Характеристики автономных вертолетов на разных этапах

Проекта AVATAR

Этап	AFV	AVATAR-1	AVATAR-2
Вертолет
· Модель · Топливо · Полезная Нагрузка	Kyosho Concept 60 метанол 5 кг	TSK Blackstar метанол 7.5 кг	Bergen Twin бензин 10 кг
Бортовой компьютер
Архитектура · Частота · Арифметика · ОСРВ	Моторолла 68332 16 Mгц фикс. точ. BURTE	Моторолла 16 Mгц фикс. точ. BURTE	PC/104 133 Мгц плав. точкой QNX
Датчики
Высоты Направления Положения Скорости Двигателя Видеообраз	ультразву-ковой компас - - число обор. ч.-б. камера	ультразву-ковой компас - - число обор. ч-б камера	ультразвуковой и GPS/INS GPS/INS GPS/INS GPS/INS число обор. цв.камера
Системы связи
Командная Телеметрия Видеоканал	радио, анал. радио, анал. -	радио, анал. радио, анал. -	радио ethernet радио ethernet аналлоговый
Бортовая система питания
Аккумуляторное	60 Вт NiMH	60 Вт NiMH	125 Вт NiMN
Качественные оценки системы авторами проекта
Автономность · от оператора · от внешней сист. управл. Живучесть Способности к обучению	Высокая Низкая Низкая Нет	Высокая Низкая Низкая Нет	Высокая Высокая Низкая Низкая

На нижнем уровне управления главным приоритетом является обеспечение выживания робота. На этом уровне обеспечивается выполнение очень быстрых реакций на внешние воздействия для удержания вертолета в режиме зависания. В режиме зависания система управления обеспечивает наличие постоянного направления и положения над землей.

За выдачу команд исполнительным механизмам системы управления ответственны низкоуровневые поведенческие реакции. Низкоуровневые поведенческие реакции ответственны за контуры управления, требующие “быстрых” реакций, которые и назваются уровнем рефлексов , так как этот контур управления отвечает за стабилизацю вертолета в физическом пространстве, и от скорости реакций на возникающие внешние возмущения действительно зависит судьба вертолета. После ряда экспериментов этот уровень поведенческих реакций был реализован на основе сложной гибридной структуры: контроллера с нечеткой логикой в сочетании с нейронной сетью, как это показано на рис. 3.3.

Применение контроллера с нечеткой логикой было обусловлено рядом причин. Главные из них обусловлены тем, что применение описания с использованием эксперной системы с нечеткими переменными обеспечивает целый ряд преимуществ по сравнению с методами использующими классические модели теории управлений. Отработка принципов построения системы управления с использованием классических принципов велась на двух предшественниках робота AVATAR, на которых уровень рефлексов реализовывался на простых PD регуляторах (измерение –отработка ошибки). Система оказалась недостаточно надежной.

Немаловажным обстоятельством явился и тот факт, что описание модели управления с использованием лингвистических переменных оказывается для пилота–эксперта прозрачным с точки зрения полноты описаний и корректности использованных численных значений, получаемых в результате обучения системы.

Для выбора численных параметров описания нечетких переменных в процессе обучения системы был использован аппарат нейронных сетей и технология “обучение через показ ”, предложенная Монтгомери [4].

К настоящему времени продемонстрирована возможность полностью автономного полета вертолета на протяжении 5-10 минут, во время которых робот обеспечивал движение по заданной траектории полета (высота, положениена плоскости и ориентация). Для отработки систему управления широко использовались изначально заложенные в систему управления возможности переключения режимов работы (ручной/автоматический), а также возможности разделения задач между операторам и роботом. Например, робот управляет поворотом в пространстве, а оператор контролирует оставшиеся параметры.

Фактически, полученные группой Montgomery результаты позволяют утверждать, что в принципе задача создания системы управления автономным вертолетом с использованием систем управления на основе нечеткой логики к настоящему времени успешно решена.

4. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА ТОПОЛОГИИ СИСТЕМЫ РАДИОКОМАНДНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Любая практически значимая система на основе ДПЛА представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из разнородных объектов работоспособность которой невозможна без организации устойчивого информационного обмена с использованием радиоканала.

Фактически, речь должна идти об использовании многоканальных цифровых радиомодемах, обеспечивающих дистанционное управление 4-8 подвижными объектами в реальном масштабе времени Характерные времена доставки сообщений оцениваются на уровне 0.1 - 1 сек в условиях сильно зашумленных каналов передачи, что характерно для промышленных и военных применений.

Приведенные выше данные позволяют провести концептуальную оценку архитектуры системы радиокомандного управления для выработки требования к протоколам обмена. Наиболее близкая архитектура, позволяющая обеспечить предъявляемые требования к сети, архитектура SFSN “Поле датчиков - Суперузел” [5], которая была расширена до уровня, получившего название SFSN-2 [6].

Архитетура системы показана на рис. 4.1. В соответствии с концепцией “Поле датчиков -Суперузел” ("Sensor Field-SuperNode") в каждый конкретный момент времени сеть представляет собой совокупность переменного числа фрагментов, связанных между собой информационными каналами Фрагмент сети будем в дальнейшем называть суперузлом. Фрагмент состоит из автономных "датчиков" и "контроллеров". Каждый из датчиков может передавать информацию на любой из контроллеров фрагмента. Датчики, входящие в фрагмент, образуют таким образом "поле датчиков" и фактичеcки каждый из них является принадлежностью всех контроллеров фрагмента, которые в этом случае выступают как некое многокомпонентное устройство, получившее название "cуперузел".

Такого рода архитектура в свое время [5] была предложена для обеспечения повышенной надежности и в силу множественности связей типа "датчик-контроллер" подразумевает использование беспроводных каналов связи. В свое время для отработки структуры протоколов информационного обмена был разработан и испытан фроагиент такого рода сети с использованием инфокрасного канала управления.

Взяв за основу реально действующий комплекс PIONEER в суперузел представляется целесообразным ввести в фрагмент еще один объект, который отождествляется с пультом ручного управления оператора полета, что и приводит к концепции архитектуры SFSN-2 .

Применительно к задаче управления автоматическими вертолетами предлагаемая выше классификация объектов имеет следующее конкретное наполнение. Суперузел, представляет собой множество подвижных объектов, состоящее из трех подмножеств :

OPERATOR(оператор) (количество элементов от 0 до – 8 ) ;

MASTER (пункт управления) (количество элементов от 0 до – 32 ) ;

FLIGHT (борт) ( количество элементов от 0 до – 32 ) ;

Подмножество FLIGHTдля каждого суперузла формируется из автоматических вертолетов, управляемых корабельными пунктами управления. В идеале хотелеось бы иметь возможность дублирования корабельных пунктов управления с возможностью передачи управления конкретным вертолетом с одного корабельного пункта на другой.

Корабельные пункты управления образуют подмножество MASTER.При этом имеется ввиду, что на одном корабле могут быть несколько устройств, входящих в подмножество MASTER,с целью обеспечения возможности дублирования. Кроме этого несколько относительно недалеко расположенных кораблей могут конфликтовать из-за доступа к одному и тому же каналу и в силу этого конфигурация суперузла будет более сложной: в нее будут входить дублированные узлы управления нескольких кораблей, с которых одновременно пилотируются по несколько вертолетов.

В реальной практике может возникнуть необходимость вмешательства оператора полета в случае аварийных ситуаций либо с корабельными пунктами управления, либо с каким-либо автоматическим вертолетом. Кроме этого, проведение операций технической подготовки вертолетов также подразумевает использование автономных пультов Оператор полета должен пользоваться носимым пультом управления, сигналы управления с которого в случае отработки экстремальных ситуаций должны иметь наивысший приоритет. Это подмножество имеет групповое название OPERATOR.