Системы автоматического управления-ликбез

САУ---автор Книжников ВВ

Автопилот с исполнительными электроприводами является системой автоматического управления с возможностью самостоятельного передвижения по запрограммированному маршруту опираясь на координаты спутниково позиционирования и магнитному компасу или по видео с визуальным чтением поверхности земли по загруженным в память 3д картам![1]

авионика(рулевое)----это полётный контроллер(автопилот)+радиомодем(ру-приёмник)+сервоприводы(рулевые машинки)+бортовой блок(видео)+ аккумулятор(источник электропитания)---[2]

Полноценный автопилот состоит из аппаратной части типа----

• 1) плата распределения питания с импульсными ВЕС обычно на 3.3в для датчиков, 5--6в для сервоприводов, 10--12в для видео-онлайн!
• 2) плата стабилизации пространственного положения дрона по трём осям тангаж, крен, рыскание на "гиро" и "аксель" датчиках!
• 3) центральный процессор с входным портами и выходной шиной для рм!
• 4) плата наложения телеметрии для подключения по входу видеокамеры и по выходу видеопередатчика![3]
• 5) выносного жпс приёмника
• 6) разных периферийных датчиков типа силы тока, воздушной скорости потока, высоты, термо и тензодатчиков, магнитного компаса, ультразвук и лидар!
• 7) блютуз-свисток
• 8) герметичный корпус с микроклимат- контролем!
• 9) кроватка с виброгасящими подушечками!
• 10) набор информационных шлейфов с разъёмами!
• 11) флеш память типа пишущего логи "черного ящика"!

пример компонентов законченного АП "Matek F411-WTE" для авиамодели самолёта типа "паркфлаер" с полной массой всей авионики 120г-----
плата полётного контроллера со встроенными бародатчиком и аксель-гиро-датчиками массой 7г
плата распределения питания с датчиком силы тока и силовыми разъёмами питания на 60А 20г
ЖПС приёмник с антенной типа "патч" 15х15мм 10г
выносная плата коммутации серво 7г
четыре рулевых машинок  по 1.5кгсм с кабелями 40г
шести канальный ру приёмник на 2.4Г с протоколом "Sbus" 8г
видеокамера СМОС 1/3 600твл со стеклянным объективом 10г
видеопередатчик 5.8Г 600мвт с диполем 15г
светодиодный модуль 3г

Приёмник спутниковой навигации-ПСН

Для точного положения дрона в пространстве планеты Земля используются цифровые приёмники с направленными антеннами обычно типа патч работающие со спутниковыми группировками в 24 штуки каждая разных стран производителей США-жпс, Россия-глонасс, Европа-галилео, Китай, Япония, Индия со своими протоколами связи! Диапазон приёма около (1.4--1.6)Ггц Исторически все приёмники называются в простонародье ЖПС-трекерами!

Космический спутник глобального позиционирования это орбитальный одноканальный радиомаяк со своей оригинальной цифровой радиометкой![4]

Методика вычисления координат из тригонометрии---- трекер это искомая вершина перевернутой пирамиды, где три и более спутника основные точки опоры и точность позиционирования повышается с кол-вом видимых спутников приёмником и на практике не менее 6 штук! Погрешность вычислений позиционирования объясняется неравномерностью скорости распространения радиоволн в космическом вакууме и в толщине воздушной атмосферы и поэтому она уменьшается с ростом кол-ва принимаемых спутников попадающих лучом в конус диаграммы приёмной антенны ПСН и обычно это патч с углом раструба в 90 градусов.

Микропроцессор постоянно замеряет задержку по времени прихода сигнала от разных спутников и вычисляет точку приёма!

Точность простых гражданских ПСН плюс минус один метр, РТК систем с наземной базовой поддержкой и тремя антеннами уже около 10см, и специальными научными геологическими базами в 1см!

Скорость передачи пакетов данных с жпс-трекера на АП 1--5--10 гц, разрядность телеграммы 9600-14400--19200--24000--38400--57600--115 000 бит!!!

