Разработка и обоснование технических решений, направленных на создание беспилотного летательного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Матвиенко Евгений Олегович. Разработка и обоснование технических решений направленных на создание БПЛА.

Место дипломирования: ГОУ ВПО СГГА (Сибирская Государственная Геодезическая Академия), ИОиОТ, кафедра радиоэлектроники.

Руководитель: к.в.н., доцент, Безсуднов Е.Ю.

2011 г., специальность 170101 - «Испытание и эксплуатация техники (электроника)», квалификация 65 - Инженер.

117 с., 5 табл., 28 рис., 17 источников.

БПЛА, РТКУ, АУРС, МБР, АВТОНОМНОЕ УПРАВЛЕНИЕ, САМОНАВЕДЕНИЕ. КОМБИНИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ.

Целью дипломного проекта является разработка и обоснование технических решений направленных на создание беспилотного летательного аппарата. Это обосновано тем, что на сегодняшний день, всё большее значение приобретает использование беспилотных летательных аппаратов, как в военных так и в мирных целях, таких например, как аэрофотосъемки, геологическая разведка, фотографирование мест пожаров и зон экологических катастроф. Главной задачей радиотехнических комплексов управления является обеспечение движения летательного аппарата (ЛА) по заданному закону, т. е. по заданной траектории. Выполнение возлагаемых на РТКУ задач почти всегда требует комплектования в его составе радиотехнических и нерадиотехнических систем, являющихся вместе с самим объектом звеньями контура управления.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ БПЛА

1.1 Управляемые объекты

1.2 Виды радиоуправления

1.3 Общая характеристика систем радиоуправления

1.4 Основные задачи разработки систем радиоуправления

1.5 Функциональная схема системы управления с автоследящей антенной, установленной на корпусе ракеты

1.6 Структурные схемы системы самонаведения

1.7 Пассивные тепловые визиры

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БОРТОВОЙ ЧАСТИ ЛИНИИ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ БПЛА

2.1 Разработка структурной схемы

2.2 Разработка функциональной схемы

3. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

4. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ЛРУ БПЛА

4.1 Программное обеспечение и его описание

4.2 Разработка компьютерной модели ЛРУ

4.3 Исследование переходных процессов

4.4 Исследование динамических процессов в ЛРУ БПЛА (динамических ошибок)

4.5 Стохастическое исследование канала управления

5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ

6. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СТОИМОСТИ

6.1 Определение себестоимости проектируемого устройства

7. ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

7.1 Требования охраны труда и техники безопасности при эксплуатации проектируемого устройства

7.2 Межотраслевая типовая инструкция по охране труда и технике безопасности при работе с ПК

7.3 Анализ вредности

7.4 Вопрос эргономики

7.5 Ответственность административно хозяйственного персонала за нарушение требований охраны труда

7.6 Создание микроклимата в мастерской

7.7 Выбор источников света

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Целью дипломного проекта является разработка и обоснование технических решений направленных на создание беспилотного летательного аппарата. Это обосновано тем, что на сегодняшний день, всё большее значение приобретает использование беспилотных летательных аппаратов, как в военных так и в мирных целях, таких например, как аэрофотосъемки, геологическая разведка, фотографирование мест пожаров и зон экологических катастроф. Значительную помощь беспилотные летательные аппараты могут оказать при экологических исследованиях зон радиоактивных заражений, таких как «Чернобыль», и при этом контактирование человека с радиоактивными материалами будет сведено к минимуму. Также огромную роль беспилотные летательные аппараты (БПЛА) играют в аэрокосмической промышленности.

Главной задачей радиотехнических комплексов управления является обеспечение движения летательного аппарата (ЛА) по заданному закону, т. е. по заданной траектории. Воздействие органов и аппаратуры управления на ЛА в процессе полета должно приводить к ликвидации его отклонений от заданной траектории. Обычно на радиотехнический комплекс управления (РТКУ) дополнительно возлагается также осуществление управления режимом работы установленных на борту ЛА различных приборов и устройств путем автоматического переключения радиоэлектронных и электромеханических цепей.

Выполнение возлагаемых на РТКУ задач почти всегда требует комплектования в его составе радиотехнических и нерадиотехнических систем, являющихся вместе с самим объектом звеньями контура управления.

Комплексы управления, в которых радиотехнические системы совершенно, не применяются или, наоборот, являются доминирующими, в настоящее время встречаются весьма редко.

Современные автоматически управляемые движущиеся объекты по своему назначению могут быть разделены на следующие классы:

1. Аппараты мирного применения:

а) самолеты гражданской авиаций при управлении полетом по приборам, особенно при так называемой «слепой посадке»;

б) метеорологические и исследовательские ракеты;

в) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы, содержащие несколько ступеней ракет-носителей для выведения искусственных спутников Земли (ИСЗ) на орбиту и метеорологические и исследовательские ИСЗ и спутники-ретрансляторы для линий радио- и телевизионной связи;

г) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы для выведения космических аппаратов (КА) на заданную траекторию и сами КА, причем последние можно подразделить на аппараты «среднего космоса» (лунные) и «дальнего» (межпланетные).

д) беспилотные летательные аппараты используемые для обследования и фотографирование мест пожаров и экологических катастроф.

2. Аппараты военного применения:

а) боевые самолеты при полуавтоматическом наведении на цель;

б) управляемые беспилотные летательные аппараты;

в) зенитные управляемые реактивные снаряды (ЗУРС) для поражения воздушных целей или иначе -- управляемые реактивные снаряды (УРС) класса «земля -- воздух» («корабль -- воздух»);

г) авиационные управляемые реактивные снаряды (АУРС) для поражения с самолетов наземных, морских и воздушных целей. Или иначе -- управляемые реактивные снаряды, соответственно классов «воздух -- земля» (море) и «воздух -- воздух»;

д) крылатые ракеты (самолеты-снаряды) и баллистические ракеты, в том числе баллистические ракеты дальнего действия (БРЯД) или межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) -- все, относящиеся к классу снарядов: «земля -- земля» («море -- море»), «земля -- море», «море -- земля».

