СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2014 года по МПК G01M3/00 B64C19/00 

Изобретение относится к области диагностической техники, а именно воздушного мониторинга с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), и может быть использовано для систематического дистанционного контроля состояния локальных, региональных и магистральных нефте- и газопроводов, хранилищ, высоковольтных ЛЭП, особо важных объектов и других протяженных объектов.

Широко известны способы посадки БПЛА с помощью механических систем или парашюта. Недостатки этих способов следующие. В результате отсутствия автоматической посадки БПЛА увеличивается риск его падения из-за ошибки оператора. А способ посадки БПЛА на парашюте малоэффективен, поскольку парашют в свернутом положении занимает до 40% полезного объема летательного аппарата.

Наиболее близким для заявляемого способа является способ автоматической посадки беспилотного летательного аппарата (самолета), включающий измерение высоты полета H, горизонтальной дальности до расчетной точки касания D, отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось взлетно-посадочной полосы (ВПП) ΔZ, определение трех составляющих скорости V_x, V_y, V_z и ускорения ax, ау, а;, задание трех составляющих скорости V_xк, V_yк, V_zк и ускорения а_xк, а_yк, а_zк в расчетной точке касания, формирование опорной траектории снижения H₀(D,D₀) и Z₀(D,D₀) из точки начала снижения, находящейся на расстоянии D₀ от расчетной точки касания, определение отклонения самолета от опорной траектории снижения Δh=H-H₀(D,D₀) и ΔZ=Z-Z₀(D,D₀), формирование управляющих сигналов по результатам измерений и подачу их на исполнительные механизмы рулей самолета. Дополнительно задают предельные значения высоты полета H_max(D) и H_min(D) и бокового отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось ВПП, Z_max(D), формируют текущую заданную траекторию снижения того же функционального вида, что и опорная траектория снижения, из текущего положения самолета, из этой траектории определяют текущую заданную вертикальную V_y0(D) и горизонтальную поперечную V_z0(D) скорости полета и отклонения составляющих скорости

ΔV_y=V_y(D)-V_y0(D),

ΔV_z=V_z(D)-V_z0(D),

а формирование управляющего сигнала осуществляют по формулам

U_y(D)=k₁ΔV_y+k₂d(ΔV_y)/dt,

U_z(D)=k₃ΔV_z+k₄d(ΔV_z)/dt,

где k₁, k₂, k₃, k₄ - динамические коэффициенты самолета. При выполнении одного из условий: H(D)>H_max(D), H(D)<H_min(D), Z(D)>Z_max(D) снижение прекращается и осуществляется уход самолета на второй круг (патент РФ №2061624, МПК B64C 19/00, опубл. 10.06.1996).

Однако известный способ не учитывает распределение координат, скоростей и ускорений летательного аппарата в определенном диапазоне значений. Система управления летательным аппаратом склонна к накоплению ошибок, которые приводят к отклонению действительной траектории от заданной, особенно при эксплуатации летательного аппарата в сложных погодных условиях.

Задачей изобретения является повышение эффективности мониторинга протяженных объектов за счет повышения надежности посадки БПЛА.

Задача решается способом автоматической посадки беспилотного летательного аппарата, включающим измерение высоты полета Н, горизонтальной дальности до расчетной точки касания D, отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось взлетно-посадочной полосы (ВПП) ΔZ, определение трех составляющих скорости V_x, V_y, V_z и ускорения a_x, a_y, а_z, задание трех составляющих скорости V_xк, V_yк, V_zк и ускорения а_xк, а_yк, а_zк в расчетной точке касания, формирование опорной траектории снижения H₀(D,D₀) и Z₀(D,D₀) из точки начала снижения, находящейся на расстоянии D₀ от расчетной точки касания, определение отклонения беспилотного летательного аппарата от опорной траектории снижения Δh=H-H₀(D,D₀) и ΔZ=Z-Z₀(D,D₀), формирование управляющих сигналов по результатам измерений и подачу их на исполнительные механизмы рулей беспилотного летательного аппарата. В отличив от прототипа, в каждой точке траектории задают контрольный створ траекторий снижения беспилотного летательного аппарата в виде круга, лежащего на плоскости, перпендикулярной линии опорной траектории и с центром, лежащим на линии опорной траектории снижения, причем область контрольного створа определяют из уравнения и монотонно уменьшают пропорционально уменьшению расстояния до расчетной точки касания , где φ - минимально допустимая область створа, обеспечивающая безопасную посадку, а при выходе беспилотного летательного аппарата за область контрольного створа формируют новую опорную траекторию снижения при условии H₀(D₀)>H_min, где H_min - минимально допустимая высота безопасного полета, причем при невыполнении данного условия снижение прекращают и осуществляют уход на второй круг с набором высоты.

