для авиамоделей. АП «Vector» содержит дублирующий микропроцессор, который обеспечивает высокий уровень безопасности и отказоустойчивости, самотестирование датчиков. Фактически «Vector» может быть единственной аппаратурой управления на борту для большинства БпЛА. Автопилот позволяет управлять шестнадцатью рулевыми машинками или другой периферией. Он обеспечивает автоматический полет по маршруту в виде контрольных точек, которые имеют три измерения (широта, долгота, высота). Ориентировочная стоимость автопилота «Vector» составляет от 6000 евро. Автопилоты серии Piccolo фирмы Cloud Cap Technology, Inc. (США). Компания Cloud Cap Technology также является одной из ведущих компаний в области технологий БпЛА. Семейство автопилотов Pіccolo включает несколько модификаций, и все они разработаны для управления БпЛА самолетного, вертолетного и мультироторного типов. «Pіccolo II» является полнофункциональным автопилотом c интегрированной БИНС, GPS-приемником, системой воздушных сигналов и радиомодемом в облегченном карбоновом корпусе. АП поддерживает все основные функции автопилотов профессионального класса: автоматический взлет, посадка, прохождение по маршруту т.д., а также обладает широкими возможностями по управлению периферийными устройствами (полезная нагрузка, приемо-передатчики спутниковой связи) и поддерживает дифференциальный режим работы GPS-приемника, что обеспечивает сантиметровую точность определения местоположения ЛА [12]. Как и АП «Vector» может быть единственной аппаратурой управления на борту БПЛА. Недостаток относительно большие размеры: 142х46х63 мм и масса (200 г), что затрудняет его использование, по крайней мере, на микро-бпла. Более подходящими для использования на мини и микро-бпла являются модификации «Pіccolo SL» и «Pіccolo Nano». «Pіccolo SL» представляет собой упрощенный вариант «Pіccolo II» с меньшими массогабаритными показателями (размеры: 131x57x19 мм и масса 110г) при тех же основных функциях. Изго-

4 48 ISSN РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, 1 (75) тавливается в алюминиевом корпусе. Инерциальные датчики калиброваны для рабочих температур от - 40 C до +80 C. «Pіccolo Nano» оптимальный по размерам автопилот для небольших электрических БпЛА и представляет собой модульный автопилот в бескорпусном исполнении с размерами модуля БЦВМ 77x46x11 мм. По сравнению со «старшими» братьями семейства имеет несколько более узкий температурный диапазон калибровки датчиков (-30 C +80 C) и немного более широкий диапазон питающих напряжений (+6В +30В). Аппаратура Pіccolo позволяет осуществлять управление несколькими автопилотами с помощью одной наземной станции управления. Базовая цена автопилотов Pіccolo не менее $8000. Ограничение автопилота необходимость авторизации клиента (получение разрешения) при экспорте автопилота за пределы территории США. Автопилот «GNC1000» фирмы Moog Crossbow's (США). Комплект автопилота «GNC1000» для средних БПЛА производится фирмой Moog Crossbow's [13]. Содержит достаточно производительный процессор MPC5674F с тактовой частотой 264 МГц и широкий набор сетевых интерфейсов (RS-485, CAN, Ethernet и др.). Мощные вычислительные возможности гарантируют выполнение в реальном времени алгоритмов расширенной Калмановской фильтрации и реализацию алгоритмов управления. Конструктивное исполнение соответствует уровню защиты от внешних воздействий