обычно применяют протоколы низкочастотной связи NMEA или UBLOX!!![5]

В присылаемой телеграмме от трекера есть информация о текущем времени по Гринвичу, широта и долгота, абсолютная высота над уровнем моря, скорость перемещения, направление движения, кол-во видимых спутников и служебные сообщения о номерах спутников их углов возвышения над горизонтом и азимутов! При осадках и грозе приём ухудшается!

При отказе псн или глушении автопилот может ориентироваться на азимут с магнитного компаса, высоту с бародатчика и на воздушную скорость с трубки пито для выхода дрона в предполагаемый район работы с учётом ветрового сноса ---называется инерциальная система наведения или возврата на базу по радиолокации специальных приводных радиомаяков обычно расположенных на всех аэродромах гражданской и военной авиации,где каждый маяк имеет свою индивидуальную цифровую метку!

ЧИП

Типичная цепочка преобразований сигнала с аналогово датчика до исполнительного электропривода следующая:датчик ----операционный усилитель----аналого-цифровой преобразователь----число-интегральный процессор----цифро-аналоговый преобразователь----драйвер----исполнительный механизм----обратная связь на датчик по реакции на физическое воздействие!

При много-задачности таких параллельных цепочек может быть до восьми----этим занимается один центральный процессор с частотой до 512Мгц по принципу прерывания и скидывания промежуточных решений общего уравнения стабилизации по ТАУ в буфер обмена данными ОЗУ! ПЗУ используется для хранения самой программы управления или прошивки ПО![6]

При восьми разрядном процессоре первых поколений максимальное количество значений дискретизации было всего

(2)^8=256 положений рулевой машинки---- при десяти разрядном уже (2)^10=1024 возможных положений!

При одновременном решении четырех задач одним 8 битовым процессором методом прерывания по функциям газ-тангаж-крен-рыскание дискретность понижается в четыре раза и получается всего 256/4=64, то есть сильно падает точность выполнения команд-----это явление уже заметно прямо на глаз!

Тактовая частота определяет скорость решения уравнений и как следствие временную задержку от момента ввода начальных данных до полученного результата или запаздывание----поэтому повышают частоту с десятка Мгц до сотен Мгц!

Для крупных дронов приемлемой задержкой считается 0.2 секунды, для малых бпла  0.1с=100 мс, для манипулятора 10мс, для станков ЧПУ 1мс!

Чем выше разрядность и производительность ЧИП, тем точнее и быстрее решается многоуровневая задача САУ!

ПОКОЛЕНИЯ АП

Поколение автопилота определяет кол-во команд, точность положения и производительность основного процессора---- каждое новое поколение повышают эти показатели! F сокращенно от слова функция, тогда примерно так-----

• F1----один канал управления, 8 битовая-разрядность процессора с тактовой частотой 4Мгц----использовались как

одноканальные платы с гиростабилизацией удержания по курсу и управления вездеходом или лодкой!

• F2----два канала, 8бит, 8 Мгц----2Д стабилизация горизонта по крен-тангаж на пиродатчиках!
• F3----три канала, 12бит, 16Мгц----3Д стабилизация удержания по трём осям координат на гиро или акселерометрах!
• F4----четыре канала, 16бит, 32Мгц----возможен полноценный автополёт бпла с жпс навигацией по программе!
• F5----пять каналов, 20бит, 64Мгц----автополёт плюс дополнительный канал для сброса груза!
• F6----шесть каналов, 24бит, 128Мгц----автомаршрут для сухопутного и водного дрона плюс манипулятор на 4 степени!
• F7----семь каналов, 32бит, 258Мгц----автополёт плюс дополнительно три канала---- на сброс груза, камера и антенн-треккер!
• F8----восемь каналов, 64бит, 512Мгц----автополёт с удержанием камеры на цель по ЗД картам, доп. каналы на САС и сброс груза!

Сложный манипулятор с шестью степенями свободы, это эквивалентно шести каналам управления, сразу требует свой собственный автопилот классом не менее F6!