Для выполнения возлагаемой на ЛА задачи необходимо осуществить взлёт, полёт по траектории до места назначения и в зависимости от назначения ЛА посадку, стыковку или выполнение особых функций беспилотного летательного аппарата (фотографирование, измерения различных параметров атмосферы, сканирование земной поверхности).

Взлёт ЛА производится с пусковой площадки: аэродрома для самолетов, стартовой позиции для беспилотных ракет.

БПЛА могут запускаться с неподвижных стационарных стартовых позиций, сооруженных в виде шахт или наземных стартовых столов и установок; с передвижных наземных стартовых позиций и установок; с движущихся стартовых установок[1].

1. ОСОБЕННОСТИ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ БПЛА

1.1 Управляемые объекты

Главной задачей радиотехнических комплексов управления является обеспечение движения летательного аппарата (ЛА) по заданному закону, т. е. по заданной траектории. Воздействие органов и аппаратуры управления на ЛА в процессе полета должно приводить к ликвидации его отклонений от заданной траектории. Обычно на радиотехнический комплекс управления (РТКУ) дополнительно возлагается также осуществление управления режимом работы установленных на борту ЛА различных приборов и устройств путем автоматического переключения радиоэлектронных и электромеханических цепей.

Выполнение возлагаемых на РТКУ задач почти всегда требует комплектования в его составе радиотехнических и нерадиотехнических систем, являющихся вместе с самим объектом звеньями контура управления.

Комплексы управления, в которых радиотехнические системы совершенно, не применяются или, наоборот, являются доминирующими, в настоящее время встречаются весьма редко.

Современные автоматически управляемые движущиеся объекты по своему назначению могут быть разделены на следующие классы:

1 Аппараты мирного применения:

а) самолеты гражданской авиаций при управлении полетом по приборам, особенно при так называемой «слепой посадке»;

б) метеорологические и исследовательские ракеты;

в) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы, содержащие несколько ступеней ракет-носителей для выведения искусственных спутников Земли (ИСЗ) на орбиту и метеорологические и исследовательские ИСЗ и спутники-ретрансляторы для линий радио- и телевизионной связи;

г) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы для выведения космических аппаратов (КА) на заданную траекторию и сами КА, причем последние можно подразделить на аппараты «среднего космоса» (лунные) и «дальнего» (межпланетные).

2 Аппараты военного применения:

а) боевые самолеты при полуавтоматическом наведении на цель;

б) управляемые беспилотные летательные аппараты;

в) зенитные управляемые реактивные снаряды (ЗУРС) для поражения воздушных целей или иначе -- управляемые реактивные снаряды (УРС) класса «земля -- воздух» («корабль -- воздух»);

г) авиационные управляемые реактивные снаряды (АУРС) для поражения с самолетов наземных, морских и воздушных целей. Или иначе -- управляемые реактивные снаряды, соответственно классов «воздух -- земля» (море) и «воздух -- воздух»;

д) крылатые ракеты (самолеты-снаряды) и баллистические ракеты, в том числе баллистические ракеты дальнего действия (БРЯД) или межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) -- все, относящиеся к классу снарядов: «земля -- земля» («море -- море»), «земля -- море», «море -- земля» [3].

Для выполнения возлагаемой на ЛА задачи необходимо осуществить взлёт, полёт по траектории до места назначения и в зависимости от назначения ЛА посадку, стыковку или уничтожение цели.

Взлёт ЛА производится с пусковой площадки: аэродрома для самолетов, стартовой позиции для беспилотных ракет.

Ракеты могут запускаться с неподвижных стационарных стартовых позиций, сооруженных в виде шахт или наземных стартовых столов и установок; с передвижных наземных стартовых позиций и установок; с движущихся стартовых установок: наземных -- танков, морских -- кораблей и подводных лодок, воздушных -- самолетов-ракетоносцев.

Пилотируемые самолёты как транспортные, так и боевые зачастую приводятся к месту посадки по радиокомандам с командного пункта, которые принимаются либо пилотом, либо автоматической бортовой аппаратурой. В первом случае имеет место полуавтоматическое наведение, причем пилот является звеном контура управления, описываемым своей передаточной функцией; во втором -- автоматическое.

ЗУРС, АУРС и самолёты-снаряды класса «земля -- земля» относятся к крылатым ракетам, движущимся в атмосфере благодаря аэродинамической подъемной силе, создаваемой плоскостью крыльев.

Крылатые ракеты чаще всего запускаются с наклонных стартовых установок, неподвижных или наводимых в нужном направлении.

Наводимая стартовая установка представляет собой некоторую поворотную ферму-направляющую, к которой в наклонном положении подвешивается ракета, так что при начале работы двигателя ЛА соскальзывает в направлении полета, а воздействие встречного воздушного потока на крылья сразу начинает создавать аэродинамическую подъёмную силу. При пуске с неподвижной наклонной установки после старта производится разворот ракеты в нужном направлении. Крылатые ракеты весь полёт совершают в атмосфере, причем в течение всего полета работает маршевый двигатель, создающий силу тяги. Изменение ориентации крыла и корпуса ракеты приводит к появлению поперечных аэродинамических сил, изменяющих направление полета ракеты, чем обеспечивается управление полетом практически во все время движения от старта до цели. В отличие от них баллистические ракеты, большую часть пути, совершающие в безвоздушном пространстве и развивающие подъемную силу только благодаря тяге двигателя, либо вовсе лишены оперения, либо имеют весьма слабо развитые крылья -- стабилизаторы, обеспечивающие устойчивость ЛА при пролете плотного слоя атмосферы.

Для сокращения пути, проходимого в атмосфере, и для уменьшения потерь энергии двигательной установки на преодоление аэродинамического сопротивления баллистические ракеты большей частью запускаются вертикально вверх и ложатся на требуемый курс уже вне пределов атмосферы. Вертикальный пуск ракет производится, как правило, со стартовых столов или из стартовых шахт.

