СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РУЛЕВЫХ ПРИВОДОВ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G05D1/08 

Изобретение относится к бортовым аналоговым и цифроаналоговым системам управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), в которых используются механические рулевые приводы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащий прием текущих сигналов управления по курсу, крену и тангажу, измерение скорости полета летательного аппарата, кинематическое распределение сигналов управления рулевых приводов и задание номинальных значений ограничения сигналов управления [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащее три входа сигналов управления - по курсу, крену и тангажу, последовательно соединенные датчик скорости полета летательного аппарата и блок кинематического распределения сигналов, сигналы с выходов которого являются выходными сигналами устройства, и задатчик номинальных значений ограничениия сигналов управления [1].

Недостатками известных способа и устройства являются ограниченные функциональные возможности в условиях широкого спектра условий полета по высоте и скорости и ограниченная точность управления БПЛА.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности управления БПЛА.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащий прием текущих сигналов управления по курсу, крену и тангажу, измерение скорости полета М летательного аппарата, кинематическое распределение сигналов управления рулевых приводов и задание номинальных значений ограничения сигналов управления, дополнительно введены формирование модульной функции принятых сигналов управления по курсу, крену и тангажу, масштабирование сигналов управления с коэффициентом запаса К_зап.≅0,2÷0,6, формирование текущих значений ограничения сигналов управления по курсу, крену и тангажу на основе разности масштабированных значений сигналов модульной функции смежных сигналов и номинальных значений ограничения в каждом из каналов курса, крена и тангажа соответственно, и формирование текущих сигналов управления для кинематического распределения на основе разности сигналов таким образом, что при отрицательном значении разностного сигнала управления соответствующего канала ограничение сигнала управления больше номинального значения в К^огр. раз, К^огр.>1.

Указанный технический результат достигается также и тем, что в известное устройство формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащее три входа сигналов управления - по курсу, крену и тангажу, последовательно соединенные датчик скорости полета летательного аппарата и блок кинематической развязки, сигналы с выхода которого являются выходными сигналами устройства для рулевых приводов, и задатчик номинальных значений ограничения сигналов управления, дополнительно введены первый управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по курсу, а выход с первым входом блока кинематической разводки, второй управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по крену, а выход - со вторым входом блока кинематической разводки, третий управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по тангажу, а выход - с третьим входом блока кинематической разводки, и задатчик текущих значений ограничения сигналов управления, первый второй и третий входы которого соединены с входами сигналов управления устройства по курсу, крену и тангажу соответственно, четвертый, пятый и шестой входы - с первым, вторым и третьим выходами задатчика номинальных значений ограничения сигналов управления соответственно, первый второй и третий входы блока кинематической разводки соединены с выходом первого, второго и третьего управляемых ограничителей сигнала соответственно.

На фиг. 1 представлена структурно-функциональная схема устройства формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, на фиг. 2 - схема расположения рулей, на фиг. 3 - блок-схема задатчика 7 для каналов курса, крена и тангажа.

Устройство формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата (фиг. 1) содержит три входа сигналов управления - по курсу, крену и тангажу, последовательно соединенные датчик скорости полета 1 (ДСП) летательного аппарата и блок кинематического распределения сигналов 2 (БКР), сигналы с выхода которого являются выходными сигналами устройства, и задатчик номинальных значений ограничения сигналов управления 3 (ЗНЗОСУ), первый управляемый ограничитель сигнала 4 (1УОС), первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по курсу, а выход с первым входом блока кинематического распределения сигналов 2, второй управляемый ограничитель сигнала 5 (2УОС), первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по крену, а выход - со вторым входом блока кинематического распределения сигналов 2, третий управляемый ограничитель сигнала 6 (3УОС), первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по тангажу, а выход - с третьим входом блока кинематического распределения сигналов 2, и задатчик текущих значений ограничения сигналов управления 7 (ЗТЗОСУ), первый, второй и третий входы которого соединены с входами сигналов управления устройства по курсу, крену и тангажу соответственно, четвертый, пятый и шестой входы - с первым, вторым и третьим выходами задатчика номинальных значений ограничения сигналов управления 3 соответственно, первый второй и третий входы блока кинематического распределения сигналов 2 соединены с выходом первого 4, второго 5 и третьего 6 управляемых ограничителей сигнала соответственно.

Устройство формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата работает следующим образом.

Задающими сигналами для рулевых приводов являются сигналы σ_ϕ, σ_γ, σ_ϑ по курсу, крену и тангажу, соответственно, поступающие от системы управления - показано пунктиром. Указанные сигналы поступают на первый 4 (1УОС), второй 5 (2УОС) и третий 6 (3УОС) управляемые ограничители сигналов соответственно, с выхода которых снимаются соответствующие ограниченные сигналы поступающие на блок кинематического распределения сигналов 2.

Обозначенный на фиг. 1 блок кинематического распределения сигналов 2 - определяет функции распределения сигналов для рулевых приводов РП1, РП2 и РП3.

