RU2771692C1 - Method for semi-natural robotic research and testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (vtl uav) - Google Patents

Method for semi-natural robotic research and testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (vtl uav) Download PDF

Info

Publication number
RU2771692C1
RU2771692C1 RU2021131564A RU2021131564A RU2771692C1 RU 2771692 C1 RU2771692 C1 RU 2771692C1 RU 2021131564 A RU2021131564 A RU 2021131564A RU 2021131564 A RU2021131564 A RU 2021131564A RU 2771692 C1 RU2771692 C1 RU 2771692C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uav
semi
natural
testing
acs
Prior art date
Application number
RU2021131564A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Вадимович Аполлонов
Олег Иосифович Ганяк
Владимир Михайлович Шибаев
Original Assignee
Акционерное общество "Центр научно-технических услуг "ЦАГИ"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центр научно-технических услуг "ЦАГИ" filed Critical Акционерное общество "Центр научно-технических услуг "ЦАГИ"
Application granted granted Critical
Publication of RU2771692C1 publication Critical patent/RU2771692C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: semi-natural robotic testing.
SUBSTANCE: invention relates to a method for semi-natural robotic testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (VTL UAVs). To test the control systems of the VTL UAVs, semi-natural testing of the entire system of its automatic control (ACS) is performed, which consists in the formation of linear and angular movements of the VTL UAVs in vertical takeoff, landing and hover modes with limited linear displacements, which are simulated using a six-degree robotic manipulator. At the same time, the operation of the on-board ACS takes place on the basis of information obtained using the standard measurement system, and the commands generated by the ACS and data on the implementation of these commands by the drives are transmitted to the modeling stand, which generates commands to control the movement of the attachment point of the robotic manipulator in relation to the UAV.
EFFECT: improvement of the quality of semi-natural tests of the VTL UAVs is provided.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для исследований и испытаний систем управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП), в том числе – в составе беспилотной авиационной системы (БАС).The invention relates to the field of test engineering and can be used for research and testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aircraft (UAV), including as part of an unmanned aerial system (UAS).

Из уровня техники известен способ проведения полунатурных испытаний систем автоматического управления летательных аппаратов [1], заключающийся в использовании трехстепенного динамического стенда для установки штатной аппаратуры радиолокационного визира. Трехстепенной динамический стенд предназначен для воспроизведения угловых разворотов радиолокационного визира, имитирующих развороты БВС в процессе полета, выполнен в виде опорно-поворотного механизма, оснащенного электродвигателями углового разворота опорной платформы в трех плоскостях (по углам азимута, крена и тангажа). From the prior art there is known a method for conducting semi-natural tests of automatic control systems of aircraft [1], which consists in using a three-stage dynamic stand for installing standard equipment of a radar sight. The three-degree dynamic stand is designed to reproduce the angular turns of the radar sight, simulating the turns of the UAV during the flight, it is made in the form of a turntable equipped with electric motors for the angular turn of the support platform in three planes (at the angles of azimuth, roll and pitch).

Недостатком этого способа является ограниченность использования в составе стенда реального оборудования БАС, так как все остальные элементы системы управления в предлагаемой концепции полунатурного моделирования заменяются имитаторами.The disadvantage of this method is the limited use of real UAS equipment as part of the stand, since all other elements of the control system in the proposed concept of HIL are replaced by simulators.

Известен способ полунатурных испытаний систем управления сближением и стыковкой летательных аппаратов, в основу которого заложена имитация пространственного перемещения испытываемых ЛА (летательных аппаратов) с помощью шестистепенного роботизированного манипулятора [2,3]. Способ реализуется за счет использования компьютерного моделирования динамики перемещения сближаемых ЛА, двух роботизированных манипуляторов, обеспечивающего относительное перемещение макетов ЛА, и реального оборудования стыковки, которые реализуют физический контакт ЛА с воспроизведением соответствующих сил и моментов.A known method of semi-natural testing of control systems for rendezvous and docking of aircraft, which is based on the simulation of the spatial movement of the tested aircraft (aircraft) using a six-degree robotic arm [2,3]. The method is implemented through the use of computer simulation of the dynamics of movement of approaching aircraft, two robotic manipulators that provide relative movement of aircraft models, and real docking equipment that implement physical contact of the aircraft with the reproduction of the corresponding forces and moments.

Недостатком данного способа испытаний летательных аппаратов является использование в составе стенда полунатурного моделирования из числа реального оборудования ЛА только элементы системы стыковки и захвата.The disadvantage of this method of testing aircraft is the use of only the elements of the docking and capture system from among the actual equipment of the aircraft as part of the HIL simulation stand.