Двигатель баллистической ракеты (маршевый двигатель) развивает мощный, сравнительно кратковременный импульс тяги, в течение действия которого ракета выводится на заданную траекторию с заданной скоростью. Участок траектории, на котором двигатель работает и баллистическая ракета управляется, называется активным. Далее ракета движется по инерции в гравитационном поле по баллистической траектории. Этот участок траектории называется пассивным. Управление полетом баллистической ракеты осуществляется путем изменения направления силы тяги двигателя. Полет по траектории ЛА завершает посадкой, стыковкой с другими ЛА, либо уничтожением заданной цели. Посадку совершают пилотируемые самолёты, беспилотные управляемые ракеты многократного действия (самолёты-мишени, беспилотные разведчики), пилотируемые и беспилотные вертолёты и космические аппараты для исследования Луны и планет. Стыковку, т. е. соединение двух или нескольких ЛА в процессе полёта, совершают, например ИСЗ, на орбите при наличии орбитальной станции. Поражение цели производится боевыми самолетами путём применения оружия, а УРС--взрывом их боевых частей, так что, уничтожая цель, они разрушаются и сами [2].

1.2 Виды радиоуправления

Управление ориентацией играет либо подчиненную, либо самостоятельную роль. В тех случаях, когда ориентация имеет самостоятельное значение, она осуществляется большей частью нерадиотехническими средствами. Поэтому при рассмотрении вопросов радиоуправления наибольший интерес представляет управление полетом. Вследствие этого в дальнейшем основное внимание уделяется именно этому виду управления и под управлением понимается (там, где это не оговаривается особо) именно управление полетом.

В дальнейшем для краткости все управляемые летательные аппараты называются БПЛА, так как в подавляющем большинстве случаев они имеют реактивные двигатели.

Различают следующие основные виды управления:

1 Автономное управление.

2.Самонаведение.

3 Телеуправление.

4 Комбинированное управление.

Автономным называется такое управление полетом БПЛА, которое осуществляется без использования какой-либо энергии, идущей от КП (командного пункта).

Здесь и далее под КП понимается пункт, из которого запускается БПЛА; при различных видах управления роль КП в процессе управления оказывается различной.

При автономном управлении КП используется лишь для управления пуском БПЛА и не участвует в дальнейшем процессе управления. Так как при этом в процессе полета БПЛА никак не связана ни с КП, ни с целью, автономное управление пригодно для наведения БПЛА лишь на неподвижные точно известные цели или на цели, движущиеся по стабильным и притом точно известным траекториям.

Самонаведением называется автоматическое наведение БПЛА на цель с использованием энергии Р2,идущей от цели к БПЛА. Такой энергией могут быть излучаемые или отражаемые целью радиоволны, световые или тепловые лучи и т. д.

В зависимости от характера используемой энергии самонаведение может быть радиотехническим, тепловым, световым, акустическим.

В зависимости от места расположения первичного источника энергии самонаведение подразделяется на пассивное, активное и полуактивное.

При пассивном самонаведении энергия Р2 создается источниками, расположенными на самой цели, или естественными облучателями цели (Солнцем, Луной). Следовательно, при пассивном самонаведении энергия Р2 получается без специального облучения цели энергией какого-либо вида.

При активном самонаведении цель облучается первичным источником энергии Р1, установленным на БПЛА, и для самонаведения используется отраженная от цели энергия Р2.

При полуактивном самонаведении цель облучается первичным источником энергии P1, расположенным вне цели и БПЛА. Обычно этот источник помещается на КП. Для самонаведения используется, отраженная от цели энергия Р2.

При самонаведении, как и при автономном управлении, командный пункт не участвует в управлении БПЛА. (При полуактивном самонаведении на КП может размещаться источник первичной

Рисунок-1Координаты радиолокатора

энергии Р1, однако и в этом случае КП играет лишь чисто пассивную роль.) Но в отличие от автономного правления здесь имеется связь между БПЛА и целью. Использование этой связи даёт возможность обнаруживать отклонения БПЛА от правильного полёта на цель.

Для определения этих отклонений на БПЛА устанавливается угломер (пеленгатор) или радиолокатор цели (под угломером здесь и в дальнейшем понимается прибор, измеряющий только угловые координаты, а под радиолокатором -- прибор, способный измерять не только угловые, но и другие координаты).

Для общности в дальнейшем будем полагать, что на БПЛА устанавливается радиолокатор. Он измеряет пространственную угловую координату цели в некоторой системе координат х1, y1, z1(рис. 1.1). Кроме того, радиолокатор определяет дальность до цели r.

Координаты цели и r(или x, y и r) используются для управления, обеспечивающего наведение БПЛА на цель.

Телеуправлением называется управление БПЛА, осуществляемое с командного пункта. Это управление может производиться при помощи рукоятки управления, приводимой в движение оператором, находящимся на КП, или полностью автоматически.

В первом случае телеуправление называется ручным или полуавтоматическим, а во втором -- автоматическим.

Для выработки команд управления должны обнаруживаться (измеряться) отклонения БПЛА от правильного полета на цель.

В зависимости от метода измерения этих отклонений системы телеуправления можно разбить на два вида:

а) телеуправление первого вида -- с непосредственным контролем цели;

б) телеуправление второго вида -- с контролем цели посредством аппаратуры, расположенной на БПЛА.

Принцип телеуправления первого вида -- с непосредственным контролем цели показан на рис. 2.

Рисунок-2 Телеуправление с непосредственным контролем цели

На КП осуществляется наблюдение за целью (по каналу контроля цели) и за БПЛА (по каналу контроля БПЛА).

На основании сопоставления данных о цели и о БПЛА определяется отклонение БПЛА от правильного полёта на цель и вырабатываются соответствующие команды на рули БПЛА, устраняющие это отклонение. Эти команды передаются на БПЛА по каналу управления.

