Обеспечение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 119
УДК 629.7. 086
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А.В. ПОЛТАВСКИЙ, А.В. РЯКИН Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В. С.
В статье рассматриваются вопросы обеспечения безопасности полетов в условиях внезапных отказов, повреждений в системе управления беспилотным летательным аппаратом и предлагается ее алгоритмическая защита.
Введение
Особое значение для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) имеют бортовые системы, обеспечивающие его выживаемость при выполнении задач в условиях наличия:
— повреждений аэродинамических поверхностей-
— отказов в системе управления-
— большого числа различных ограничений на параметры движения БЛА-
— опасности столкновения с земной поверхностью и с другими взаимодействующими и противодействующими ЛА-
— необходимости вычисления реализуемых (при необходимости оптимальных) траекторий приведения поврежденного БЛА в заданную точку или область пространства с целью его сохранения и посадки.
Для обеспечения безопасного продолжения и завершения полета БЛА в условиях отказов и повреждений необходим переход к системам управления, реализующим принципы отказоустойчивости.
Под отказоустойчивостью понимается свойство системы управления эффективно использовать остающиеся после отказов и повреждений ресурсы для сохранения характеристик устойчивости и управляемости БЛА на максимально достижимом для данного состояния уровне.
Анализ причин потерь ЛА показывает, что доля потерь, связанных с ухудшением устойчивости и управляемости, составляет 20−25%.
Повреждаемость непосредственно системы управления также высока и составляет около 17%. Повреждения элементов планера, влияющие на устойчивость и управляемость БЛА, составляет от 11% до 50% общего числа повреждений в зависимости от типа самолета.
Из изложенного можно сделать заключение, что необходимо совершенствование системы управления БЛА в целях эффективного обеспечения выживаемости и безопасности полета в процессе выполнения поставленных задач.
Основные зависимости алгоритмов идентификации активных отказов в системе управления
Под активными в рассматриваемых случаях понимаются отказы, вызывающие движение БЛА, отличное от расчетного и создающее угрозу для безопасного продолжения полета.
Алгоритмы идентификации основаны на принципе аналитической избыточности и теории чувствительности систем управления (СУ).
Рассматривается идентификация трех групп отказов. К первой относятся отказы датчиков, информация которых используется для формирования сигналов управления в автоматизированной системе. Ко второй группе относятся отказы органов управления, т. е. их нерасчетное
функционирование, вызванное нарушением линий связи, отказами не дублированных исполнительных устройств и другими причинами. К третьей группе относятся отказы системы коррекции передаточных коэффициентов СУ.
Перечисленные отказы привносят существенные особенности в динамику движения БЛА, являются трудно парируемыми оператором, не испытывающим весь спектр акселерационных ощущений (основных) для парирования такого класса особых ситуаций. Г оворить об эффективности & quot-виртуального оператора& quot- просто не приходится в силу крайне критичного запаздывания всех оставшихся каналов нерефлекторной составляющей деятельности наземного оператора.
Данные группы отказов характеризуются тем, что приводят к изменению структуры и параметров СУ, что вносит существенные особенности в задачу их идентификации.
На содержательном уровне идентификация отказов СУ может быть сформулирована как последовательное решение частных задач:
— собственно обнаружения факта нерасчетного функционирования СУ-
— определения отказавшего датчика или органа управления (локализация отказа) —
— оценивания величины изменившегося вследствие отказа параметра для установления степени & quot-поражения"- СУ.
В качестве объекта диагностирования рассматривается БЛА с многоканальной автоматизированной системой управления, описываемый уравнениями
X = АХ + Ви,
У = Р (СХ + пи) + У *, (1)
и = С (Ку (Л) У + К (Г!)У) + и и
Здесь X — п-мерный вектор состояния объекта управления- и — т-мерный вектор управлений-
У — г-мерный вектор наблюдений, включающий сигналы, используемые в системе управления-
А, В, С, Б — матрицы параметров соответствующих размеров-
V — к-мерный вектор командных входных сигналов управления-
Ку (л), Ку (л) — матричные передаточные функции обратных и прямых связей автоматизированной системы управления-
Л — 1-мерный вектор параметров коррекции передаточных коэффициентов (число М, скоростной напор, высота, скорость и т. д.)
Матрицы, описывающие отказы, типа обрыва канала связи, имеют вид
Г Е — датчики исправны,
[р = diag (11,… Д.,…, 1т) — отказ /-го датчика-
Г е — органы управления исправны,
С = & lt-1 т
|^. = diag (11,., 0,…, 1т) — отказ у'--го управления.
Здесь и далее Ег, Ет — единичные матрицы соответствующих размеров.
Таким образом, матрицы Р- и О] осуществляют исключение отказавших компонентов векторов У и и из состава переменных СУ.