Известен способ проведения полунатурных испытаний беспилотного летательного аппарата самолетного типа, в основу которого заложено использование шестистепенной платформы Гью-Стьюарта для включения информации об углах крена и тангажа, получаемых с помощью бортовой инерциально-навигационной системы, в контур автоматического управления БВС за счет соответствующего наклона платформы [4]. При этом предполагается возможность использования в контуре управления штатных элементов, таких как наземный пункт управления и автопилот, тогда как моделирование динамики полета и имитация сигналов информационно-измерительной системы, за исключением углов крена и тангажа, производится с помощью компьютера.A known method of conducting semi-natural tests of an unmanned aerial vehicle of an aircraft type, which is based on the use of a six-degree platform of Hugh-Stewart to include information about the angles of roll and pitch obtained using an onboard inertial navigation system, in the automatic control loop of the UAV due to the appropriate inclination of the platform [ 4]. At the same time, it is assumed that standard elements, such as a ground control station and an autopilot, can be used in the control loop, while the simulation of flight dynamics and the simulation of signals from the information-measuring system, with the exception of roll and pitch angles, is performed using a computer.

Недостатком данного способа испытаний летательных аппаратов является использование платформы только для имитации углов крена и тангажа и ограниченный диапазон располагаемых изменений этих углов.The disadvantage of this method of testing aircraft is the use of the platform only to simulate the angles of roll and pitch and the limited range of available changes in these angles.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению относится способ проведения отработки систем управления беспилотного летательного аппарата с использованием комплекса полунатурного моделирования беспилотного летательного аппарата типа мультикоптер [5].The closest in technical essence to the claimed invention is a method for testing control systems of an unmanned aerial vehicle using a complex of semi-natural simulation of an unmanned aerial vehicle of the multicopter type [5].

Достоинством данного метода полунатурного моделирования является обеспечение осуществляющих подыгрыш внешних физических воздействий (динамического подобия движения) с помощью шестистепенной платформы Гью-Стьюарта. По сравнению с рассмотренным выше способом, в данном случае расширен диапазон физических воздействий, которые может воспринимать штатная система бортовых измерений в составе автоматической системы управления.The advantage of this method of HIL modeling is the provision of external physical influences that play along (dynamic similarity of movement) using the six-degree Hugh-Stewart platform. In comparison with the method discussed above, in this case, the range of physical influences that can be perceived by the standard on-board measurement system as part of an automatic control system is expanded.

Недостатком данного способа является то, что в предложенной реализации имеются существенные ограничения углового положения платформы, а также не предусмотрена возможность испытаний БЛА ВВП с работающей силовой установкой.The disadvantage of this method is that in the proposed implementation there are significant restrictions on the angular position of the platform, and it also does not provide for the possibility of testing the UAV UAV with a working power plant.

В результате принимаются значительные допущения относительно математической модели летательного аппарата и элементов системы управления. As a result, significant assumptions are made regarding the mathematical model of the aircraft and the elements of the control system.

Задачей изобретения является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении качества полунатурных испытаний БВС ВВП вертолетного типа за счет воспроизведения на втулке несущего винта сил и моментов, соответствующих фактическим значениям, реализуемым при типовых режимах полета, и, тем самым, имитации динамики полета и условий работы всего контура автоматического управления БЛА. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что роботизированный манипулятор перемещается по траектории, соответствующей моделируемому движению БЛА ВВП, тем самым замыкая контур управления с реальными системами измерения углового и пространственного положения, бортовым вычислителем, приводами и, в конечном счете, органами управления.The objective of the invention is to eliminate this drawback. The technical result consists in improving the quality of full-scale tests of helicopter-type UAVs by reproducing forces and moments on the main rotor hub corresponding to the actual values realized under typical flight conditions, and, thereby, simulating the flight dynamics and operating conditions of the entire UAV automatic control circuit. The task is solved, and the technical result is achieved by the fact that the robotic arm moves along the trajectory corresponding to the simulated movement of the UAV UAV, thereby closing the control loop with real systems for measuring the angular and spatial position, on-board computer, drives and, ultimately, controls.

