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)

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![2]
• 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![3]

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 60 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!!![4]

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 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, 10бит, 16Мгц----3Д стабилизация удержания по трём осям координат на гиро или акселерометрах!
• F4----четыре канала, 12бит, 32Мгц----возможен полноценный автополёт бпла с жпс навигацией по программе!
• F5----пять каналов, 16бит, 64Мгц----автополёт плюс дополнительный канал для сброса груза!
• F6----шесть каналов, 20бит, 128Мгц----автомаршрут для сухопутного и водного дрона плюс манипулятор на 4 степени!
• F7----семь каналов, 24бит, 258Мгц----автополёт плюс дополнительно три канала---- на сброс груза, камера и антенн-треккер!
• F8----восемь каналов, 32бит, 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!!!  

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 по всем тём осям-XYZ!

Э-сопротивление пропорционатор(резистор) --э-индуктивность интегратор(дроссель)---э-ёмкость дифференциатор(конденсатор)----параллельная электро- 
цепочка в обратной связи по инверсионному входу аналогово операционного усилителя НЧ включённого на прием от датчика положения  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(дрейф), 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 типа "слабые мышцы" 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 правильной работы связки вмг и автопилота по переходным процессам из-за большого 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)% соответственно ,

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

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

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

тоже самое для самолётов ---

1) полёт с максимальной скоростью или большой скоростной напор на аэро-рули то минимум пидов=(20-30)%,

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! 

 

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!---[5]

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"----[6]

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!!![7]---[8]

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"