Рисунок-3 Телеуправление с контролем цели посредством бортовой аппаратуры

Принцип телеуправления второго вида -- с контролем цели посредством бортовой аппаратуры показан на рис.3. В этом случае отклонения БПЛА от правильного полета на цель обнаруживаются измерительной аппаратурой, установленной на БПЛА (канал контроля цели), и передаются с БПЛА на КП по каналу передачи данных контроля. Следовательно, в этом случае контроль за полётом БПЛА на цель осуществляется на КП не непосредственно, а с помощью аппаратуры, установленной на БПЛА. На основании данных, принятых по каналу контроля цели, на КП вырабатываются команды управления, передаваемые на БПЛА по каналу управления.

Простейший пример телеуправления первого вида (управление по методу накрытия цели) изображен на рис.4.

На КП устанавливается радиолокатор, позволяющий определить пространственный угол между направлениями на цель и БПЛА. Величина и направление этого угла отображаются на экране электроннолучевой трубки в виде отрезка ОЦ,соединяющего центр экрана О со светящимся пятном Ц.Команды управления вырабатываются оператором при помощи рукоятки управления РУи передаются по радио на борт БПЛА. Оператор поворачивает рукоятку[3].

Рисунок-4 Схема управления простейшего вида

управления так, чтобы светящееся пятно Цсовместить с центром экрана, т. е. сделать . Это означает, что при правильном управлении все время будет , т.е. БПЛА будет находиться на линии визирования цели, как бы накрывая собою цель (если смотреть с КП), откуда и произошло название «метод накрытия цели». Так как БПЛА летит по направлению к цели, то, оставаясь все время на лилии визировании цели, она должна попасть в цель.



Рисунок-5 Схема управления посредством бортовой аппаратуры

Примером телеуправления с контролем цели посредством бортовой аппаратуры (рис. 5) может служить управление при помощи телевизионной головки.

На БПЛА устанавливается телевизионный передатчик; объектив телекамеры (ТК)воспринимает изображение цели. Это изображение воспроизводится па экране телевизионного приемника, установленного на КП (изображение Цна рис. 15). Команды управления вырабатываются оператором, наблюдающим за экраном, при помощи рукоятки управления РУ,и передаются на БПЛА через радиопередатчик на КП и радиоприемник на БПЛА.

Оператор управляет рукояткой таким образом, чтобы центр изображения цели совпадал с центром экрана. Так как БПЛА летит по направлению к цели, то сохранение изображения цели в центре экрана обеспечивает наведение БПЛА на цель.

Комбинированным управлением называется комбинация нескольких видов управления. Комбинирование может быть последовательным или параллельным.

Последовательным называется такое комбинирование, когда в процессе полета БПЛА производится переход с одного вида управления на другой. В качестве примера последовательного комбинирования можно привести комбинирование трех видов управления: автономного, телеуправления и самонаведения.

На первом участке траектории БПЛА после вертикального старта выходит на требуемый курс по программной кривой, обеспечиваемой автономным управлением. Затем осуществляется переключение вида управления, и дальнейший полет БПЛА корректируется телеуправлением первого вида (с непосредственным контролем цели). Когда БПЛА приблизится к цели на дистанцию, достаточную для захвата цели системой самонаведения, производится переключение с телеуправления первого вида на самонаведение, и на последнем участке траектории БПЛА происходит самонаведение.

Такое комбинирование позволяет сочетать большую дальность (телеуправление первого вида) с большой точностью (самонаведение), однако система управления при этом усложняется.

Параллельным называется такое комбинированное управление, при котором одновременно действует несколько видов управления. В качестве примера можно привести комбинирование инерциального управления с радиотехническим самонаведением. Инерциальное управление, являющееся одной из разновидностей автономного управления, основано на измерении и интегрировании ускорений центра масс БПЛА. Оно не подвержено действию организованных помех, но приводит к накоплению (в процессе полёта БПЛА) ошибки, вызываемой неточностью измерения ускорения. При радиотехническом самонаведении организованные помехи могут оказывать сильное действие, но отсутствует накопление ошибки. Поэтому при использовании данных, получаемых от радиолокационной головки самонаведения, для коррекции системы инерциального управления можно существенно улучшить качество управления [4].

1.3 Общая характеристика систем радиоуправления

Развитие техники радиоуправления привело в последние годы к созданию больших систем радиоуправления -- системы управления ПВО, системы управления воздушным движением, системы управления навигационными спутниками Земли и т. п.

Мы будем рассматривать, как правило, лишь более частные системы радиоуправления, которые могут входить в состав больших систем или функционировать самостоятельно (автономно).

В систему радиоуправления (и тем более -- в состав большой системы) может входить несколько радиолиний, работающих на различных несущих радиочастотах. Например, в состав системы комбинированного радиоуправления БПЛА могут входить следующие радиолинии:

1) радиолиния контроля цели с КП (канал контроля цели на рис. 2);

2) радиолиния контроля БПЛА с КП (канал контроля ракеты на рис. 2);

3) радиолиния передачи команд управления с КП на БПЛА (канал управления на рис. 2);

4) радиолиния передачи данных с КП на БПЛА для обеспечения перехода с телеуправления на самонаведение;

5) радиолиния контроля цели с БПЛА в процессе самонаведения.

Для уменьшения стоимости, веса и габаритов аппаратуры в ряде случаев оказывается целесообразным объединить несколько радиолиний в одну радиолинию, выполняющую одновременно две или более различных функций и называемую поэтому комплексной радиолинией. Например, в рассматриваемом случае наиболее просто и целесообразно объединить радиолинии и передавать с КП на БПЛА все необходимые данные на одной и той же несущей частоте, используя для этого обычные принципы многоканальной передачи сообщений.

Сложнее, но в принципе также возможно объединить ряд элементов радиолиний. Комплексное использование радиолиний может быть целесообразным и в системах контроля и управления искусственных спутников Земли. Например, один и тот же бортовой передатчик может быть использован как для передачи телеметрической информации со спутника на Землю, так и при определении параметров движения спутника с помощью наземной аппаратуры радиоконтроля. Некоторые примеры комплексного использования радиолиний даются далее при рассмотрении конкретных систем управления [3].

Основными составными частями системы радиоуправления являются:

1) радиолокаторы;

2) радиолинии передачи информации;

3) управляющие (вычислительные) машины.