Основной идеей предлагаемого изобретения является то, что снижение трудоемкости испытаний и обеспечение безопасности первого вылета БВС ВВП достигается в результате воспроизведения с помощью моделирующего стенда и роботизированного манипулятора в реальном масштабе времени пространственного движения БВС ВВП с учетом: The main idea of the invention is that reducing the complexity of testing and ensuring the safety of the first flight of the UAV UAV is achieved as a result of reproducing, using a modeling stand and a robotic arm, in real time, the spatial movement of the UAV UAV, taking into account:

- функционирования реальных средств измерения пространственного и углового положения БВС в качестве источников информации для работы САУ(система автоматического управления полетом);- the functioning of real means of measuring the spatial and angular position of the UAV as sources of information for the operation of the ACS (automatic flight control system);

- функционирования реальной БЦВМ (бортовая цифровая вычислительная машина) для реализации алгоритмов САУ;- functioning of a real onboard computer (on-board digital computer) for the implementation of ACS algorithms;

- функционирования реальных приводов.- functioning of real drives.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is carried out as follows.

Выполняется полунатурное испытание БВС ВВП за счет включения в контур управления БВС реальных средств измерения углового положения и линейных ускорений, БЦВМ, реализующей тестируемый алгоритм автоматического управления БВС, а также приводов (исполнительных механизмов) системы управления. A semi-natural test of the UA VVS is performed by including in the UA control loop real means for measuring the angular position and linear accelerations, an on-board computer that implements the UA automatic control algorithm being tested, as well as drives (actuators) of the control system.

Испытываемый экземпляр БВС закрепляется на роботизированном манипуляторе, обеспечивающем линейные и угловые перемещения БВС (см. чертеж 1).The UAV specimen under test is mounted on a robotic arm that provides linear and angular movements of the UAV (see drawing 1).

Для БВС вертолетного типа предлагается использовать узел крепления к фланцу манипулятора, повторяющий способ креплнения втулки к валу несущего винта, тем самым прикладываемые спомощью манипулятора силы и моменты будут имитировать реальные силы и моменты, создаваемые несущим винтом. For helicopter-type UAs, it is proposed to use the attachment point to the manipulator flange, which repeats the method of attaching the bushing to the main rotor shaft, thereby the forces and moments applied by the manipulator will imitate the real forces and moments created by the main rotor.

Заданный режим полета передается с наземного пункта управления на БВС в соответствии с реальной схемой управления данным БВС.The given flight mode is transmitted from the ground control station to the UAV in accordance with the actual UAV data control scheme.

Информация, получаемая с помощью штатной бортовой системой измерения углового положения и линейных перемещений, передается по каналу радиосвязи (или с помощью имитатора канала радиосвязи) на наземную станцию управления и используется для формирования входных сигналов для функционирования штатной бортовой САУ.The information received with the help of the standard on-board system for measuring the angular position and linear displacements is transmitted via a radio communication channel (or using a radio communication channel simulator) to the ground control station and is used to generate input signals for the functioning of the standard on-board ACS.

Для аппаратуры, функционирование которой ограничено вследствие размещения испытательного стенда внутри помещения (например, GPS, компас), используются имитаторы, формирующие соответствующие сигналы на основе моделирования динамики движения БВС.For equipment, the operation of which is limited due to the placement of the test bench indoors (for example, GPS, compass), simulators are used that generate the appropriate signals based on the simulation of the UAV motion dynamics.

На основании сравнения заданных и измеренных значений углового положения и линейных перемещений БВС, поступающих на вход САУ, формируются команды управления в соответствии с реальными алгоритмами функционирования САУ.Based on the comparison of the set and measured values of the angular position and linear displacements of the UAV, coming to the input of the ACS, control commands are formed in accordance with the real algorithms of the ACS operation.

Выходные (командые) сигналы САУ, поступающие на вход исполнительных элементов системы управления и информация о перемещении приводов передается на моделирующий стенд (см. чертеж 2).The output (command) signals of the ACS coming to the input of the executive elements of the control system and information about the movement of the drives are transmitted to the modeling stand (see drawing 2).

На моделирующем стенде реализуется математическая модель динамики полета исследуемого БВС, включающая в себя математические модели расчета сил и моментов, действующих на БВС, и математическую модель углового и пространственного движения БВС, обеспечивающую расчет перемещения и ориентации участка конструкции БВС в точке расположения узла крепления к роботизированному манипулятору.The simulation stand implements a mathematical model of the flight dynamics of the UAV under study, which includes mathematical models for calculating the forces and moments acting on the UAV, and a mathematical model of the angular and spatial motion of the UAV, which provides the calculation of the displacement and orientation of the UAV structure section at the location of the attachment point to the robotic manipulator .

С помощью обратной модели динамики и кинематики роботизированного манипулятора формируются команды управления манипулятором, обеспечивающие перемещение БВС в соответствии с результатом моделирования динамики полета. With the help of the inverse model of the dynamics and kinematics of the robotic arm, the manipulator control commands are formed, which ensure the movement of the UAV in accordance with the result of the simulation of the flight dynamics.

