Проектирование и разработка инерциальной системы навигации как части автоматизированной системы управления беспилотным летательным аппаратом

Engineering and development of an inertial navigation system as part of an automated control system for an unmanned aerial vehicles

Maria Kovaleva

candidate of Science, associate Professor NCIMM (STU), Russia, Vladikavkaz

Murat Buzarov

chief of Engineering center “Information technologies”, NCIMM (STU), Russia, Vladikavkaz

Sergey Voloshin

candidate of Science, NCIMM (STU) “Expasys SIE” LLC, Russia, Vladikavkaz

Evgenia Galushkina

candidate of Science, associate Professor NCIMM (STU), Russia, Vladikavkaz

Аннотация. В статье рассматривается проблема полета беспилотных летательных аппаратов в малоизученном районе, где существуют риски потери сигнала от спутниковой системы навигации и автопилота.

Abstract. This article considers the problem of flights of unmanned aerial vehicles in the low-studied district where there is a risk of loss of a signal form the satellite navigation system and flight control panel.

Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты; мониторинг; навигационные системы.

Keywords: unmanned aerial vehicle; monitoring; navigation system.

Малогабаритные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) в качестве инструмента для аэрофотосъемки и видеонаблюдения в последнее время все чаще применяют в связи с несовершенством базовых способов получения данных с помощью космических снимков и аэрофотосъемки (с борта самолета).

Такие БПЛА удобно доставлять до места съемок, экономны в применении. Однако, полученные такими аппаратами аэроснимки обладают хорошей детальностью, яркостью и контрастом, но имеют низкое фотограмметрическое качество, для применения традиционных фотограмметрических пакетов [4]. Инжиниринговый центр «Информационные технологии» работает в направлении мониторинга геологических объектов, экотроп в горной местности с помощью БПЛА, с этой целью необходимо на борту БПЛА иметь стабилизированную платформу управления и навигации, создающую необходимые условия для получения высокого качества аэрофотографирования.

Навигационный приборный комплекс является источником данных информационно-измерительных сигналов о местоположении, ориентации, скорости и других параметрах движения являются [4].

Авторами проводились полевые работы на территории Республики Северная Осетия-Алания с использованием мультироторного БПЛА для решения следующих задач: мониторинг туристических троп, мониторинг и обнаружения обвалов, селей, рисунок 1 и рисунок 2.

Рисунок 1. Цейский ледник

Применение БПЛА в горных условиях затрудняется ввиду их чувствительности к природным явлениям, затрудняющим либо делающим выполнение полета невозможным – любое внешнее возмущение (порыв ветра, восходящий поток или воздушная яма) опасно потерей ориентации летательного аппарата и аварией. Кроме того, БПЛА мультироторного типа имеют значительно меньшее время полета по сравнению с аппаратами самолетного типа, однако использование последних в горных условиях затруднено, поскольку при полете на низких высотах их маневренность сильно ограничена рельефом. Также резко возрастает актуальность задачи навигации на местности с ограниченным прохождением спутникового сигнала [5]. При реальном использовании современного БПЛА, в первую очередь, необходимо обеспечить его полет в условиях разнообразных ограничений.

Рисунок 2. «Язык» Цейского ледника

Одной из главных целей при разработке систем управления БПЛА является повышение точности и достоверности формирования параметров ориентации и навигации. В настоящее время основными системами навигации БПЛА являются инерциальная система навигации и спутниковая.

Для определения координат во время полета современные БПЛА используют спутниковые навигационные (СН) приёмники (GPS или ГЛОНАСС) совместно с инерциальной системой (ИС) (углы ориентации и перегрузки определяются с использованием гироскопов и акселерометров) [4]. Географические координаты БПЛА необходимы для совершения полета по заданному маршруту или для возвращения на базу. Разработкой и исследованием комплексированных инерциально-спутниковых систем навигации в мире занимается большое количество научно-производственных организаций [4]. Но такое решение не является устойчивым к внешним воздействиям и чувствительно к условиям полета, как правило, работоспособно только при полете в стабильной атмосфере.

С 30-х годов XX века разработкой инерциальной навигации занимались российские ученые Б.В. Булгаков, А.Ю. Ишлинский, Е.Б. Левенталь, Г.О. Фридлендер, немецкий ученый М. Шулер и американский ученый Ч. Дрейпер [4].

