Приведем краткую характеристику анализируемого объекта.

Для применения в учебном процессе модель Т-10 была закреплена на управляемом трёхмерном подвесе [1] (рис. 1 ).

Рисунок 1. Кинематическая схема трёхмерного подвеса стенда

Подвес состоит металлического каркаса (2), на котором закреплён БПЛА (1), Нейтральное положение объекта управления обеспечивается благодаря балансировочным пружинам (3), изменение углов тангажа, крена и рыскания модели происходит при помощи приводов РАУ-107А (4,5,6). Так же на подвесе расположен блок потенциометрических датчиков (7), который позволяет обеспечить обратную связь по угловому положению БПЛА относительно трёх осей координат.

Измерительный блок на борту БПЛА состоит из гироскопических датчиков углов (ДУ) курса, крена и тангажа, датчиков угловых скоростей (ДУС) (по два датчика, относительно каждой из осей связанной с объектом системы координат) и расположен в центре масс летательного аппарата.

Для сбора и преобразования к цифровому виду выходных сигналов аналоговых датчиков служит модуль аналого-цифрового преобразования.

Основной контроллер осуществляет обмен данными между моделью и персональным компьютером-сервером и предназначен для управления рулевыми агрегатами и бортовыми сервоприводами, расположенными на подвесе. Он выступает в роли вычислительного устройства и задает закон углового движения БПЛА.

Предусмотрен двухсторонний обмен данными между персональным компьютером-сервером и компьютерами-клиентами по каналу беспроводной связи, организованного при помощи соответствующей системы. Клиенты получают данные с датчиков в реальном масштабе времени.

Ручное управление положением модели осуществляется при помощи джойстика, который подключен к компьютеру-серверу.

Особенности исполнения стенда на базе БПЛА Т-10 сформировали ряд направлений углубленной подготовки студентов при проведении практических и лабораторных занятий. Это связано, в первую очередь, с относительно большими массо-габаритными размерами модели (масса порядка 150 кг., длина – 4,05м. и размах крыльев – 2,7м.). Во вторую очередь – небольшой ход штока привода не дает возможности получать значительные углы движения Т-10. Поэтому, такой вариант крепления на кардановом подвесе вносит определенную инерционность и обуславливает колебательный характер движения модели. С другой стороны, применение штатных датчиков и проведение анализа заведомо не оптимального движения объекта как раз и позволяет приобретать определенные практические навыки.

Остановимся на некоторых из них.

В качестве примера, рассмотрим продольное движение модели при подаче ступенчатого управляющего сигнала, а для анализа выберем угол тангажа ϑ(t)и его угловую скорость ω_ϑ(t).

Диаграммы сигналов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Диаграммы сигналов управления и с датчиков

Анализ полученных результатов показывает, что их непосредственное использование затруднительно, в следствии наличия значительных помех и шумов. Отсюда вытекает первое направление, которое в общем случае содержит:

- напоминание о принципах построения фильтров;

- проектирование фильтра для постсеансовой обработки данных;

- проектирование фильтра для обработки данных в масштабе реального времени;

- проверка фильтров на выходных сигналах датчиков модели;

- сравнение результатов работы фильтров.

Для дальнейшей обработки применим экспоненциальный фильтр скользящего среднего второго порядка с двумя одинаковыми частотами среза, который определяется следующим уравнением [2,с 203]:

y_1вых(k) = α* y_1вых(k-1) + (1- α)*y_вх(k),

y_2вых(k) = α* y_2вых(k-1) + (1- α)*y_1вых(k),

где y_1вых – сигнал на выходе первого фильтра;

y_2вых– сигнал на выходе первого фильтра;

y_вх – сигнал на входе фильтра;

α – весовой коэффициент, который примем равным 0,9;

k – номер отсчета входной-выходной последовательности.

Отфильтрованные показания датчиков угла и угловой скорости приведены на рис. 3.

Рис. 3. Отфильтрованные показания датчиков угла и угловой скорости.

Отфильтрованные показания датчика угла могут использоваться для практической отработки следующих направлений:

- определение статической характеристики ДУ;

- постобработка и обработка результатов эксперимента для ДУ в реальном масштабе времени;

- практический переход от показаний ДУ к значениям угловой скорости;

- получение вектора угловой скорости и его компонент по временным характеристикам угловых параметров и сравнение с реальными значениями угловых скоростей.

Для примера, используем [3,с.47] известные соотношения - вычисления угловой скорости из значений угла или в дискретной форме

y_вых(k) = (y_вх(k) - y_вх(k-1))/ΔТ,

где: 

k – номер текущего шага; 

y_вых(k) - значение производной от входного сигнала на шаге k; 

y_вх(k) - значение входного сигнала на текущем шаге k;

y_вх(k-1)- значение входного сигнала на предыдущем шаге k-1;

ΔТ - приращение времени на текущем шаге. 

Проведем дифференцирование показаний датчика угла и получим значения угловой скорости угла тангажа. Эти результаты приведены на рис.4. 

Рис. 4. Диаграммы измеренных и вычисленных значений угловой скорости.

Аналогично углу, данные с датчика угловой скорости могут использоваться, например, для решения следующих практических задач:

- определение статической характеристики ДУС;

- постобработка и обработка результатов эксперимента для ДУС в реальном масштабе времени;

- практический переход от показаний ДУС к значениям углов;

- получение углов ориентации корпуса объекта по значениям угловой скорости и сравнение с реальными значениями углов.

Так, с учетом [3,с.50]известных соотношений  - вычисления угла из значений угловой скорости или в дискретной форме:

y_вых(k) = y_вых(k-1) + y_вх(k-1)*ΔТ,где: 

k – номер текущего шага; 

y_вых(k) - значение интеграла на шаге k; 

y_вых(k-1) - значение интеграла на предыдущем шаге k-1;

y_вх(k-1)- значение подынтегральной функции на предыдущем шаге k-1;

ΔТ - приращение времени на текущем шаге, 

определим значения угла тангажа из показаний датчика угловой скорости.

Результаты измерений и вычислений приведены на рис. 5.

Рис. 5. Диаграммы измеренных и вычисленных значений угла тангажа.

И в заключение отметим, что особый интерес вызывает использование стенда для таких направлений углубленной подготовки:

- сравнительный анализ показаний датчиков для определения их работоспособного состояния с учетом взаимных расчетов угла из угловой скорости и наоборот;

- идентификация математической модели объекта с учетом действия реальных возмущающих воздействий.

Поскольку для определения вектора в трехмерном пространстве достаточно трех измерителей проекций векторных величин, оси, чувствительности которых образуют измерительный базис, то при использовании избыточного количества ЧЭ БСО приобретает функциональную избыточность, т.е. возможность измерять вектор входных воздействий различными комбинациями выходных величин инерциальных чувствительных элементов. [1, с.219]. Дополнительным преимуществом функциональной избыточности БСО является возможность автономной идентификации отказавшего измерительного элемента [2, с.7]. При этом на алгоритмическое обеспечение БСО возлагается ряд дополнительных функций:

1. Оценки измеряемого вектора входных воздействий в проекциях на связанную систему координат по избыточным измерениям измерительных элементов блока.
2. Обнаружение отказа БСО.
3. Идентификация отказавшего измерительного элемента (датчика).
4. Изменение алгоритма обработки избыточной информации БСО путем исключения из операций обработки результатов измерений отказавшего измерительного элемента.

Эти возможности БСО дополняют достоинства БИНС при использовании ее в качестве ядра системы управления БПЛА, поскольку с определенной надежностью обеспечивается целостность поступающей от БИНС информации.

До недавнего времени использование МЭМС датчиков в инерциальных измерительных системах сдерживалось их относительно невысокими точностными характеристиками. Тем не менее, достижения в МЭМС технологии дали для военной, аэрокосмической техники и техники специального назначения датчики инерции уже с достаточно приемлемыми характеристиками. В последние годы точность инерциальных МЭМС датчиков неуклонно повышается. Для ряда таких датчиков нестабильность смещения гироскопа составляет уже не более 0,3 ⁰/ч, а акселерометра – 50 мкg.

При выборе конфигурации блока системы ориентации БПЛА, построенных на основе МЭМС датчиков в качестве критериев чаще всего рассматривают:

• обеспечение необходимой надежности измерения в условиях отказов отдельных датчиков;
• достижение максимальной точности оценки параметров ориентации;
• удобство калибровки и начальной выставки БСО с учетом технической реализации датчиков;
• простота пересчета сигналов датчиков в навигационные параметры.

В ряде работ [3-6] показано, что реализация этих требований может быть достигнута за счет избыточной комплектации БСО (более 3-х акселерометров и более 3-х гироскопов) и соответствующим выбором ориентации осей чувствительности датчиков. Кроме того за счет выбора рациональной конфигурации функционально-избыточного БСО точность может быть повышена на 30-40% [1. с.223]. Значительный эффект дает для инерциальных измерений применение инерциальных блоков (модулей), т.е. совмещение в одном корпусе 3-осевых датчиков угловых скоростей (ДУС) с акселерометрами, магнитометрами и датчиками температуры и давления. Использование таких блоков в сочетании с алгоритмическими методами позволяют решать вопросы повышения точности инерциальных измерительных систем [7, с.279].