Векторы У* и И* соответствуют значениям отказавших компонент и являются, по существу, параметрами СУ. Их выражения имеют вид
* Г 0 — датчики исправны,
[(Ег — Р/)'-У (О — отказ /-го датчика-
* Г 0 — органы управления исправны,
[(Ет — Су) и (О
— отказ у-го управления,
где 1:0 — момент времени отказа с изменением структуры СУ.
^* Г 0 — органы управления исправны,
[(Ет — С])'-и (^0) «отказ у-го управления, где 1−0 — момент времени отказа с изменением структуры СУ.
Параметрические отказы представляют собой нерасчетное изменение передаточных коэффициентов прямых и обратных связей СУ.
Данные отказы чрезвычайно опасны, поскольку в одних случаях приводят к потере устойчивости замкнутого контура & quot-оператор — СУ- БЛА& quot-, в других — к уменьшению эффективности канала управления и, как следствие, невозможности эффективного управления беспилотным самолетом.
Вследствие параметрического отказа к-й параметр изменяется на А%. Это приращение и является искомой величиной для алгоритма идентификации.
В случае описания отказа типа наличия постороннего сигнала матрицы О и Р задаются единичными, а искомыми являются компоненты векторов И (1−0) и У (1−0), которые представляют собой отказы соответствующего типа.
Схема идентификации отказов включает контролируемую СУ, ее модель и непосредственно сами алгоритмы обнаружения и идентификации. Модель должна отслеживать движение СУ на интервале идентификации [1^, Ь] при одном и том же командном задающем воздействии V.
Процесс идентификации СУ цикличный. В начале каждого цикла начальные условия модели обновляются, это позволяет избежать накопления ошибок на уровне выходных сигналов и использовать линеаризованную модель с поправкой выходных сигналов на некоторую вычисляемую опорную величину Уоп.
Предполагается, что параметры модели подстраиваются при изменении условий полета и режимов функционирования СУ.
В итоге на основе решения уравнений чувствительности с соответствующими начальными условиями имеем векторные функции чувствительности вида
д У^, гх, д У (О/ди, (^))
диу (О
дУ (?, 11, дУ (О/д у. (Г,)) д у, (О '
дУ „, 1, дУ (гх)/дПк (О)
]=1, … т-
1=1, … г- к=1, … 1, 1е [11, 12].
дЛк СО
В данных функциях аргументы в скобках имеют следующий смысл:
I — текущее время-
II — начало процесса во времени-
дУд*^г) — начальные условия соответствующих функций чувствительности.
Идентификацию отказавшего элемента СУ рассмотрим на примере отказов органов управления. Если предположить гипотезу отказа ]-го органа управления, то необходимо проанализировать соблюдение равенства в параметризованном функциональном соотношении
дУ, 1, дУ (П/ди, (О)
А У (, Г., А У (и)) = ^ Л, А и} (1а), (2)
ди, (О у
где АУ () — дополнительное движение, вызванное отказом ]-го органа управления (]- неизвестно), на величину Аи] от номинального положения (Аи] - неизвестно).
Трудность заключается в том, что дУ (*)/ ди, (*) рассчитываются с момента времени 11, а
АУ (*) может появиться в любой момент [11, 12] на интервале контроля, когда отказ проявит себя (& quot-активизируется"-). Для того чтобы соблюдалось равенство (2), необходимо, чтобы момент
времени 1-“ начала появления дополнительного движения АУ (*) совпадал с начальным моментом времени вычисления функций чувствительности ЭУ (*)/ди (*).
Поскольку ни отказавший орган, ни время активизации отказа (в общем случае) неизвестны, необходимо осуществлять последовательную проверку гипотез отказа каждого из т органов управления.
Схематизация решения данной задачи представлена на рисунке.
Здесь линии ЭУ/Эиу и АУ представляют собой траектории в нормированном пространстве Яг-
[І1, і2] - интервал контроля-
І4- момент начала вычисления функций чувствительности-
іа- момент & quot-активизации"- отказа, смещенный относительно ^ на неизвестную величину т-
ЭУ (1обн)/Эц], АУ (іобн) — мгновенные значения соответствующих векторов в точке обнаруже-
Перед тем как сформулировать критерий, на основании значения которого выявляется отказавший орган управления, обратим внимание на следующий факт. Если время 1-а найдено и определен ]-й отказавший орган управления, то между векторами АУ () и ЭУ ()/Эи|() существует линейная зависимость.
В качестве меры линейной зависимости между этими нормированными векторами принят угол, вычисляемый в момент времени при выполнении условия АУ ()& gt-е:
Когда 1а и компоненты (3) соответствуют этим векторам и отказавший орган и] известны, то ф @ 0. Если момент 1а и момент начала расчета функций чувствительности не совпадают и смещены на величину т, то угол ф (т) Ф 0. Аналогичная картина будет в случае, если дополнительное движение появляется в результате отказа не ]-го органа.