по стандарту IP67, также соответствует военным стандартам США (MIL-STD-461F, MIL-STD-810G, DO- 160G) по электромагнитной совместимости, вибрационным и ударным нагрузкам и электростатической защите. Недостатки небольшое количество (шесть) выходов для управления сервоприводами с ШИМ-сигналом, относительно большие размеры (100х15х75 мм) и масса (около 1,4 кг), возможно необходимо разрешение на экспорт за пределы территории США. Базовая цена, к сожалению, не известна. Автопилоты «Kestrel» фирмы Procerus Technologies (США). Автопилот «Kestrel» разработан фирмой Procerus Technologies одним из отделений известной американской фирмы Lockheed Martin. Версия 2х этого АП имеет относительно небольшие габариты (51х35х12 мм) и вес (16 г), что важно для микро-бпла. Размеры третьей версии автопилота уже больше и составляют 127х57х36 мм при весе в бескорпусном варианте всего 21 г. При этом автопилот интегрирует производительный вычислитель (для версии v2.х процессор Rabbit3000, для версии v3.0 цифровой сигнальный процессор), БИНС, магнетометр, радиомодем и систему воздушных сигналов. Дополнительно подключается модуль GPS-приемника [14, 15]. Автопилот ориентирован на самолетный вариант БпЛА, но также может использоваться и на БпЛА вертолетного и мультироторного типа. Может выполнять автоматические взлет/посадку, полет по маршруту, также предусмотрена предполетная проверка датчиков. Алгоритм работы базируется на традиционном PID-регуляторе с возможностью расширенной настройки коэффициентов. Также автопилот поддерживает совместную работу с цифровыми системами обработки видеоизображения (OnPointTM Vision Systems) той же фирмы-разработчика. Недостатки в версии v2.x только четыре канала управления стандартными сервоприводами (4 ШИМ-выхода), для увеличения нужно использовать дополнительную плату расширения, в версии v3.0 таких выходов одиннадцать, три из них высокоскоростные, но при этом основной модуль значительно больших размеров. Кроме того, АП «Kestrel» поддерживает управление только ограниченным количеством типов мультироторных аппаратов трикоптером и квадрокоптером. А также высокая цена от $5000. АП также проходит по программе США контроля за экспортом. Автопилоты серии «YS» фирмы Zero UAV Intelligent Technology Co., Ltd. (Китай). Автопилот ориентирован на БпЛА мультиротороного типа [16]. Относительно недавно появился на рынке авионики БпЛА. Имеет неплохие массогабаритные параметры размеры основного модуля 71х41х25 мм, вес 119 г, встроенный демпфер для БИНС, хорошую функциональность (кроме стандартного набора функций поддержка гиростабилизированной платформы полезной нагрузки и управление цифровой фотоаппаратурой для решения задач в составе геоинформационной системы, управления с помощью смартфона и т.д.). Существует также версия с двукратным резервированием (два параллельных АП работающих совместно). Достоинство этого АП в его относительно не высокой стоимости при достаточно широкой функциональности. Ориентировочная стоимость базового комплекта порядка $900. Недостатки заключаются в том, что он поддерживает управление только БпЛА мультироторного типа, использует в качестве КТЛ только Wi-Fi модуль, количество промежуточных точек маршрута ограничено только пятьюдесятью. Кроме того, как показывает практика, к продукции китайских компаний часто возникают претензии по качеству продукции и технической поддержке.