В ряде работ [8-15] описаны возможные варианты конфигурации избыточных блоков, построенных на основе микромеханических датчиков. Оптимальной ориентацией измерительных осей является расположение их на образующих конуса. Конструктивно эта задача решается размещением чувствительных элементов на основании, выполненном в виде усеченной пирамиды с различным количеством боковых граней. Такое размещение построено на понятии правильного многогранника (тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр) [16, с.97]. При равномерном размещении ЧЭ ось чувствительности каждого датчика должна быть перпендикулярна грани правильного многогранника.

В работе [17, с.97] показано, что ЧЭ установленные на боковые плоскости правильного многогранника с возможностью разворота на фиксированные углы вокруг осей, перпендикулярных к плоскостям, могут «укладываться» на образующие конусов с различными углами при вершинах, включая «оптимальный».

Для проведения исследований реализована конфигурация БСО с 4-мя инерциальными модулями (3-х осевой гироскоп, 3-х осевой акселерометр, 3-х осевой магнитометр, датчик давления и датчик температуры). Инерциальные блоки установлены на основании, выполненном в виде усеченного тетраэдра с тремя боковыми гранями. Оси чувствительности акселерометров при этом взаимно перпендикулярны и направлены перпендикулярно боковым граням основания, а оси чувствительности гироскопов перпендикулярны осям чувствительности акселерометров с одноименными индексами. Конструкция БСО и кинематическая схема осей чувствительности акселерометров и ДУС (гироскопов) в приборной системе координат OX_пY_пZ_п представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Конструкция БСО: 1 – основание в виде усеченного тетраэдра; 2 – инерциальный модуль (3-х осевой акселерометр, 3-х осевой гироскоп (ДУС), 3-х осевой магнитометр и барометрический датчик давления).

Рис. 2. Кинематическая схема осей чувствительности акселерометров и ДУС (гироскопов) в приборной системе координат OX_пY_пZ_п.

Использование 4-го измерительного модуля с ортогональным расположением осей чувствительных элементов дает возможность оценки точности получаемых результатов работы БСО. Такая конфигурация и набор датчиков создает избыточность и позволяет реализовать 9 полноценных БСО для решения задачи повышения отказоустойчивости, а также применить принципы комплексирования БИНС БПЛА.

Как известно, основной задачей системы ориентации является определение углового положения подвижного объекта в географических координатах – курса (ψ), тангажа (υ) и крена (γ). Конфигурирование системы ориентации осуществляется на основе бесплатформенного принципа, при котором роль стабилизированной платформы выполняет виртуальный сопровождающий трехгранник географической системы координат.

Причем алгоритм определения параметров ориентации БИНС представляется в виде четырех субалгоритмов [18, с.88]:

Источником информации алгоритма в инерциальной системе ориентации являются проекции угловой скорости, получаемые на основе сигналов трех датчиков угловых скоростей (ДУС) и вычисляемых проекций абсолютной угловой скорости географического трехгранника. Выходом алгоритма ориентации являются оценки углов тангажа, крена и курса: ϑ, γ, ψ. При этом начальные значения углов  определяются на основе проекций ускорения свободного падения на оси связанной системы координат (информация с акселерометров).

Рис. 3. Блок схема вычисления начальных углов ориентации

Рис. 4. Блок-схема вычисления углов тангажа и крена по показаниям трехосевого магнитометра.

Путевой угол ψ, вырабатываемый модулем GPS можно принять в качестве угла курса относительно географического севера. Пересчет из географического курса в магнитный осуществляется на основании информации об угле магнитного склонения D. Выработка значений угла наклонения I осуществляется по информации о долготе φ и широте λ, получаемой от модуля GPS.

Для повышения точности определения угловой ориентации БПЛА возможно комплексирование инерциального блока системы ориентации (БСО), модуля трехосевого магнитометра и модуля GPS приемника. Блок схема комплексирования БСО и магнитометрической системы ориентации представлена на рис. 5. В таком варианте комплексирования блоки акселерометров и магнитометров служат для выработки начальных значений ψ₀, ϑ₀, γ₀ и текущих значений углов ψ, ϑ, γ ориентации БПЛА. Модуль GPS-приемника принимает сигналы спутниковой навигационной системы и передает в блок расчета углов ориентации значения географических координат φ, λ, путевого угла ψ и углов магнитного склонения D и наклонения I.

По результатам проведенных исследований можно сформулировать задачи, подлежащие дальнейшей разработке:

1. Создать программный комплекс и экспериментальную установку для численного и полунатурного моделирования работы БСО с компьютерной обработкой информации.

2. Провести исследования комплексированного блока БСО с целью разработки алгоритма коррекции БСО.