[ 6408
УДК 629.7
АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ
ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
ВИЗИРНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ ДПЛА
Г.Г. Себряков
Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем
Россия, 125319, г. Москва, ул. Викторенко, 7
E-mail: [email protected] Е.А. Бурлак Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем Россия, 125319, г. Москва, ул. Викторенко, 7 E-mail: [email protected] А.М. Набатчиков Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем Россия, 125319, г. Москва, ул. Викторенко, E-mail: [email protected] Ключевые слова: программно-корректируемое сопровождение, адаптивные алгоритмы, человек-оператор, дистанционно-пилотируемый летательный аппарат Аннотация: В работе рассматриваются алгоритмы программно-корректируемого сопровождения цели. Представлены способы автоматической компенсации ошибок программного управления визирными устройствами посредством учета корректировок, выполняемых человеком-оператором.
Использование в системах управления и наведения ударных и разведывательных ДПЛА управляемых гиростабилизированных оптических, оптико-телевизионных и других визирных устройств позволяет реализовывать режимы программного (ПС) и программно-корректируемого (ПКС) сопровождения цели визирными устройствами [1, 2].
При реализации режима ПС на основании имеющейся на борту информации об относительном движении ДПЛА и цели бортовой вычислитель вырабатывает программу разворота визирного устройства. В том случае, если программа точно соответствует вращению в пространстве линии визирования ДПЛА-цель оптическая ось визира, однажды наведенная оператором на цель автоматически отслеживает положение, независимо от эволюций ДПЛА.
Однако, на практике информация об относительном движении, на основе которой вырабатывается программный сигнал управления визирным устройством, не является полной и абсолютно точной. Вследствие этого разворот визира воспроизводит вращение линии визирования цели с некоторыми ошибками, которые, возрастая с течением времени, могут достигать недопустимо больших величин.
В этих случаях вместо режимов ПС в системах наведения реализуются режимы ПКС, протекающие с участием человека-оператора.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.Задача человека-оператора в режиме ПКС заключается в компенсации ошибок программы разворота визира. Поскольку основная составляющая относительного движения, которое должно отслеживаться с помощью визирного устройства, отрабатывается программно, деятельность оператора в режиме ПКС характеризуется высокими показателями точности слежения.
Однако, как уже отмечалось, из-за невозможности учета в программе целого ряда факторов, влияющих на текущее положение линии визирования цели и оптической оси гиростабилизированного визира, ошибки программного сопровождения цели могут быть велики и иметь при этом достаточно сложный для человека-оператора, осуществляющего их отслеживание, характер изменения во времени [3].
Качество программного сопровождения цели можно существенно повысить введением адаптивных алгоритмов разворота визира.
Дело в том, что команды человека-оператора в режиме ПКС содержат в себе богатую информацию об ошибках программного разворота визира. Использование этой информации для коррекции программы позволяет построить адаптивные алгоритмы автоматического синхронного сопровождения цели.
Относительное движение ДПЛА и цели в каждый момент времени определяется тремя векторами: дальности R(t), относительной скорости V(t) и относительного ускорения I(t). Вектор угловой скорости линии визирования ДПЛА-цель является нормалью к плоскости, в которой лежат векторы R и V. Абсолютная величина угловой скорости определяется формулой:
V sin q (1), r где – угол между векторами R и V.
Пусть для упрощения рассуждений вектор относительной скорости лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ДПЛА и цель. Рассмотрим относительное движение ДПЛА-цель в вертикальной плоскости. В этом случае формула (1) приводится к виду:
V cos q sin(q ) q (2), t H 0 ctgq0 V cos dt где – угол наклона траектории ДПЛА; Н0 – начальное превышение ДПЛА над целью.
Выражение (2) представляет собой дифференциальное уравнение, решение которого q(t) при начальном условии q(0) q 0 определяет изменение во времени угла визирования цели при произвольном маневре ДПЛА в вертикальной плоскости.
Выражение (2) можно рассматривать как алгоритм программного разворота визирного устройства. Для реализации этого алгоритма необходимо располагать информацией: о начальном превышении Н0, о начальном угле визирования q0, о величинах текущих скорости V(t) и угла наклона траектории (t).