Радиолокаторы и радиолинии в зависимости от выполняемых ими функций могут быть подразделены на две категории:

1 Радиолокаторы и радиолинии, являющиеся, по существу, звеньями, входящими в состав замкнутого контура управления летательным аппаратом.

2 Прочие радиолокаторы и радиолинии.

Так как основной целью является выяснение особенностей работы радио-средств в составе замкнутых систем автоматического управления, то далее рассматриваются, как правило, радиолокаторы и радиолинии лишь первой категории.

Управляющие машины, входящие в состав систем радиоуправления, в зависимости от места их расположения разделяются на наземные и бортовые (расположенные на борту летательного аппарата). В тех случаях, когда машина, входящая в состав системы радиоуправления, выдает свои данные не приборам автоматического управления летательными аппаратами, а человеку, она называется не управляющей, а вычислительной машиной. Следовательно, управляющая машина является звеном замкнутой системы автоматического управления, а вычислительная машина--звеном замкнутой или разомкнутой системы управления, в которой управление осуществляется при непосредственном (активном) участии человека. Управляющие (вычислительные) машины, входящие в состав систем управления, часто называют также счетно-решающими приборами или блоками.

По принципу своего действия применяемые машины разделяются на непрерывные (аналоговые) и дискретные (цифровые). Цифровые машины, в свою очередь, могут быть универсальными или специализированными. Из аналоговых машин применяются, как правило, специализированные машины [5].

Универсальные цифровые вычислительные машины (УЦВМ) находят применение в основном в наземных установках.

В бортовых установках до последних лет применялись, как правило, аналоговые вычислительные машины, ибо цифровые машины имели слишком большие вес, габариты и стоимость. Сложность применения на борту цифровых машин усугублялась также и тем, что большинство датчиков информации (радиолокаторы, гироскопические приборы, акселерометры и др.) выдавали эту информацию не в цифровой, а в аналоговой форме, т. е. в виде непрерывных величин и непрерывных функций времени. Поэтому на борту приходилось ставить целый ряд преобразователей аналог-код, преобразующих эту непрерывную информацию в цифровой код. Кроме того, требовались обычно и преобразователи вида код-аналог, ибо цифровая машина выдает информацию в виде цифрового кода, а рулевые машины, управляющие летательными аппаратами, работают, как правило, в непрерывном режиме.

Однако в последние годы в бортовых установках всё больше и больше применяются цифровые машины что, во-первых, обусловлено их большей точностью. При достаточном числе разрядов, применяемых в машине, точность практически лимитируется уже не погрешностями самой вычислительной машины, а погрешностями преобразователей аналог-код и код-аналог. Но даже и с учетом погрешностей этих преобразователей общая погрешность управления в этом случае получается значительно меньшей, чем при применении аналоговых машин.

Внедрение цифровых управляющих машин, во-вторых, обусловлено тем, что в последние годы создан целый ряд типов датчиков, выдающих информацию в виде цифрового кода. Это, с одной стороны, повышает точность этих датчиков, а с другой -- устраняет необходимость применения преобразователей аналог-код.

В ряде случаев рулевые машины работают не в непрерывном режиме, а в релейном режиме «включено-выключено». При этом сопряжение управляющей машины с рулевыми машинами значительно упрощается. Наконец, бурное развитие техники электронных вычислительных машин привело в последние годы к резкому сокращению их веса, габаритов, потребляемой мощности, стоимости и к увеличению надежности их действия.

Управляющие машины, расположенные на борту летательного аппарата, часто называют автопилотами. В дальнейшем для краткости, мы будем также называть бортовую управляющую машину автопилотом.

1.4 Основные задачи разработки систем радиоуправления

Аппаратура радиоуправления должна обеспечить наведение БПЛА на цель (или вывод ее на заданную орбиту) в соответствии с выбранным кинематическим методом наведения. Здесь под кинематическим методом понимается выбранный закон движения БПЛА, рассматриваемой как материальная точка. Этот закон может выбираться из различных соображений, например исходя из требования получения минимальной кривизны траектории БПЛА, минимального расхода топлива, простоты технической реализации и т. п. Так как различным кинематическим методам наведения соответствуют различные сложность и стоимость аппаратуры управления, то окончательный выбор метода наведения может быть сделан лишь с учетом требований к аппаратуре управления, предъявляемых тем или иным методом. Поэтому при проектировании управляемых аппаратов может потребоваться рассмотрение особенностей построения системы управления при различных вариантах кинематических методов наведения.

Для каждого кинематического метода должна быть, в первую очередь, составлена функциональная схема системы управления, т. е. определены состав аппаратуры управления и функции, которые должна выполнять та или иная часть аппаратуры для обеспечения заданного (или выбранного) кинематического метода наведения.

Такая функциональная схема в укрупненном виде изображена, например, на рис. 5.

На основании выбранных кинематического метода наведения и функциональной схемы составляется структурная схема системы управления, т. е. схема, на основании которой может быть осуществлен количественный анализ основных характеристик системы радиоуправления -- точности, дальности действия и помехоустойчивости.

В качестве примера на рис. 6 в укрупненном виде приведена структурная схема системы самонаведения.

Рисунок-6 Структурная схема системы самонаведения

На этой схеме приняты следующие обозначения:

-- перемещение центра масс цели;

-- перемещение центра масс БПЛА;

-- ускорение БПЛА;

-- угол поворота корпуса БПЛА вокруг ее центра масс;

-- параметр, характеризующий отклонение фактической траектории БПЛА от заданной;

-- напряжение на выходе радиозвена системы управления;

-- отклонение руля (рулей) БПЛА.

Стрелки над соответствующими величинами означают, что эти величины являются векторами, имеющими несколько (две или три) скалярных составляющих вдоль осей координат. Например, перемещение БПЛА, ,имеет в общем случае три составляющие: ,,-- вдоль осей x, y, zземной или какой-либо иной выбранной системы координат. Напряжение может иметь две составляющие: и , которые соответственно служат для образования команд на рули, управляющие перемещениями БПЛА в вертикальной и в горизонтальной плоскостях.