Таким образом, алгоритм определения отказавшего органа управления будет состоять из двух этапов.
На первом этапе выдвигается гипотеза, что отказал ]-й орган управления. Для этой гипотезы вычисляется время активизации отказа 1а.
На втором этапе из всех проверенных т гипотез выбирается наиболее близкая к искомому отказу в смысле наименьшего значения заданного критерия.
Критерий для нахождения времени активизации отказа для ]-й гипотезы имеет следующий
вид:
Э У, А У Ж
интервал контроля
і
Рисунок.
іобн — момент обнаружения отказа (||А7|| & gt- є) —
ния.
(3)
т = ШЕ тШ ф } ОХ ф } (т) & lt- ф }, (4)
i1& lt-T<-i^"#
где ф^ - заданное пороговое значение угла для ]-го отказа.
В случае, если фj (т))ф--, то данный орган из дальнейшего рассмотрения исключается.
Аналогичная проверка осуществляется для всех органов управления.
Для определения отказавшего органа управления (формально его номера) используется второй критерий
/ = ш^тп ф- (та]). (5)
]=1,… т
Таким образом, совокупность проверок гипотез по критериям (3)… (5) позволяет выявить отказавший орган управления.
Используя систему (2), где известны вектор АУ (1обн) и вектор значений функций чувствительности ЭУ (1обн)/Эи] в этот же момент времени, получим значение искомого смещения отказавшего органа управления
/'- 4−1
дУ (/»"") д У (/""") дУ (/""") ду (& gt-) (6)
3, ч '- 3, ч '- 3, ч АУ ('-ффф). (6)
ди}. (^а) ди} (^а)) ди! (^а)
Суммируя данную величину с номинальным значением и|(1обн)ном, удовлетворяющим (1), получим положение отказавшего органа управления
и Ц) (1обн) ном + А Ц) ('-1обн). (7)
В результате идентификации происходит коррекция модели (1) и соответствующих уравне-
*
ний чувствительности в смысле изменения матрицы О и вектора и. В результате дополнительное движение АУ () исчезает и алгоритм вновь готов к обнаружению последующих смещений данного органа управления и других отказов.
Абсолютно аналогичным образом осуществляется идентификация отказов измерителей вектора У сигналов обратных связей СУ и вектора л параметров коррекции передаточных коэффициентов СУ.
Представляется необходимым определение принципиальной возможности идентификации изложенным методом.
Объектом, на котором оценивается идентифицируемость отказов, является блочная функциональная матрица размера г (т+г+?)
Аи. =
(•) =
эу (•) — эу (•) — эу (•)
, диЦЧ): дУТ (?1): д^(Ч)
(8)
где точкой обозначены аргументы, используемые в уравнениях чувствительности, а блоки матрицы составлены из столбцов соответствующих вектор-функций
дУ (•) дУ (•) дУ (•)
дu^(tl), дУг (0' дЛк (ХУ ] = 1,… т- г = 1,… г, к = 1,…1.
Критерием идентифицируемости заданных типов отказов является линейная независимость столбцов матрицы Ъ (•) при различных значениях времени внутри интервала контроля [11, 12], т. е. углы между всеми (т+г+?) векторами должны быть различны. Отметим, что подобный алгоритм позволяет идентифицировать отказы СУ, признаваемые их разработчиками, как принципиально не распознаваемые для используемых методов контроля СУ.
Обладание подобной информацией в реальном масштабе времени позволяет кардинально перестроить (в алгоритмическом смысле) СУ БЛА, придав ей принципиально новые свойства, обеспечивающие максимально достижимую для данного отказа безопасность продолжения и завершения полета.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиационная системотехника- Под ред. Ярлыкова М. С. — М.: Изд. ВВИА им. проф.Н. Е. Жуковского, 1991.
2. Алгоритмы оперативного оценивания возможности балансировки поврежденного ЛА: Научно-методические материалы- Под ред. Попыталова С. А. — М.: Изд. ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1991.
3. Акимов А. Н., Бережной В. Ю. Метод и алгоритмы предотвращения столкновения летательных аппаратов. — М.: Изд. ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 2003.
PROVIDING THEN SAFETY OF AIR FLIGHTS OF AIRCRAFT
Poltavskiy A.V., Ryakin A.V.
The article concentrates on the problems of providing the safety of air flights under risks of sudden failures, damages in control system of an unpiloted aircraft and the ways of its algorithmic protection are proposed.
Сведения об авторах
Полтавский Александр Васильевич, 1957 г. р., окончил КВВАИУ (1980), кандидат технических наук, доцент МГПУ, автор 50 научных работ, область научных интересов — моделирование и безопасность полетов ЛА.
Рякин Александр Викторович, 1958 г. р., окончил ВВИА (1981), кандидат технических наук, доцент ВВИА, автор 57 научных работ, область научных интересов — моделирование и безопасность полетов ЛА.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой