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!

авионика(рулевое)----это автопилот(мозги)+радиомодем(ру-приёмник)+сервоприводы(рулевые машинки)+бортовой аккумулятор(источник электропитания)

Полноценный автопилот состоит из аппаратной части типа----

• 1) платы распределения питания обычно на 3.3в для датчиков, 5в для сервоприводов, 12в для видео-онлайн!
• 2) платы стабилизации пространственного положения дрона по трём осям тангаж, крен, рыскание на гиро и аксель датчиках!
• 3) центрального процессора с входным портами и выходной шиной для рм!
• 4) платы наложения телеметрии для подключения по входу видеокамеры и по выходу видеопередатчика!
• 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"!

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 1.5Ггц Исторически все приёмники называются в простонародье ЖПС-трекерами!

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!

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!!!

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 256Мгц 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!

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 процессором 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! ф сокращенно от слова функция, тогда примерно так-----

• ф1----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!

• ф2----два канала, 8бит, 8 Мгц----2Д стабилизация горизонта по крен-тангаж на пиродатчиках!
• ф3----три канала, 10бит, 16Мгц----3Д стабилизация удержания по трём осям координат на гиро или акселерометрах!
• ф4----четыре канала, 12бит, 32Мгц----возможен полноценный автополёт бпла с жпс навигацией по программе!
• ф5----пять каналов, 16бит, 64Мгц----автополёт плюс дополнительный канал для сброса груза!
• ф6----шесть каналов, 20бит, 128Мгц----автомаршрут для сухопутного и водного дрона плюс манипулятор на 4 степени!
• ф7----семь каналов, 24бит, 258Мгц----автополёт плюс дополнительно три канала---- на сброс груза, камера и антенн-треккер!
• ф8----восемь каналов, 32бит, 512Мгц----автополёт с удержанием камеры на цель, 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 ф6!

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 э-датчиков всегда существует паразитная вибрация или шум по упругой конструкции рамы дрона, если амплитуда которой равна или превышает полезный сигнал,то э- 
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 это демпферная кроватка для платы гиро- 
датчиков на виброгасящих материалах типа пенорезина, параллон или шумка----- это очень важно при применении поршневого ДВС в качестве СУ!!!  

ПИД--- коэффициенты чувствительности

исторически названия коэф.чувствительности пошли от математического описания элементарных систем устойчивости механического типа---по аналогии

Обратная сила--время разгона--время торможения-----период затухания колебательного переходного процесса зависит от тяговооруженности- 
механической  перегрузки всей системы как соотношение силы (момент силы) и массы (моментов инерции),то есть ускорение(круговое ускорение)!

Пропорционально P---Интегрально I--=Дифференциальное D ----комплексное уравнение переходных процессов устойчивого состояния системы 
стабилизации!

Э-сопротивление (резистор)--э-индуктивность(дроссель)---э-ёмкость(конденсатор)----электро-цепочка в обратной связи по инверсионному входу 
аналогово операционного усилителя НЧ включённого на прием от датчика положения на прямой вход и на выходе силовое управление э-магнитом(серво)!

По закону тау жёсткая система динамической автостабилизации имеет четыре зоны взаимодействия с внешним возмущением

первая--- недорегулирование по чувствительности выражено вялой реакцией на возмущение похоже на поведение пьяного человека, всё заторможено и зигзагообразная траектория полёта с постоянными заносами, переходный процесс медленно затухающий---- надо увеличить ПИД по оси запаздывания!

вторая-- это нормальная корректная работа автопилота выражена быстрым исправлением возмущения или есть выражение как прибитый к столу при висении и как по рельсам в полете значит пиды в оптимуме----переходной процесс быстро затухающий!

третья---- перерегулирование вызывает перевозбуждение или дрожь приводов---большой расход энергии из за бросков разгона и торможения и может вызвать разрушение механизмов привода от перегрузок---- вся САУ переходит в режим генератора автоколебаний, при этом надо уменьшить ПИД по оси дрожи!

четвёртая--- редко встречается, но пидами не лечиться, условия следующие, или слишком большой момент инерции вв у мультироторов и колеса или слишком большая площадь аэро-рулей выраженная запаздыванием переходного процесса изменении угловых скоростей на возмущение с проскакиванием нейтрали и возрастающей раскачкой автоколебаний и опрокидыванием ла----внимание лечиться только заменой электроприводов на ступень мощнее именно по моменту в 1.5-2 раза!

ВНИМАНИЕ----для корректной работы связки вмг и автопилота по переходным процессам из-за момента инерции винтов на мультикоптерах соотношение масс пропеллера к мотору не должна превышать 1/5, но лучше 1/6-1/7, чтобы период реакции не превышал 0.2сек---это время полного разгона частоты вращения ротора от старта до максимальных оборотов!

Подбор начальной чувствительности АП делается просто-----

1) если максимальная тяговооруженность мультикоптера составляет 4-5 единиц то минимальные пиды 50-40 ед соответственно,

2) если тяговооруженность 2-3 то средние положение пидов 100-70,

3) если 1.2-1.5 то максимально возможные 160-130!!!

тоже самое для самолётов ---

1) полёт с максимальной скоростью или большой скоростной напор на аэро-рули то минимум пидов ----20-30 "попугаев"

2) если средний напор на крейсере то средние значения пидов----40-50

3) при малом напоре или режим парения то максимум пидов----60-70.

Тогда чтобы автопилот бпла был адаптивным ко всем режимам полёта, он должен иметь функцию 
автоматическая регулировка усиления (АРУ) коэффициентов ПИД от датчика воздушной скорости!

в разделе "полётные контроллеры" в статье "Теория настройки ПИД / PID" подробно расписан практический метод настройки коэф. чувствительности в зависимости от режимов полёта!!!

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 20-200 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.

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!

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", для минидронов "FY-41AP" уже с "OSD",

2) для микро-квадриков хороши "QQ SUPER" и 3-Х ОСЕВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ "FC451" фирмы "Dualsky", для миникоптеров "NAZA-V2" уже с "OSD"!!!

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