КЗ-- кинематическое звено, т. е. звено, отображающее математическое соотношение между отклонением ,измеряемым радиозвеном, и перемещениями в пространстве центров масс БПЛА и цели, и ; радиозвено отображает действие радиоаппаратуры, предназначенной для измерения отклонения ; Aп -- автопилот, т. е. устройство, которое преобразует напряжение в соответствующие отклонения рулей БПЛА.

При образовании отклонения руля автопилотом учитываются также данные об углах поворота корпуса БПЛА , ускорении БПЛА и некоторых других параметрах, вводимых в автопилот по цепям обратных связей. Д31, Д32и Д33-- динамические звенья, учитывающие математические соотношения между отклонением руля , поворотами БПЛА вокруг центра масс , перемещениями центра масс и ускорением БПЛА . Закон преобразования напряжения в отклонение руля называется законом управления. Закон управления выбирается таким образом, чтобы реальная траектория БПЛА оказывалась возможно более близкой к заданной кинематической траектории (при данных характеристиках кинематического звена, радиозвена и динамических звеньев). Этот закон управления и должен быть реализован автопилотом.

Из рис.6 видно, что система управления является системой автоматического регулирования, содержащей несколько замкнутых контуров (цепей, петель). Один из этих контуров замыкается через кинематическое звено (через цель) и называется внешним контуром, а остальные контуры называются внутренними [6].

В этой системе регулирования радиозвено представляет собой измерительный (чувствительный) элемент, измеряющий отклонение движения БПЛА от заданного.

При анализе влияния характеристик радиозвена (радиоаппаратуры) на качество управления часто оказывается удобным заменить часть схемы, расположенную правее точек А и В,единым блоком, называемым звеном автопилот-БПЛА (рис.7). В ряде случаев под звеном автопилот-БПЛА удобнее понимать не всю часть схемы рис. 6 правее точек АВ, а лишь ту её часть, которая расположена правее точек АВ',т. е. сохранять динамическое звено Д33в виде самостоятельного звена. При этом структурная схема рис. 6 принимает вид, изображенный на рис. 8. Как видно из сравнения рис. 7 и 8, звено автопилот-БПЛА в первом случае (рис. 7) характеризует связь между

Рисунок-7 Структурная схема системы самонаведения

и , а во втором случае (рис. 1.8) -- связь между и .

При разработке систем управления приходится решать задачи анализа и синтеза систем. При анализе для заданных (или выбранных) параметров БПЛА и аппаратуры управления должны быть определены передаточные функции всех звеньев системы,

Рисунок-8 Структурная схема системы самонаведения

т. е. кинематического звена, радиозвена и звена автопилот-снаряд. Эти передаточные функции должны быть определены с учетом действия помех (и других источников погрешностей), возникающих в радиозвене и в звене автопилот-снаряд. После того как все передаточные функции найдены, должен быть произведен анализ системы регулирования (рис.6 или 7), в результате которого должны быть определены точность и дальность действия системы управления как в отсутствие так и при наличии помех. Такой анализ представляет обычно большие математические трудности, которые удается преодолеть лишь путем применения аналоговых и цифровых вычислительных машин.

При синтезе задача состоит в определении характеристик отдельных звеньев системы, обеспечивающих оптимальное (т. е. наилучшее в заранее установленном смысле) действие системы в целом.

Решение этой задачи также представляет большие трудности и осуществляется как путем сравнительного анализа различных вариантов построения системы (т. е. путем так называемого инженерного синтеза), так и путем специальных математических методов синтеза.

Таким образом, разработка систем радиоуправления включает в себя следующие основные вопросы:

1 Выбор кинематического метода наведения.

2 Выбор состава измерительных средств.

3 Составление функциональной схемы системы управления.

4 Составление структурной схемы системы управления и определение передаточных функций ее звеньев.

5 Исследование отдельных звеньев структурной схемы и схемы в целом методами анализа и синтеза.

Кроме этих вопросов, связанных с составлением и анализом структурной схемы, необходимых для оценки точности, дальности и помехоустойчивости системы управления, приходится решать целый ряд других важных вопросов. К ним относится в первую очередь обеспечение достаточной надежности системы управления, т. е. достаточно большой вероятности ее безотказного действия [4].

1.5 Функциональная схема системы управления с автоследящей антенной, установленной на корпусе ракеты

Эта функциональная схема изображена на рис.9.

Рисунок-9 Функциональная схема системы управления

Антенна устанавливается на корпусе БПЛА таким образом, чтобы ось zаее равносигнальной зоны могла поворачиваться в пространстве следящими моторами СМ.

Перед началом самонаведения переключатель П1, находится в положении 1, а ключи П2 и П3разомкнуты. При этом команды начальной установки КНУ устанавливают ось zа в направлении на цель, т. е. обеспечивают грубое выполнение условия 0 = 0. После этого переключатель П1переводится в положение 2и устанавливается режим автослежения локатора за целью. Затем замыкаются контакты П2и П3 и начинается самонаведение БПЛА на цель.

При этом па вход автопилота поступают напряжения и от гироскопического датчика угловых скоростей (ДУС) и от локатора соответственно.

Датчиками угловых скоростей являются прецессионные гироскопы, жестко связанные с антенной А. При поворотах антенны они выдают напряжжения

(1)

где и -- угловые скорости вращения антенны в инерциальной (гироскопической) системе коордитат; КДXи КДY-- константы. В векторной записи соотношения (1.1) имеют вид

(2)

Напряжение при точной работе локатора пропорционально ошибке автослежения ?, т. е.

Из рис 19 следует, что и

(3)

Поэтому для получения напряжения, пропорционального угловой скорости , в автопилоте производится дифференцирование напряжения последующее суммирование с напряжением т.е. образуется напряжение

(4)

где .