5 Бортові системи керування 49 Автопилот «Pixhawk» (PX-4) компании 3Drobotics, Inc. (США). Автопилот «Pixhawk» (PX-4) это один из лучших на сегодняшний день так называемых «открытых проектов» (open source project), то есть проектов с открытым кодом и схемами [17]. Является развитием таких открытых проектов как Ardupilot, APM. Разрабатывается, поддерживается и тестируется большим количеством независимых разработчиков со всего мира. Изготавливается промышленно и продвигается на рынке авионики компанией 3D-robotics [18]. Имеет хорошие массогабаритные показатели: размеры основного модуля 82х50х16 мм, вес 38 г. В составе АП используется мощный современный ARM-микроконтроллер с вычислительным ядром Cortexтм-M4 с тактовой частотой 168 МГц. Реализована стандартная для такого класса АП функциональность. Ориентировочная стоимость базового комплекта $450-$500. В открытости проекта есть и плюсы и минусы. Достоинства заключаются в доступности исходных кодов, которые «продвинутый» потребитель может адаптировать под свои задачи, а также то, что при большом количестве независимых разработчиков есть возможность оперативно расширять функциональность, тестировать АП и устранять ошибки (но и добавлять свои). Расширяемость проекта для других пользователей приводит к повышенному уровню ошибок, так как не гарантируется 100%-я тестовая проверка внесенных изменений. Использование такого АП предполагает тщательное тестирование опытного образца в полете, выявление недоработок. Другая сторона открытости проекта таит в себе его недостаток. Он заключается в том, что управление БпЛА с открытым кодом можно «перехватывать», что недопустимо при их использовании для решения специальных задач. Кроме того, «открытые» проекты, как правило, не обеспечивают достаточной технической поддержки пользователя, который остается «один на один» с приобретенным АП или ищет «друзей» на форумах для решения возникшей проблемы. Автопилот «АП-АВИА» ООО «КБ АВИА» (Украина). Конструкторским бюро «АВИА» разработан отечественный автопилот АП-АВИА (рис. 1), получен опыт его эксплуатации на БпЛА отечественного и зарубежного производства. Автопилот «АП-АВИА v3.x» выполнен на основе бесплатформенной инерциальной навигационной системы на интегрированных микромеханических датчиках с использованием оригинальных собственных алгоритмов управления БпЛА. Построен по мини-модульной легко расширяемой структуре с использованием помехоустойчивого CAN-интерфейса связи между модулями. Модульная структура его конструкции позволяет легко размещать автопилот в свободных местах не только мини-, но и микро-бпла. «АП-АВИА» обеспечивает режимы автоматического взлета, посадки, автоматического полета по заданному маршруту, а также автоматического возврата в район взлета при превышении заданной дальности, при снижении напряжения питания ниже критического уровня для всех типов БпЛА. Включает легко модифицируемое, под потребности заказчика, программное обеспечение нижнего и верхнего уровней отечественной разработки. Поддерживаются различные типы ЛА от мультироторов с 3-мя моторами, до самолетно-вертолетных-гибридных ЛА. Достоинством также является постоянная техническая поддержка на территории Украины. Рис. 1. Комплект автопилота «АП-АВИА v3.x» Кроме вышеперечисленных существует большое количество коммерческих автопилотов, таких как, например, автопилоты серий Naza и WooKong фирмы DJI [19], «Panda» фирмы FeiYu Electronic Technology Co., Ltd. [20], автопилоты серий 35х1, 36х1 компании UNAV [21], автопилот RVOSD компании и RangeVideo [22] и т.д. Разработка собственного автопилота мини и микро-бпла является не простой научно-технической задачей для различных специалистов от математиков, программистов до механиков и испытателей. Обзор радиоканалов связи и управления используемых современными АП В зависимости от режимов полета и решаемых задач, которые может обеспечивать АП, для его функционирования на борту БпЛА могут использоваться следующие типы каналов связи: канал ручного радиоуправления радиоканал пульта управления (или джойстика) для управления БпЛА в ручном или полуавтоматическом режимах полета. В автоматическом режиме может использо-