Согласно изобретению:

- формирование управляющих сигналов u_h и u_z осуществляют по следующим зависимостям:

для управления в вертикальной плоскости

;

для управления в горизонтальной плоскости

,

где k₁, k₂, k₃, k₄ - коэффициенты усиления составляющих управляющего воздействия;

- при достижении высоты начала выдерживания границы области створов H_П формируют новую опорную траекторию, причем на этой высоте в зависимости от параметров окружающей среды и действующих ветровых возмущений формируют экспоненциальную траекторию снижения с монотонно возрастающим углом тангажа.

Технический результат от использования заявляемого способа достигается за счет того, что учитывается распределение скоростей, ускорений и координат БПЛА. Это ведет к более точному определению места посадки БПЛА и, следовательно, к повышению надежности его посадки.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где изображено:

на фиг.1 - схема, иллюстрирующая работу БПЛА;

на фиг.2 - схема автоматической посадки БПЛА.

На фиг.1 обозначено: БПЛА 1, наземный пункт управления 2 БПЛА, включающий наземную аппаратуру и принимающую антенну, спутники 3, а также протяженный объект 4.

На схеме автоматической посадки БПЛА (фиг.2) обозначено:

5 - границы области контрольных створов;

6 - реальная траектория снижения БПЛА;

7 - сформированная опорная траектория снижения;

8 - точка формирования экспоненциальной траектории снижения;

9 - взлетно-посадочная полоса;

10 - область допустимых посадок;

11 - области контрольных створов для определенных моментов снижения.

Работа БПЛА в процессе мониторинга протяженного объекта осуществляется следующим образом.

Работа БПЛА 1 (см. фиг.1) состоит из запуска, облета маршрута по заданной траектории и посадки. В процесса полета с БПЛА 1 на наземный пункт управления 2 БПЛА по телеметрическому каналу передаются данные, полученные с датчиков бортовой системы диагностики состояния протяженного объекта 4, а также с датчиков, контролирующих полет БПЛА 1. С наземного пункта управления 2 БПЛА могут быть введены коррективы в траекторию полета по радиотелеметрическому каналу двунаправленной связи БПЛА 1 и наземного пункта управления 2. На наземном пункте происходит обработка информации, поступающей с БПЛА 1. Передача данных происходит в экономном режиме, чтобы не загружать двунаправленный канал связи. Более подробный анализ данных производят после посадки БПЛА.

В случае нахождения БПЛА 1 за пределами видимости наземного пункта управления 2 обмен информацией между ним и БПЛА 1 происходит по спутниковой связи: информация с БПЛА 1 по спутниковой связи с помощью спутников 3 передается на принимающую антенну наземного пункта управления 2, далее по проводным или беспроводным каналам связи на аппаратуру наземного пункта управления 2. При этом БПЛА 1 совершает облет местности по заданной траектории или возвращается в зону прямой видимости наземного пункта управления, в зависимости от программы полета.

Способ автоматической посадки беспилотного летательного аппарата включает: измерение высоты полета H, горизонтальной дальности до расчетной точки касания D, отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось взлетно-посадочной полосы (ВПП) ΔZ, определение трех составляющих скорости V_x, V_y, V_z и ускорения a_x, a_y, а_z, задание трех составляющих скорости V_xк, V_yк, V_zк и ускорения a_xк, a_yк, a_zк в расчетной точке касания, формирование опорной траектории снижения H₀(D,D₀) и Z₀(D,D₀) из точки начала снижения, находящейся на расстоянии D₀ от расчетной точки касания, определение отклонения беспилотного летательного аппарата от опорной траектории снижения Δh=H-H₀(D,D₀) и ΔZ=Z-Z₀(D,D₀), формирование управляющих сигналов по результатам измерений и подачу их на исполнительные механизмы рулей беспилотного летательного аппарата.