Предлагаемый способ испытаний позволяет провести полунатурные испытания системы автоматического управления БВС ВВП с работающими в контуре управления датчиками системы измерения ориентации и перемещения БВС, БЦВМ с реально функционирующими алгоритмами САУ и приводами.The proposed test method makes it possible to carry out full-scale tests of the automatic control system of the UAV UAV with sensors operating in the control loop for measuring the orientation and movement of the UAV, an on-board computer with actually functioning ACS algorithms and drives.

БИБЛИОГРАФИЯBIBLIOGRAPHY

1. Патент RU 2629709C2 Устройство полунатурного моделирования системы управления беспилотным летательным аппаратом, 2017г.,1. Patent RU 2629709C2 Device for semi-natural simulation of an unmanned aerial vehicle control system, 2017,

2. Ou Ma - Use of industrial robots for hardware-in-the-loop simulation of satellite rendezvous and docking, 2012, 2. Ou Ma - Use of industrial robots for hardware-in-the-loop simulation of satellite rendezvous and docking, 2012,

3. T. Boge - EPOS−A Robotics-Based Hardware-in-the-Loop Simulator for Simulating Satellite RvD Operations, 2010,3. T. Boge - EPOS-A Robotics-Based Hardware-in-the-Loop Simulator for Simulating Satellite RvD Operations, 2010,

4. Stephan Schulz et al - Hardware-in-the-loop Testbed for Autopilot Development using Flight Simulation and Parallel Kinematics (2020),4. Stephan Schulz et al - Hardware-in-the-loop Testbed for Autopilot Development using Flight Simulation and Parallel Kinematics (2020),

5. Гоголев А.А. - Полунатурное моделирование беспилотных летательных аппаратов типа мультикоптер (Труды МАИ № 92).5. Gogolev A.A. - Semi-natural modeling of unmanned aerial vehicles of the multicopter type (Proceedings of the MAI No. 92).

Claims (1)

Способ полунатурных роботизированных испытаний систем управления беспилотных воздушных судов вертикального взлета и посадки (БВС ВВП), заключающийся в том, что с целью обеспечения безопасности и сокращения сроков летных испытаний выполняется полунатурное тестирование всей системы автоматического управления БВС ВВП путем формирования линейных и угловых перемещений БВС, имитирующих реальную динамику полета БВС на режимах вертикального взлета, посадки и висения с ограниченными линейными перемещениями, с помощью шестистепенного роботизированного манипулятора, при этом функционирование бортовой САУ происходит на основании информации о фактических угловых и линейных перемещениях БВС, получаемой с помощью штатной системы измерения, а команды, формируемые САУ, и данные о реализации этих команд приводами передаются на моделирующий стенд, обеспечивающий расчет динамики и кинематики перемещений БВС и формирующий команды управления перемещением узла крепления роботизированного манипулятора к испытываемому БВС, что позволяет обеспечить получение достоверной информации о пригодности предлагаемых архитектуры и настройки САУ в составе БВС для безопасного выполнения полета, а также проведение исследований и отладки новых решений в части алгоритмов и аппаратной реализации БВС ВВП, в том числе – для случаев выполнения посадки на подвижную платформу.A method for semi-natural robotic testing of control systems for vertical take-off and landing unmanned aerial vehicles (UAV VTOL), which consists in the fact that in order to ensure safety and reduce the time of flight tests, semi-natural testing of the entire automatic control system of UA VTOL is performed by forming linear and angular movements of the UAV, simulating the real dynamics of the UAV flight in vertical takeoff, landing and hover modes with limited linear movements, using a six-degree robotic manipulator, while the operation of the onboard ACS is based on information about the actual angular and linear displacements of the UAV obtained using the standard measurement system, and the commands, generated by the ACS, and the data on the implementation of these commands by the drives are transmitted to the simulation stand, which provides the calculation of the dynamics and kinematics of the movements of the UAV and generates commands to control the movement of the attachment point of the robotic manipulator to the test UA, which makes it possible to obtain reliable information on the suitability of the proposed architecture and settings of the ACS as part of the UA for safe flight, as well as to conduct research and debug new solutions in terms of algorithms and hardware implementation of the UAV, including for cases of landing on mobile platform.
RU2021131564A 2021-10-28 Method for semi-natural robotic research and testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (vtl uav) RU2771692C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2771692C1 true RU2771692C1 (en) 2022-05-11