6 50 ISSN РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, 1 (75) ваться на этапе предполетной подготовки БпЛА или для перехода в ручной\полуавтоматический режим полета; канал командно-телеметрической радиолинии используется во всех АП мини и микро-бпла, основной канал связи БпЛА с НСУ. Через этот канал управления и связи с борта БпЛА в режиме реального времени передаются текущие полетные параметры, а с НСУ могут передаваться команды управления для БпЛА во всех режимах полета; радиоканал полезной нагрузки может использоваться при решении некоторых пользовательских задач для передачи видео изображения в реальном масштабе времени на наземную приемную аппаратуру. В качестве пульта ручного управления мини и микро-бпла, как правило, используются унифицированные авиамодельные пульты [23, 24], которые передают ШИМ-сигналы управления ручных манипуляторов (ручек управления, дискретных переключателей) с помощью широкополосной модуляции несущей. Как правило, используется диапазон частот 2,4 ГГц. Используется также диапазон 30-40МГц, а в некоторых случаях для увеличения дальности действия применяются ВЧ-усилители с переносом на несущую частоту 433МГц. Радиус действия стандартного пульта ручного управления составляет десятки сотни метров, при использовании ВЧ-усилителей может увеличиваться до 3-50 км. В качестве основного канала КТЛ применяются низко- и среднескоростные радиомодемы различных диапазонов частот, мощности, модуляции, технологии передачи данных. Наиболее часто используемые диапазоны частот безлицензионные (в большинстве стран) диапазоны 2,4 ГГц, 900 МГц, 433 МГц, 868 МГц. При этом, как правило, используются промышленные радиомодемы, подключаемые по интерфейсу UART, например [25, 26]. Для передачи видео по радиоканалу чаще всего используются аналоговые радиомодемы. Их достоинство - малые габариты и цена. Недостатки - небольшой радиус действия (порядка нескольких километров, в зависимости от мощности передатчика) и низкое качество изображения (высокий уровень помех). В случае использования цифровых видеоканалов качество изображения существенно лучше, но возрастают цена и массогабаритные параметры. Для увеличения дальности действия радиоканалов АП кроме увеличения мощности радиопередающих устройств могут использоваться направленные антенны наземной аппаратуры с большим коэффициентом усиления. В этом случае требуется применение так называемого следящего антенноповоротного устройства (АПУ). Разработанное в Национальном аэрокосмическом университете им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» АПУ позволяет отслеживать угловое местоположение БпЛА с точностью ±3º, по информации бортового GPS-приемника, получаемой по каналу КТЛ. Разработанное АПУ способно вращать две антенны (КТЛ и видеоканала) общей массой до 2,5кг. Функциональное обеспечение АП Современные мини и микро-бпла выдвигают достаточно жесткие требования не только к техническим параметрам автопилотов, а также их функциональности. Функции САУ направлены на решение основных задач комплекса выполнение полетного задания (ПЗ) и обеспечение безопасности при эксплуатации. Однако различные сферы применения диктуют и различное исполнение по функциям вследствие следующих причин: - ограничение стоимости, так как на «дешевый» БпЛА логично установить «дешевый» АП с ограниченными функциями; - готовность к обучению операторов АП, их образовательный уровень определяет не только уровень пользовательского интерфейса, но и перечень функций и их содержательность. Например, выполнение геодезических задач с помощью БпЛА требует тщательной подготовки ПЗ, необходимо учесть возможности ЛА, погодных условий, рельефа поверхности съемки, характеристик фотокамеры. Как правило, эту задачу решают высокопрофессиональные специалисты, для которых упрощение САУ является несущественным даже в части интерфейса. Но если необходимо упростить управление БпЛА и применять непродолжительное обучение операторов, как в случае со специальным применением, то перечень функций АП расширяется как при выполнении миссии, так и при подготовке к полету; - необходимость длительного хранения, когда требуется не только заменить аккумуляторы после хранения, но и провести калибровки основных датчиков АП. В этом случае АП должен иметь набор функций по их самотестированию и калибровке; - разнообразие используемых карт, также изменяет набор функций по подготовке миссии. Иногда можно обойтись онлайн-картами, но при специальном применении БпЛА необходима электронная карта высокого разрешения в памяти компьютера НСУ; - необходимостью вмешательства оператора в выполнение ПЗ, например, прервать полет по погодным условиям, остановить БпЛА в текущей точке маршрута, а потом продолжить полет, обеспечение безопасности при снижении электропитания,

7 Бортові системи керування 51 потери связи, превышения дальности полета и др. Функции ПЗ обеспечиваются пользовательским интерфейсом подготовки к полету, набор специальных команд управления, а также интерфейсом управления БпЛА на этапе выполнения ПЗ. Они включают предполетную диагностику бортового оборудования и прекращение выполнения ПЗ при возникших отказах в АП с выполнением возврата домой или экстренной посадки. Например, в разработке «КБ АВИА» для мультироторного БпЛА используется семь команд (автоматический взлет, полет на точку и зависание, полет на точку с заданным курсом, полет на точку с вращением вокруг своей оси, облет точки с заданным радиусом, возврат домой, автоматическая посадка), которые позволяют организовать фотосъемку одиночных и площадных объектов. Также предлагаются дополнительные функциональные возможности: адаптируемое ПО наземной станции (с возможностью настройки интерфейса под заказчика); отсутствие ограничений по дальности применения; модульный принцип построения с возможностью разнесения модулей (связь модулей по CAN интерфейсу); возможность написания нетиповых команд по желанию заказчика; возможность настройки АП под различные радиомодемы (с интерфейсами UART, USART, CAN); сохранение полетных данных на microsd-карту памяти с частотой 20 Гц; возможность адаптации ПО АП под любой тип аппарата (самолет/вертолет/мультиротор/конвертоплан и др.). В таблице 1 приведена сравнительная характеристика некоторых современных АП по основным техническим и функциональным характеристикам. Сравнительная характеристика некоторых современных автопилотов Таблица 1 Характеристика АП-АВИА Pixhawk MP2128 g2 Kestrel v3.0 YS-X4V2 Поддерживаемые типы БпЛА Режимы управления Точность определения позиции (для МР) Точность определения углового положения Частота обновления сигналов управления Поддерживаемые каналы КТЛ Поддержка гиростабилизированного подвеса Интегрированный симулятор БпЛА Оценивание ветра Возврат домой при отказе GPS Интегрированный демпфер Рабочая температура самолет, вертолет, трикоптер, квадро-, гекса-, октокоптер ручной, полуавт., авт. полет по маршруту 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) ± 0,3º (крен, тангаж) ± 0,5º (курс) 100 Гц (200 Гц, 300Гц, 400 Гц) Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц), GSM (GPRS/3G) самолет, вертолет, трикоптер, квадро-, гекса-, октокоптер ручной, полуавт., авт. полет по маршруту 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) ± 0,3º (крен, тангаж) ± 0,5º (курс) 200 Гц Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц) самолет, трикоптер, квадро-, гекса-, октокоптер, вертолет (отдельная версия) ручной, полуавт., авт. полет по маршруту неизвестн. ± 2º 30 Гц, 400 Гц Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц), Inmarsat самолет, вертолет, трикоптер, квадрокоптер ручной, полуавт., авт. полет по маршруту неизвестн. ± 5º (крен, тангаж) неизвестн. Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц) квадро-, гекса-, октокоптер ручной, полуавт., авт. полет по маршруту 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) неизвестн. 100 Гц да да да да да WiFi да нет неизвестн. да нет да нет неизвестн. да нет да да неизвестн. да да да нет нет нет да -5ºC.. +60ºC -5ºC.. +60ºC -20ºC.. +65ºC -40ºC.. +80ºC -5ºC.. +60ºC

8 52 ISSN РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, 1 (75) Анализ возможностей современных АП Анализируя представленные данные по указанным АП, можно сделать следующие выводы. Все АП можно условно разделить на несколько классов: - «профессиональные»: «Vector» (UAV Navіgatіon), «Piccolo SL» (Cloud Cap Technology), «MP2x28» (Micropilot), «GNC1000» (Moog Crossbow's), «Kestrel» (Procerus Technologies), «АП-АВИА» (ООО «КБ АВИА»); - «среднего» класса: «Pixhawk (PX-4)» (3D-robotics), «Naza» (DJI), «YS» (Zero UAV Intelligent Technology), «Panda» (FeiYu Electronic Technology Co). - «любительского» уровня: 35х1, 36х1 (UNAV), RVOSD (RangeVideo) и др. Для большинства профессиональных решений требуется разрешение на экспорт из страны производителя и достаточно высокая цена. Большинство существующих АП используют однотипные (или одинаковые) микромеханические и радиоэлектронные сенсоры, поэтому качество решения навигационных задач зависит от алгоритмов работы АП, наличия температурной компенсации и качества калибровки датчиков. Чтобы не зависеть от поставки датчиков, а также для возможности дальнейшего расширения функциональности АП желательно иметь возможность установки нескольких типов датчиков. Такой возможностью на сегодняшний день обладают автопилоты «АП-АВИА» и, в меньшей степени, «Pixhawk», для других АП такая возможность либо отсутствует, либо отсутствует точная информация об этом. Для БпЛА малых размеров важны не только размеры модулей АП, а также возможность раздельной установки модулей (в свободном месте ЛА). Такую возможность, среди представленных АП, имеет только «АП-АВИА». Для динамичных («быстрых») БпЛА (особенно для ЛА мультироторного типа), безусловно, важна скорость реакции АП на изменяющуюся полетную обстановку, поэтому важным параметром является частота дискретизации (частота решения задачи управления). Чем она выше, тем лучше, хотя для динамики современных БпЛА увеличивать частоту дискретизации выше 1кГц особого смысла не имеет. Для большинства представленных АП частота дискретизации не превышает 200 Гц, хотя некоторые АП, такие как «MP2x28», «АП-АВИА», позволяют устанавливать частоту дискретизации до 400 Гц. Этот параметр непосредственно связан с частотой обновления данных датчиков. У «АП-АВИА», например, она составляет 800Гц. Это позволяет производить дополнительную обработку (например, дополнительную фильтрацию) сигналов датчиков. Частота дискретизации также зависит от быстродействия (тактовой частота работы) БЦВМ, которая должна за один такт дискретизации выполнять все операции по обработке сигналов датчиков и выработке сигналов управления. По производительности БЦВМ бесспорным лидером является АП «Pixhawk», который использует в качестве БЦВМ микроконтроллер с процессорным ядром ARM CortexTM -M4 с тактовой частотой 168МГц. Это позволяет реализовать очень сложные и требовательные к вычислительной мощности алгоритмы обработки и управления, хотя по результатам практического тестирования загрузка центрального процессорного устройства АП «Pixhawk» (даже с учетом использования в нем операционной системы реального времени) не превышает 30-40%. То есть БЦВМ этого АП выбрана с значительным запасом по вычислительной мощности (на перспективу). Выполнение полетов в сложных климатических условиях (при температурах ниже 0 С и выше +35 С) возможно только при наличии термокомпенсации сигналов датчиков. Для этого на этапе производства должна производиться температурная калибровка датчиков. Расширенным диапазоном рабочих температур обладают только АП профессиональной серии, например, «MP2x28» и «Kestrel». Точность управления БпЛА определяется точностью датчиков, которые используются в АП. С учетом того, что большинство АП используют однотипные (часто одинаковые) датчики качество управления в первую очередь и функциональные возможности определяются алгоритмами обработки сигналов датчиков и выработки сигналов управления. И здесь уже на первый план выходит программное обеспечение вычислительных устройств (БЦВМ и вспомогательных микропроцессорных устройств). Точность определения угловой ориентации для «АП-АВИА» и «Pixhawk» почти на порядок выше, чем для «MP2x28» и «Kestrel». Расширение функциональных возможностей АП может осуществляться при наличии достаточного количества интерфейсов для подключения внешних устройств. Для большинства БпЛА достаточным для управления является наличие 4-5 входных и выходных каналов с управлением ШИМ-сигналами, но в некоторых случаях могут понадобиться дополнительные каналы управления (например, для управления полезной нагрузкой). Среди рассмотренных наибольшим количеством (24 выходных канала) обладает «MP2x28» с дополнительным модулем расширения, хотя в «АП-АВИА» также возможно увеличение количества ШИМ-выходов при использовании дополнительных плат расширения. Также отличительной чертой «MP2x28» и

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