Технические науки/11. Робототехника

Гнатченко А.А., Гнатченко И.А., канд. физ.-мат. наук Нурсеитов Д.Б.

Национальная научная лаборатория коллективного пользования информационных и космических технологий Казахского национального технического университета имени К.И. Сатпаева, Казахстан, Алматы

Разработка программного обеспечения и электронно-механических управляющих устройств беспилотного летательного аппарата

Введение

На сегодняшний день идея внедрения робототехнических устройств в различные сферы человеческого труда не нова. Благодаря устойчивости к сбоям и высоким производственным показателям робототехнические устройства могут применяться практически во всех отраслях производства. Особенную важность в вопросе применения робототехники занимает военная промышленность. Именно в этой области требуются наиболее качественные, надежные и простые в производстве устройства. [1]

Наиболее востребованным направлением военной робототехники является отрасль построения беспилотных летательных аппаратов. Данные аппараты могут быть использованы как в качестве боевых воздушных единиц, так и в качестве пассивных наблюдательных звеньев.

Создание такого типа робототехнических устройств требует подбора не только оптимальных аппаратных и механических составляющих, которые определяют производственные характеристики конечного образца, но и характеристики управляющего элемента, что в свою очередь накладывает ограничения на логичность и оптимальность распределяемой нагрузки на составляющие системы в целом. [1]

Предпосылки

Беспилотные летательные аппараты являются оптимальным средством ведения наблюдения и обеспечения контроля наземной территории. Именно их малый размер, а также относительная бесшумность делают их незаменимыми в задачах определенного рода. К таким задачам можно отнести получение необходимых сведений о наблюдаемой территории, контроль границ, а также поисково-разведочные операции. Данный вид аппаратов обладает преимуществами, которые и делают его перспективным направлением разработки и внедрения. К таким характеристикам можно отнести охват зоны наблюдения, точность позиционирования наблюдательной точки, а также скорость перемещения по местности.

Актуальность

Современный этап развития техники и технологии предполагает снижение затрат на производства с сохранением необходимого уровня надежности и отказоустойчивости. Следствием этого является необходимость снижения влияния человеческого фактора на механизм или процесс в целом. [2]

Большинство современных беспилотных летательных аппаратов обладают собственной системой позиционирования, что исключает влияние человеческого фактора. Более того, аналогичный принцип положен в основу современных систем контроля и навигации, которые также используются при производстве беспилотных летательных аппаратов.

Большое влияние на успешность введения подобных аппаратов имеет разработка управляющих систем, что способны длительное время направлять и корректировать траекторию полета данных технических единиц. От того, насколько правильно и оптимально построена управляющая подсистема, зависит скорость работы системы в целом. [2]

В масштабе малого пространства, доступного для размещения логической подсистемы, а также производственных ограничений, налагаемых на техническое устройство, данный фактор становится критическим. Именно поэтому наиболее перспективным направлением в разработке подобных аппаратов является определение структуры управляющей подсистемы, а также ее дальнейшая разработка.

Описание проекта

Основной целью, решение которой необходимо достигнуть, является разработка производственного образца, представленного программно-механическим комплексом для беспилотного летательного аппарата, который будет способен поддерживать себя в воздухе необходимое время, достаточное для проведения операций по контролю целостности территории, подверженной наблюдению, без непосредственного контроля со стороны оператора-пользователя. [3]

Данный аппарат планируется отнести к аппаратами короткой дальности полета, что делает его наиболее применимым в условиях небольшой протяженности наблюдаемой территории.

Основополагающими конструктивными элементами проектируемого беспилотного аппарата будут: электронные управляющие элементы, механические управляющие элементы, программные управляющие элементы.

Электронные управляющие элементы

Данный беспилотный летательный аппарат предполагает использование наиболее распространенных электронных управляющих элементов. К числу таких элементов можно отнести процессорные вычислительные узлы, высокоскоростные соединения, резисторы, конденсаторы, элементы питания и другие электронные устройства, необходимые для управления беспилотным летательным аппаратом.

Выбор типовых элементов обусловлен экономичностью применяемых решений, а также надежностью и, при необходимости, быстрой заменой составляющих частей. [3]

Механические управляющие элементы

Данный вид управляющих элементов применяется для непосредственного контроля траектории движения летательного аппарата. При движении беспилотного летательного аппарата он неизбежно сталкивается с силами, которые смещают его с первоначальной траектории, что приводит к неправильному поведению летательного аппарата. Главной задачей данных управляющих элементов является поддержание необходимой траектории движения, независимо от действующих на летальный аппарат сторонних сил.

Для определения силы, влияющей извне на летательный аппарат, а также же силы, противодействующей ей со стороны беспилотного летательного аппарата, применяются датчики высоты, давления, скорости ветра. Именно элементы данного блока подготавливают данные, подлежащие анализу со стороны программных управляющих элементов. [3]

Программные управляющие элементы

Данный вид управляющих элементов содержит в себе программные структуры и алгоритмы по обработке данных. Результатом работы данных элементов являются инструкции по работе иных систем беспилотного летательного аппарата. Именно на этом этапе определяется разница в траектории полета, конкретная величина прикладываемой силы противодействия, время ее приложения, пути достижения конечной точки или конкретного маршрута. [3]

Обрабатывающие алгоритмы и данные имеют классическое представление, при котором алгоритмы и данные разделены на локально независимые модули, что позволяет эффективно для системы в целом производить обновление рабочих модулей, программ, а также обновлять сегменты данных, являющихся исходным материалом для обработки данным блоком.

Влияние результатов

При внедрении данного вида разработки в процесс производства предполагается получение высоких производственных и технических результатов. Одним из основных результатов данной разработки является многократность применения используемых алгоритмов по обработке данных. Данные наработки могут быть использованы в аналогичных проектах касаемо другой роботизированной техники, например, при проектировании наземных аналогов. Именно модульность в построении данного летательного аппарата обеспечила высокую степень применимости в аналогичных проектах схожего характера.

Открытые исходные коды программной части управления беспилотным летательным аппаратом позволяют внедрять новые элементы управления, что расширяет функциональную базу данной разработки. Более того, это же обстоятельство делает возможным проведение работ по оптимизации составляющих программно-аппаратных структур, что в свою очередь позволяет улучшить наиболее критические характеристики, если на то имеются причины.

Планируемые улучшения

В качестве улучшений, планируемых к введению в будущем можно представить улучшения касательно способов разработки управляющей базы беспилотного летательного аппарата. К элементам, подверженным улучшению, относятся процессорные и вычислительные элементы, которые могут быть заменены на более надежные или более дешевые.

Также к планируемым улучшениям относятся способы расширения программной составляющей. В будущем будет возможно использовать языки высокого уровня для программирования микроконтроллерной логики летательных аппаратов, что переведет задачи управления на качественной новый уровень.

К элементам, в которых возможны улучшения, стоит отнести элементы питания. Именно от этих элементов зависит количество времени, которое беспилотный летательный аппарат способен проводить в полете.

Список использованной литературы

1. Эрик Фриман. "Head First Design Patterns" 2004г.

2. Милан Верле. "PIC Microcontrollers - Programming in C" 2009г.

3. Джонатан Андерсон. "Effective UI" 2009г.