Если выполняется условие

(5)

то получается:

(6)

т. е. полученное в автопилоте результирующее напряжение действительно оказывается пропорциональным угловой скорости линии цели (в инерциальной системе координат), несмотря на наличие ошибки автослежения . Преимуществом данной системы по сравнению со всеми рассмотренными ранее является установка антенны на корпусе БПЛА, а не на стабилизированной платформе. Благодаря этому конструкция системы значительно упрощается, особенно если габариты антенной системы велики (например, превышают 0,3--0,5 м). Однако при установке антенны на корпусе возникает весьма существенный недостаток вследствие появления паразитной обратной связи через корпус БПЛА. Рассмотрим механизм этой паразитной связи.

Пусть под действием рулей или по каким-либо другим причинам произошел поворот корпуса БПЛА. Так как следящие моторы СМ обладают некоторой инерционностью, то поворот корпуса БПЛА вызовет поворот корпуса антенны, а значит, и оси zана некоторый угол . При этом, как следует из рис. 1.9, углы и получают приращения, равные по величине и обратные по знаку, т. е. примут значения

(7)

Поэтому напряжения , и окажутся равными

а результирующее напряжение окажется равным

,

т.е.

(8)

Если условие (5) (условие компенсации ошибки автослежения ) выполняется точно, то вторая скобка равна нулю, т. е. появление отклонения не сказывается на величине результирующего напряжения и, следовательно, не вызывает никакого дополнительного отклонения рулей БПЛА. Однако в действительности условие (5) идеально точно выполняться не будет и отклонение вызовет изменение результирующего напряжения , образуемого в автопилоте, а следовательно, и некоторое отклонение рулей. Но отклонение рулей вызовет новый поворот корпуса БПЛА, т. е. цепь обратной связи замкнется [6].

Следовательно, в системе имеется паразитная обратная связь, замыкающаяся через корпус БПЛА. Это затрудняет обеспечение устойчивости управления ракетой и понижает точность управления.

В описанных выше системах самонаведения связь через корпус БПЛА практически отсутствует вследствие того, что корпус БПЛА развязан относительно корпуса антенны стабилизированной платформой. В данной же системе (рис. 9), как следует из изложенного, такая развязка может быть практически достигнута лишь при достаточно точном выполнении условия компенсации (5).

1.6 Структурные схемы системы самонаведения

Структурная схема системы самонаведения может быть представлена любым из видов, приведенных на рис. 6, 7 и 8 и состоит из кинематического звена КЗ, радиозвена и звена автопилот- БПЛА (рис. 7 и 8). (Каждое из этих крупных звеньев, в свою очередь, может состоять из ряда более мелких звеньев.)

В дальнейшем нам будет удобнее полагать, что структурная схема имеет вид, изображенный на рис. 8. Кроме того, для простоты будем полагать, что применяется декартовое рулевое управление с автономной стабилизацией крена и перекрестные связи между каналами управления по курсу и тангажу отсутствуют. При этом можно ограничиться рассмотрением управления в одной плоскости, т. е. заменить векторные переменные , , , и соответствующими скалярными переменными. Тогда схема рис.14 принимает вид, изображенный на рис. 10.

Рисунок-10 Структурная схема системы самонаведения

Здесь и -- перемещения цели и БПЛА соответственно; -- параметр рассогласования, измеряемый радиозвеном и характеризующий отклонение реальной траектории от кинематической; -- напряжение на выходе радиозвена; -- полное ускорение ракеты. ДЗ -- динамическое звено.

Будем полагать, что самонаведение осуществляется по методу пропорционального наведения. При этом под можно понимать

угловую скорость линии цели в фиксированной (инерциальной) системе координат

(9)

Так как при этом между и существует весьма простая линейная связь, то с равным правом в схеме, изображенной на рис. 6.13, можно принимать

(10)

полагая, что операция дифференцирования осуществляется в радиозвене. При этом схема на рис.10 принимает вид, изображенный на рис.11 [7].

Рисунок-11 Структурная схема системы самонаведения

1.7 Пассивные тепловые визиры

В пассивных тепловых визирах головок самонаведения используется собственное излучение целями электромагнитной энергии в инфракрасном диапазоне волн. Интенсивность излучения J(мощность в единице телесного угла) определяется законом Стефана -- Больцмана ,где ? -- коэффициент излучения (для абсолютно черного тела, которое одновременно является идеальным излучателем и поглотителем всей лучистой энергии, ? = 1; для реальных «серых» тел ? < 1); -- постоянная Стефана -- Больцмана; Т -- температура излучающей поверхности в градусах абсолютной шкалы.

Увеличение температуры тела не только увеличивает интенсивность теплового излучения, но и приводит к сдвигу максимума спектральной плотности излучения в область более высоких частот.

Используемый диапазон инфракрасных волн подразделяют на следующие поддиапазоны:

- 0,76?1,6 мк-- ближняя инфракрасная область, используется для целей связи;

- 1,5?5,0 мк-- промежуточная инфракрасная область, используется для обнаружения «горячих» целей: самолетов, баллистических ракет и др.

- 8,5?13,0 мк-- далекая инфракрасная область; в этом поддиапазоне дают максимум излучения «холодные» цели, например корабли.

Следует отметить, что из-за сложной конфигурации целей пространственное распределение инфракрасного излучения оказывается очень неравномерным.

Пространство, окружающее цели, также является источником теплового излучения. Это излучение называется фоном. Фон создается нагретой атмосферой, облаками, рассеянными излучениями Солнца и Луны, нагретой Землей, волнами на водной поверхности и т. д. Так как температуры целей и источников фонового излучения различны, то и соответствующее им тепловое излучение имеет различную интенсивность и спектральный состав. Геометрические размеры цели, как правило, много меньше размеров источников фонового излучения. Обычно цель может считаться точечным источником, а фон -- Пространственно-распределенным (протяженным) источником. Отмеченные различия позволяют достаточно эффективно выделять излучение целей из фонового излучения.

Тепловой визир должен обеспечивать решение следующих задач:

- улавливание тепловой энергии, излучаемой целью;

-уменьшение влияния фона;

- преобразование энергии теплового излучения в электрический сигнал;

-анализ электрического сигнала с тем, чтобы определить отклонение изображения цели от некоторого опорного направления.