В каждой точке траектории задают контрольный створ прохождения траекторий снижения беспилотного летательного аппарата в виде круга 11, лежащего на плоскости, перпендикулярной линии опорной траектории и с центром, лежащим на линии опорной траектории снижения 7, причем область контрольного створа 5 описывают уравнением и монотонно уменьшают пропорционально уменьшению расстояния до расчетной точки касания , где φ - минимально допустимая область створа, обеспечивающая безопасную посадку (область допустимых посадок - 10) на взлетно-посадочную полосу 9, а при выходе реальной траектории снижения 6 беспилотного летательного аппарата за область контрольного створа 5 формируют новую опорную траекторию снижения при условии H₀(D₀)>H_min причем при невыполнении данного условия снижение прекращают и осуществляют уход на второй круг с набором высоты.

В частных случаях выполнения изобретения:

- формирование управляющих сигналов u_h и u_z осуществляют по следующим зависимостям:

для управления в вертикальной плоскости

;

для управления в горизонтальной плоскости

,

где k₁, k₂, k₃, k₄ - коэффициенты усиления составляющих управляющего воздействия;

- при достижении высоты начала выдерживания границ области створов H_П формируют новую опорную траекторию, причем на этой высоте в зависимости от параметров окружающей среды и действующих ветровых возмущений формируют экспоненциальную траекторию снижения с монотонно возрастающим углом тангажа.

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить эффективность мониторинга протяженных объектов за счет повышения надежности посадки БПЛА.

Изобретение относится к области применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и может быть использовано для систематического дистанционного контроля состояния нефте- и газопроводов, хранилищ, высоковольтных ЛЭП и других протяженных объектов. Способ автоматической посадки БПЛА включает измерение высоты полета H, горизонтальной дальности до расчетной точки касания D, отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось взлетно-посадочной полосы ΔZ, определении трех составляющих скорости и ускорения в расчетной точке касания, формирование опорной траектории снижения H₀(D,D₀) и Z₀(D,D₀) из точки начала снижения, находящейся на расстоянии D₀ от расчетной точки касания, определение отклонения БПЛА от опорной траектории снижения Δh=H-H₀(D,D₀) и ΔZ=Z-Z₀(D,D₀), формирование управляющих сигналов по результатам измерений и подачу их на исполнительные механизмы рулей БПЛА. В каждой точке траектории задают контрольный створ траектории снижения БПЛА в виде круга, лежащего на плоскости, перпендикулярной линии опорной траектории, и с центром, лежащим на линии опорной траектории снижения. При выходе БПЛА за область контрольного створа формируют новую опорную траекторию снижения. Повышается надежность работы и безопасность полетов БПЛА. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматической посадки беспилотного летательного аппарата, включающий измерение высоты полета H, горизонтальной дальности до расчетной точки касания D, отклонения от вертикальной плоскости, проходящей через ось взлетно-посадочной полосы (ВПП) ΔZ, определение трех составляющих скорости V_x, V_y, V_z и ускорения a_x, a_y, a_z, задание трех составляющих скорости V_xк, V_yк, V_zк и ускорения а_xк, а_yк, а_zк в расчетной точке касания, формирование опорной траектории снижения H₀(D,D₀) и Z₀(D,D₀) из точки начала снижения, находящейся на расстоянии D₀ от расчетной точки касания, определение отклонения беспилотного летательного аппарата от опорной траектории снижения Δh=H-H₀(D,D₀) и ΔZ=Z-Z₀(D,D₀), формирование управляющих сигналов по результатам измерений и подачу их на исполнительные механизмы рулей беспилотного летательного аппарата, отличающийся тем, что в каждой точке траектории задают контрольный створ траекторий снижения беспилотного летательного аппарата в виде круга, лежащего на плоскости, перпендикулярной линии опорной траектории, и с центром, лежащим на линии опорной траектории снижения, причем область контрольного створа определяют из уравнения
и монотонно уменьшают пропорционально уменьшению расстояния до расчетной точки касания ,
где φ - минимально допустимая область створа, обеспечивающая безопасную посадку, а при выходе беспилотного летательного аппарата за область контрольного створа формируют новую опорную траекторию снижения при условии H₀(D₀)>H_min, где H_min - минимально допустимая высота безопасного полета, причем при невыполнении данного условия снижение прекращают и осуществляют уход на второй круг с набором высоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование управляющих сигналов u_h и u_z осуществляют по следующим зависимостям:
для управления в вертикальной плоскости

для управления в горизонтальной плоскости

где k₁, k₂, k₃, k₄ - коэффициенты усиления составляющих управляющего воздействия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении высоты начала выдерживания границ области створов H_п формируют новую опорную траекторию, причем на этой высоте в зависимости от параметров окружающей среды и действующих ветровых возмущений формируют экспоненциальную траекторию снижения с монотонно возрастающим углом тангажа.