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786280C1 (en) * 2022-07-06 2022-12-19 Акционерное общество "Машиностроительное конструкторское бюро "Факел" имени Академика П.Д. Грушина" Stand for semi-natural simulation of the movement of an aircraft with a digital control system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1799173A1 (en) * 1991-06-20 1995-12-20 Центральный аэрогидродинамический институт им.профессора Н.Е.Жуковского Piloted simulator
US5756891A (en) * 1994-08-23 1998-05-26 National Aerospace Laboratory Of Science & Technology Agency Verification method of a flight control system using a transportable wind tunnel
RU2338992C1 (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Открытое акционерное общество "Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО "Алмаз-Антей" имени академика А.А.Расплетина" (ОАО "ГСКБ"Алмаз-Антей") Aircraft navigator semi-scale table stimulator
RU103215U1 (en) * 2010-09-22 2011-03-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) MODELING COMPLEX FOR CHECKING THE UNMANNED AIRCRAFT CONTROL SYSTEM
US8566071B2 (en) * 2009-10-26 2013-10-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Calibration and synchronization of micro air vehicle autopilots

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1799173A1 (en) * 1991-06-20 1995-12-20 Центральный аэрогидродинамический институт им.профессора Н.Е.Жуковского Piloted simulator
US5756891A (en) * 1994-08-23 1998-05-26 National Aerospace Laboratory Of Science & Technology Agency Verification method of a flight control system using a transportable wind tunnel
RU2338992C1 (en) * 2007-04-12 2008-11-20 Открытое акционерное общество "Головное системное конструкторское бюро Концерна ПВО "Алмаз-Антей" имени академика А.А.Расплетина" (ОАО "ГСКБ"Алмаз-Антей") Aircraft navigator semi-scale table stimulator
US8566071B2 (en) * 2009-10-26 2013-10-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Calibration and synchronization of micro air vehicle autopilots
RU103215U1 (en) * 2010-09-22 2011-03-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) MODELING COMPLEX FOR CHECKING THE UNMANNED AIRCRAFT CONTROL SYSTEM

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786280C1 (en) * 2022-07-06 2022-12-19 Акционерное общество "Машиностроительное конструкторское бюро "Факел" имени Академика П.Д. Грушина" Stand for semi-natural simulation of the movement of an aircraft with a digital control system
RU2795073C1 (en) * 2023-01-24 2023-04-28 Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФАУ "ЦАГИ") Semi-natural test method for training and tuning adaptive automatic control systems for unmanned aircraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nagaty et al. Control and navigation framework for quadrotor helicopters
CN111856965A (en) Unmanned aerial vehicle visual semi-physical simulation system and simulation method thereof
CN113917854B (en) Flight control system semi-physical simulation platform for large and medium unmanned aerial vehicle
CN103901907B (en) Soft landing obstacle avoidance simulation test system
CN101630146B (en) Simulation control system for remote tele-operation of lunar rover
CN101989067A (en) Flight environment simulation system
CN106855693B (en) Near space aerostat semi-physical simulation system, avionics system testing and flight control semi-physical simulation method and ground control method
CN114625027A (en) Multi-spacecraft attitude and orbit control ground full-physical simulation system based on multi-degree-of-freedom motion simulator
CN106864768B (en) Four-channel movement mechanism of vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle and flight test training system
Mutter et al. Model-driven in-the-loop validation: Simulation-based testing of UAV software using virtual environments
US9874422B2 (en) Stationary and mobile test device for missiles
CN109823566A (en) A kind of vertically taking off and landing flyer flight control system test platform
CN113219852A (en) Design for fault-tolerant control experiment platform of multi-rotor aircraft
Panza et al. Design and characterization of the 2dof drone: a multirotor platform for education and research
Kamali et al. Hardware in the Loop Simulation for a Mini UAV
RU2771692C1 (en) Method for semi-natural robotic research and testing of control systems for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (vtl uav)
Belokon’ et al. Architecture of a platform for hardware-in-the-loop simulation of flying vehicle control systems
RU2774479C1 (en) Method for identifying and validating a mathematical model of flight dynamics and a control system for vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles (vt uav) using a robotic stand for semi-natural simulation
Vishnevsky et al. Modelling of uav simulator for local navigation system of tethered high-altitude platforms
CN111736487B (en) Semi-physical simulation system and method for rotor unmanned aerial vehicle cooperative control system
Ahsan et al. Grey box modeling of lateral-directional dynamics of a uav through system identification
RU2662331C1 (en) Modeling complex for debugging control system of autonomous mobile unit
RU2786280C1 (en) Stand for semi-natural simulation of the movement of an aircraft with a digital control system
RU2795073C1 (en) Semi-natural test method for training and tuning adaptive automatic control systems for unmanned aircraft
Huang et al. A hardware-in-the-loop simulation method for the evaluation of flight control systems