Отсчет угловых координат цели в тепловых визирных устройствах ведется, как правило, от оси оптической системы хРз.

Для улавливания тепловой энергии целей используются оптические системы: линзовые, зеркальные и комбинированные, линзово-зеркальные. Оптическая система фокусирует тепловой поток и преобразует тепловое излучение цели в его тепловое изображение на чувствительном элементе.

Для уменьшения влияния фона используют различие как спектральных, так и пространственных характеристик полезного сигнала и фона. Спектральная селекция цели заключается в согласовании полосы пропускания оптической системы со спектром полезного сигнала от цели.

Различие пространственных характеристик полезного сигнала и фона используется при модуляции принимаемого излучения объекта. Как правило, модулируется сфокусированный лучистый поток на выходе оптической системы. Модулятор представляет собой вращающийся диск с нанесенным на его поверхность рисунком. Рисунок состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных для инфракрасного излучения элементов. При вращении диска принимаемое излучение цели будет модулировано по закону, определяемому характером рисунка на диске. В то же время изображение фона попадает на большое число элементов диска, поэтому фоновый поток в любой момент времени (независимо от положения диска) будет приблизительно одинаковым.

Преобразование энергии излучения в электрический сигнал осуществляется при помощи фотоприемника, основу которого составляет чувствительный элемент, вырабатывающий при облучении лучистой энергией электрическое напряжение. Такими элементами являются: термоэлектрические устройства (термоэлементы, болометры, тер-мисторы) и фотоэлектрические устройства (фотоэлементы, фотосопротивления, фотодиоды, фототриоды). Основные характеристики некоторых чувствительных элементов представлены в табл.1.

Таблица 1- Характеристики чувствительных элементов

Вид чувствительного элемента	Инерционность чувствительного элемента, сек	Пороговая чувствительность (здесь имеется в виду мощность сигнала, равная мощности собственных шумов чувствительных элементов).
1 Термопара 2Термисторный болометр 3.Фотосопротивление	от 0,1 до 2

Для уменьшения уровня собственных шумов чувствительных элементов часто применяют их принудительное охлаждение, например, твердой углекислотой или жидким азотом.

Полученное на выходе чувствительного элемента напряжение усиливается и анализируется с тем, чтобы определить угловые отклонения цели от оси хрз. Основной задачей анализирующего устройства является формирование сигнала ошибки, зависящего от углового отклонения цели.

Один из возможных путей решения этой задачи состоит в использовании на модулирующем диске специальной структуры рисунка (рисунок диска меняется по мере удаления от некоторого положения, соответствующего изображению цели, находящейся на оптической оси системы). Тогда при изменении положения цели меняются параметры модуляции сигнала.

Функциональная схема теплового визира может быть представлена в виде последовательного соединения следующих элементов: оптической системы, модулятора, фотоприемника и демодулятора.

Рассмотрим для примера функциональную схему теплового визира, в котором в качестве анализирующего устройства используется модулирующий диск с частотной манипуляцией теплового потока (рис. 1.12). Модулирующий диск представляет собой металлическую или стеклянную пластину с рядом прозрачных и непрозрачных для инфракрасных лучей полос. Диск вращается с постоянной скоростью. При смещении изображения цели вверх или вниз относительно оси zРз фотопоток модулируется либо с частотой ,либо ,где п1и п2 -- число черно-белых полос на внешней и внутренней части диска, aFвр-- частота вращения диска (число оборотов в одну секунду). Фотоприемник преобразует модулированный фотопоток в электрические импульсы, которые усиливаются усилителем. Избирательные фильтры (1и 2 на рис.12) настроены на частоты F1и F2. Следующие за ними выпрямители вырабатывают напряжения, определяемые амплитудами сигналов с выходов фильтров. Разность этих напряжений на выходе вычитающего устройства является выходным сигналом визира. Для рассматриваемой схемы модулирующего диска получается релейная зависимость напряжения на выходе визира от угла отклонения цели в вертикальной плоскости .

Если модулирующий диск имеет расположение прозрачных и непрозрачных полос такое, то при увеличении отклонения цели от оси zРз частота модуляции будет дискретно меняться. Используя в качестве демодулятора частотный дискриминатор, можно получить напряжение , примерно пропорциональное величине углового отклонения. В этом случае тепловой визир будет почти линейным звеном.



Рисунок-12. Функциональная схема теплового визира.

Функциональная схема, представленная на рис.12, соответствует формированию выходного сигнала визира в одном из каналов (в канале тангажа). Второй канал (канал курса) в принципе аналогичен, только ось модулирующего диска должна быть повернута на угол ?/2 [7].

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БОРТОВОЙ ЧАСТИ ЛИНИИ РАДИОУПРАВЛЕНИЯ БПЛА

2.1 Разработка структурной схемы бортовой части ЛРУ БПЛА в составе обшей схемы

В процессе телеуправления на борт летательного аппарата по командной радиолинии (КРЛ) передаются при декартовой рулевой системе управления команды курса и тангажа или при полярной рулевой системе - команды крена и тангажа. Для того чтобы осуществить передачу по командной радиолинии нескольких независимых команд одновременно, необходимо сделать её многоканальной. При этом построение командной радиолинии оказывается во многом аналогичным построению иных многоканальных систем передачи сообщений, к числу которых относятся телеметрические и многоканальные системы связи.

Так же как и в других многоканальных системах, в командной радиолинии для передачи каждого независимого сообщения выделяется отдельный канал. Причём под независимым сообщением в случае командной линии следует понимать команду определённого вида, например команду управления по курсу или по тангажу. Разделение каналов между собой проводится по временному, частотному или по кодовому признакам. При этом в каждом канале формируется своё вспомогательное поднесущее колебание импульсное при временном или кодовом разделении каналов и непрерывное при разделении каналов по частоте. Параметры поднесущих колебаний изменяются под действием передаваемых команд. Сумма поднесущих модулирует передатчик и посылается на приемную сторону радиолинии. В приёмнике после усиления в общем тракте и демодуляции происходит разделение поднесущих и выделение из них переданной команды.