Для корректной работы датчиков положения ла в пространстве плату с ними типа гиро и акселерометров располагать только в центре масс ла на демпфирующем подвесе, во избежания вибраций и паразитных сил!

Одна из самых надёжных систем на пространственное расположение бпла относительно горизонта или 2Д это пиродатчики на полупроводниковых диодах работающих на приём энергии в инфракрасном диапазоне света, которые измеряют абсолютную температуру теплового излучения между планетой с +273гр К и космосом с абсолютным нулем----отлично работает днем при солнце и хорошо ночью при звёздах, удовлетворительно в пасмурную погоду и плохо в туман, то есть в облако залетать нельзя!

У всех пьезодатчиков типа твердотельных гиро-аксель есть температурный дрейф нейтрали и по прошествию нескольких часов уход с нуля может составлять несколько градусов, надо учитывать при продолжительных миссиях на дронах!

В обратной связи от твёрдотельных датчиков всегда существует паразитная вибрация или шум по упругой конструкции рамы дрона, если амплитуда 
которой равна или превышает полезный сигнал, то САУ перестаёт корректно работать и выдаёт ошибочную команду по оси вибраций----есть 
математические фильтры Калмана, которые борются с входным шумом, но требуют огромные проценты ресурса производительности ЦП или простое 
механическое решение типа демпферной кроватки для платы гиро-датчиков на виброгасящих материалах пенорезина, поролон или шумка----- это 
очень важно при применении поршневого ДВС в качестве СУ!!!  

Промышленные АП

Хоббийный автопилот на современных комплектующих радио-микро-деталях очень маленький и лёгкий---типичный размер башни с коробок спичек при массе 10-30г и ценой 30-200 уе!!! На практике для хобби большинство функций просто не нужно типа авто-взлёт и автопосадка, сопровождение цели, полёт по точкам и соответственно компьютер для настроек----достаточно всего 2-3Д стабилизацию и автовозврат настраиваемых прямо на АП крутилками!!!

Современный инженерный автопилот в сборе имеет массу от 100г и размеры с пачку сигарет при средней стоимости с периферийными устройствами в 1000-2000 уе-----типа "PIXHAWK".

Цена промышленных АП формируется в первую очередь стоимостью комплектующих от класса точности, многоуровневости платы, качеством пайки, материалом корпусов и тиражом -----программное обеспечение тоже может включаться в цену АП!---[7]

Не коммерческие ПО имеют свободный доступ ко всем настройкам АП и кол-во переменных может достигать 1000 штук!

Основные ПО открытого доступа бесплатно распространяются в интернет сети--это АРДУПИЛОТ, АЙНАВ, БЕТАФЛАЙТ!!!

Закрытые ПО обычно узкозаточенные с минимум доступных настроек и минимум гибких возможностей, но зато нет ничего лишнего ----например

1) для самолётов класса микродрон то есть "паркфлаеров" очень удачная и надёжная "SN SPARROW FC", "Lefei Sparrow 2-OSD" и для минидронов "FY-41AP" уже с "OSD", "SpeedyBee F405 wing Mini"----[8]

2) для микро-квадриков хороши "QQ SUPER" и "FC451" фирмы "Dualsky", для миникоптеров "ТАRОТ ZYX-М" и "NAZA-V2" уже с "OSD"!!!

Сейчас множество фирм наладили выпуск АП на современных ЧИПах класса  STM32бита по доступным ценам 30-100уе и разного формакора под открытое 
ПО-----для любителей программирования для роботов любого типа есть готовые модули "АРДУИНО" включая сами "мозги" и всю периферию!!![9]---[10]

Особое внимание заслуживает АП фирмы "МАТЕКSYS" типа самолётный "Matek F405-WMN", "Matek F411-WTE", "Matek H743-mini", "Matek H743-WING-V3"!!!

более подробно смотри статьи-ликбезы----- "ТАУ" и "ПО для автопилотов"