Задача навигации заключается в взаимосвязанных функциях:

·     навигация – определение координат объекта;

·     ориентация – определение углов ориентации, угловых скоростей;

·     управление подвижным объектом по заданной траектории.

Инерциальные системы в настоящее время находят широкое применение для навигации летательных аппаратов. Из всех навигационных систем ИНС являются единственными, которые наилучшим образом удовлетворяют целому комплексу важных требований, таких как универсальность, полная автономность, помехозащищенность и помехоустойчивость.

Инерциальные системы навигации представляют собой инерциальные системы счисления пути. Методам определения пути свойственен общий недостаток – погрешности растут пропорционально времени.

Выделяют следующие погрешности [4]:

1. Погрешность начальной выставки. Эта погрешность возникает вследствие рассогласования связанной системы координат и той базовой системы координат, по направлению осей которой мы хотим ее ориентировать.

2. Погрешность акселерометров. Выходная погрешность акселерометра является входной погрешностью для инерциальной системы в целом.

3. Погрешность гироскопов.

4. Погрешность вычислительных устройств. На современном этапе развития вычислительной техники можно считать, что вычислительные устройства не влияют на точность измерения.

Указанные выше входных погрешностей приводит к возникновению выходных погрешностей инерциальной системы навигации:

·     погрешность ориентации;

·     погрешность определения проекций путевой скорости на оси выбранной системы координат;

·     погрешность определения координаты местоположения.

Поэтому необходимо разработать метод компенсации погрешностей автономной ИС и по возможности остаточных погрешностей после компенсации с помощью известных алгоритмов. Оценить ошибки в измерении этих параметров возможно с помощью алгоритмов оценивания, например фильтр Калмана.

Для уменьшения финансовых затрат БПЛА необходимо многократно использовать. С целью гарантированного выполнения поставленных задач на борту аппарата необходимо установить комплекс технических средств, включающий ИС, СН, видео приемник.

Авторами предлагается реализовать навигационный алгоритм с применением известных алгоритмов Калмановской фильтрации, Язвинского и адаптивные модификации алгоритмов оценивания. Однако, Калмановская фильтрация - это только вспомогательный математический аппарат, а не решение задачи. При помощи фильтра Калмана осуществляется восстановление вектора состояния системы и подавляется влияние измерительного шума. Адаптивный фильтр Калмана с минимальной ошибкой позволяет произвести фильтрацию по сравнению с обычным скалярным алгоритмом фильтрации. Поэтому невозможно создать робастную устойчивую систему, просто перенося на платформу математический аппарат. Требуется тонкая и точная настройка на конкретное приложение и определенные задачи.

Управление видеокамерой также является важной функцией БПЛА. В полете стабилизация камеры обеспечивается отработкой колебаний БПЛА по крену, данным автопилота и ИС. Все эти мероприятия в комплексе обеспечивают стабильность картинки видео изображения, несмотря на колебания аппарата по крену. А в задачах аэрофотосъемки актуальная информация об углах ориентации, координатах и высоте БПЛА необходима для коррекции аэрофотоснимков, и последующей автоматизации сшивки кадров [1].

Современный подход по улучшению характеристик автономной инерциальной навигационной системы заключается в создании на их базе комплексной навигационной системы, в которой сигналы инерциальной, спутниковой (GPS, ГЛОНАСС, BEIDOU и т.п.), видеопоток обрабатываются совместно. Заданная высота полета сохраняется ИС, которая вырабатывает комплексированное решение по данным GPS, барометрического высотомера и инерциальных датчиков, видеопотоку.

Для решения задач управления полетом, наблюдения поверхности в реальном времени, цифрового фотографирования выбранных участков местности, включая труднодоступные участки, определения координат исследуемых участков местности, а также для накопления информации с последующей ее передачей потребителю, повышение возможности автономного полета БПЛА в горной местности, в дальнейшем предлагается разработать ряд технических решений, направленных на повышение точности навигации, увеличение дальности передачи информации [1; 3; 5].

Применение комплексной навигации позволит получать информацию о рельефе местности и координатах БПЛА для ориентирования в пространстве и определения относительных перемещений при недостаточной достоверности спутниковой навигационной системы, а также в некоторой мере компенсировать дрейф инерциальной системы навигации.