Первый руль 1Р (фиг. 2) участвует в отработке сигналов управления по курсу и крену, второй 2Р и третий 3Р рули участвуют в отработке сигналов управления всех каналов.

С выхода блока 2 сигналы σ₁, σ₂, σ₃ поступают на рулевые приводы (РП) - блок РП показан пунктиром - которые их отрабатывают, отклоняя рули на δ₁, δ₂, δ₃. Знаком + отмечены положительные отклонения рулей. При этом максимальные значения отклонения рулей δ_{2 max}=δ_{3 max}.

Датчик скорости полета 1 БПЛА выдает сигнал скорости в числах Маха на блок 2 для инвариантного распределения сигналов в соответствии с [2]. Ограничители 4, 5, 6 ограничивают сигналы σ_ϕ, σ_γ, σ_ϑ на основе номинальных значений ограничения в задатчике 3 и сравнения их с текущими уровнями соответствующих сигналов σ_ϕ, σ_γ, σ_ϑ. Указанное сравнение производится в каждом канале управления по сравнению с сигналом модульной функции (фиг. 3) смежных каналов для более оптимального с точки зрения распределения ограничений при недозагруженности смежных каналов управления.

Такое исполнение позволяет достаточно оптимально соотнести предельные максимальные уровни отрабатываемых сигналов всех каналов управления БПЛА с текущими уровнями отклонений рулевых приводов δ_j, где j=1, 2, 3.

При этом сравнение текущих сигналов управления с их номинальными значениями производится с коэффициентом запаса меньше 1, а увеличение значения ограничения с коэффициентом усиления больше 1, но не более соотношения для канала курса, для каналов крена и тангажа.

Ограничения сигналов управления играют важную роль и требуют корректности при совместном задействовании каналов [2] с учетом предлагаемого вариирования ограничений.

На основе изложенного кинематическая разводка сигналов управления имеет вид

где k_i - инвариантные коэффициенты, определенные в [2].

Эквивалентные отклонения рулей σ_ϕ, σ_γ, σ_ϑ с учетом 1а, 1б, 1в в обратном пересчете с учетом положения σ_i=δ_j имеют вид:

При этом определены максимальные значения отклонений (расхода) рулей δ_{1 max}, δ_{2 max} и δ_{3 max}.

На фиг. 3 представлена блок-схема задатчика 7 для каналов курса, крена и тангажа.

Входными сигналами ограничений для задатчика 7 являются:

- - для канала курса, поступающий на первый управляемый переключатель 8 (1УП);

- - для канала крена, поступающий на второй управляемый переключатель 9 (2УП);

- - для канала тангажа, поступающий на третий управляемый переключатель 10 (3УП).

Также на задатчик 7 поступают текущие сигналы управления:

- σ_ϕ - для канала курса - на первый усилитель 11 (1УС);

-σ_γ - для канала крена - на первый блок модульной функции 12 (1БМФ);

- σ_ϑ - для канала тангажа - на первый сумматор 13 (1С).

Выходными сигналами задатчика 7 являются:

- - для канала курса - с выхода второго сумматора 14 (2С);

- - для канала крена - с выхода третьего сумматора 15 (3С);

- - для канала тангажа - с выхода четвертого сумматора 16 (4С).

Функционирование задатчика 7 в соответствии с фиг. 3 и соотношениями (1а), (1б) и (1в) производится следующим образом.

По каналу курса.

Базовым соотношением принято (1а).

Сформированный блоком 12 сигнал модульной функции |σ_γ| масштабируется с коэффициентом запаса, учитывающим и коэффициент k_γ по [2] и эмпирически составляющем 0,2÷0,6 в первом масштабном усилителе 17 (1МУ), откуда поступает на первый блок сравнения 18 (1БС), в котором сравнивается с входным сигналом . При отрицательной разности сигналов и масштабированного блоком 17, блоком 18 выделяется сигнал В1, который переключает переключатель 8, переводя цепь сигнала с собственного значения на второй усилитель сигнала 19 (2УС) с коэффициентом усиления больше 1, но не более соотношения , и эмпирически составляющего 1,2÷1,6. Оба сигнала поступают на второй сумматор 14, выходом которого является сигнал

Таким образом, сформирован выходной сигнал текущего значения ограничения сигнала управления по курсу.

По каналу крена.

Базовыми соотношениями приняты (1б) и (1в).

Усиленный на усилителе 11 по условию инвариантности [2] сигнал σ_ϕ далее инвертируется инвертором 20 (И) и поступает в сумматор 13 вместе с сигналом σ_ϑ. Во втором блоке модульной функции 21 (2БМФ) выделяется модуль суммарного сигнала, подаваемый в блок выделения максимального значения 22 (БВМЗ), вторым сигналом для которого является сигнал третьего блока модульной функции 23 (3БМФ), сформированный пятым сумматором 24 (5С) по сигналам σ_ϑ и усиленным на усилителе 11 сигнала σ_ϕ.

Сформированный блоком 22 сигнал максимального значения масштабируется вторым масштабным усилителем 25 (2МУ) с эмпирическим коэффициентом 0,2÷0,6 и поступает на второй блок сравнения 26 (2БС), на второй вход которого поступает сигнал . При отрицательной разности масштабированного сигнала и сигнала выделяется сигнал В2 и переключается второй управляемый переключатель 9, переводя цепь сигнала с собственного значения на третий усилитель сигнала 27 (3УС) с коэффициентом усиления больше 1, но не более соотношения , и эмпирически составляющего 1,2÷1,6.

Таким образом, на третий сумматор 15 поступают оба эти сигнала, а выходом его является выходной сигнал текущего значения ограничения сигнала управления по крену

По каналу тангажа.

Базовыми соотношениями приняты (1б) и (1в).

На шестой сумматор 28 (6С) поступает сигнал σ_γ и сигнал с выхода инвертора 20, из выходного сигнала которого формируется сигнал модульной функции блоком 29 (4БМФ) с масштабным усилением в третьем масштабном усилителе 30 (3МУ) с эмпирическим коэффициентом 0,2÷0,6. В третьем блоке сравнения 31 (3БС) выделяется разность между полученным сигналом блока 30 и входным сигналом . При отрицательной разности блок 31 выдает сигнал В3 на третий управляемый переключатель 10, переводя цепь сигнала с номинального значения на усиленное в четвертом усилителе 32 (4УС) с коэффициентом усиления больше 1, но не более соотношения , и эмпирически составляющего 1,2÷1,6. Оба сигнала поступают на четвертый сумматор 16, выходом которого является сигнал

Рулевые приводы отрабатывают аналоговые управляющие сигналы σ_i с учетом функционального изменения ограничений.

Способ и устройство управления несложно реализуется алгоритмически, все звенья и блоки могут быть также реализованы на стандартных элементах автоматики и вычислительной техники, например, по [3], а также в виде цифроаналогового исполнения.

Предложенный способ позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность управления БПЛА.

Источники информации

1. Патент РФ №2251136, G05D 1/08, 2005.

2. A.M. Пучков. Критерии и метод расчета ограничений распределяемых сигналов управления рулевыми приводами ЛА. М., Вестник Московского авиационного института №6, том 18, 2009 г., с. 49-54.

3. А.У. Ялышев, О.И. Разоренов. Многофункциональные аналоговые регулирующие устройства автоматики. М., Машиностроение, 1981, с. 107, 126.

Группа изобретений относится к способу и устройству формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата. Для формирования сигналов управления осуществляют прием текущих сигналов управления по курсу, тангажу и крену, измеряют скорость полета летательного аппарата, производят кинематическое распределения сигналов управления для рулевых приводов, задают номинальные значения ограничения сигналов управления определенным образом. Устройство содержит три входа сигналов управления датчик скорости полета, блок кинематического распределения, задатчик номинальных значений ограничения сигналов управления, три ограничителя сигналов, задатчик текущих значений ограничения сигналов управления, соединенные определенным образом. Обеспечивается повышение точности управления и расширение функциональных возможностей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащий прием текущих сигналов управления по курсу, крену и тангажу, измерение скорости полета летательного аппарата, кинематическое распределение сигналов управления для рулевых приводов и задание номинальных значений ограничения сигналов управления, отличающийся тем, что введены формирование модульной функции принятых сигналов управления по курсу, крену и тангажу, масштабирование сигналов управления с коэффициентом запаса К_зап.≅0,2÷0,6, формирование текущих значений ограничения сигналов управления по курсу, крену и тангажу на основе разности масштабированных значений сигналов модульной функции смежных каналов и номинальных значений ограничения в каждом из каналов курса, крена и тангажа соответственно, и формирование текущих сигналов управления для кинематического распределения на основе разности сигналов таким образом, что при отрицательном значение разностного сигнала управления соответствующего канала ограничение сигнала управления больше номинального значения в К^огр. раз, К^огр.>1.

2. Устройство формирования сигналов управления для рулевых приводов беспилотного летательного аппарата, содержащее три входа сигналов управления - по курсу, крену и тангажу, последовательно соединенные датчик скорости полета летательного аппарата и блок кинематического распределения, сигналы с выхода которого являются выходными сигналами устройства, и задатчик номинальных значений ограничения сигналов управления, отличающийся тем, что в него введены первый управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по курсу, а выход с первым входом блока кинематического распределения сигналов, второй управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по крену, а выход - со вторым входом блока кинематического распределения сигналов, третий управляемый ограничитель сигнала, первый вход которого соединен со входом сигнала управления устройства по тангажу, а выход - с третьим входом блока кинематического распределения сигналов, и задатчик текущих значений ограничения сигналов управления, первый, второй и третий входы которого соединены с входами сигналов управления устройства по курсу, крену и тангажу соответственно, четвертый, пятый и шестой входы - с первым, вторым и третьим выходами задатчика номинальных значений ограничения сигналов управления соответственно, первый, второй и третий входы блока кинематического распределения сигналов соединены с выходом первого, второго и третьего управляемых ограничителей сигнала соответственно.