Эволюции скорости V и угла предопределяются вектором относительного ускорения I(t) и могут замеряться с помощью датчиков, входящих в состав системы управления ЛА. Однако неизбежны погрешности аппаратуры, такие как ненули датчиков линейных ускорений, ошибки датчиков углов, погрешности гиростабилизаторов визирных устройств, ошибки определения q0 при пеленгации цели человеком-оператором.
Кроме того, отсутствие информации о высоте места расположения цели исключает возможность точного измерения превышения Н0.
Наличие указанных факторов будет приводить к тому, что положение оптической оси визира, программно разворачиваемого в соответствии с уравнением (2), и положеXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.
ние линии дальности ДПЛА-цель, в начальный момент совмещенные, с течением времени начнут расходиться.
Этот процесс в каждом конкретном пуске имеет регулярный характер, но является случайным на множестве всех пусков и всех однотипных систем наведения. Вследствие этого ошибки программного сопровождения цели допускают аппроксимацию вида:
N q ai i (t ).
(3) Здесь i – известные функции, выбираемые в соответствии с априорными представлениями о характере изменения во времени ошибок q, ai – неизвестные постоянные коэффициенты, значения которых зависят от соотношения факторов, определяющих ошибки q в данной реализации процесса наведения.
Человек-оператор, обнаружив и распознав цель на экране видео-контрольного устройства (ВКУ), разворачивает на цель оптическую ось визирного устройства, совмещая ее с линией дальности ЛА-цель, и переводит обзорно-прицельную систему (ОПС) в режим ПC. При этом цель, в начальный момент времени находившаяся в центре экрана ВКУ, вследствие ошибок программы начнет смещаться.
Предположим, что человек-оператор с помощью безынерционного электронного подвижного перекрестья, связанного с центром экрана, непрерывно отслеживает смещение цели, компенсируя ошибки программного разворота визирного устройства.
Очевидно, что по командам управления, вырабатываемым оператором, можно судить о погрешностях программы сопровождения цели q. Однако, отслеживание человеком перемещения цели по экрану ВКУ осуществляется с его собственными случайными ошибками [5]. Поэтому возникает задача стохастического оценивания q по реализациям команд человека-оператора.
Сигналы управления подвижным перекрестьем при отслеживании человекомоператором погрешностей программного сопровождения цели представим в виде (4) где n(t) – случайный процесс, характеризующий ошибки слежения.
Задача оценивания ошибок q в соответствии c выражением (3) сводится к вычислению оценок неизвестных параметров ai при заданных реализациях процесса u(t).
В зависимости от того, в цифровом или в аналоговом виде реализуются алгоритмы сопровождения на борту ЛА, следует рассматривать соответственно дискретное и непрерывное время наблюдения. Решение задачи для обоих случаев приведено в работе [4].
Для дискретного времени в предположении, что значения помехи n(tk) в различные моменты времени независимы, получено рекуррентное уравнение для апостериорного распределения вероятностей коэффициентов ai где a0,..., a N, t m – апостериорная плотность распределения для a1,…,aN в момент времени tm; p(n, t m ) – плотность распределения шума n(tm).
Из уравнения (5) следуют любые оценки ai. В случае, если плотность распределения шума p(n, t m ) и априорное распределение a0,..., a N, t 0 гауссовы, из (5) видно, что апостериорное распределение a0,..., a N, t m будет оставаться гауссовым в любой
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
момент времени t m. При этом наилучшими оценками неизвестных параметров ai являются апостериорные средние mi (t m ), i 0, n. Уравнения фильтрации следуют из (5) и имеют вид:(6) n(t m ) ; a ki – элемент матрицы A.
В случае непрерывного времени наблюдения рекуррентные выражения (6) переходят в дифференциальные уравнения:
(7) где c – уровень шума n(t).
При коррелированных значениях шума n(tm), удовлетворяющих разностному уравнению:
(8) где (t k ) – последовательность независимых величин, задача сводится к рассмотренной, если вместо u (t m ) и q (t m ) положить (9) При непрерывном времени, когда n(t ) определяется уравнением где (t ) – белый шум, для сведения задачи к рассмотренной следует принять Пусть n(t ) представляет собой результат прохождения белого шума через линейный формирующий фильтр первого порядка:
(12) Аппроксимируем ошибки программного сопровождения цели полиномом второго порядка. Тогда формула (3) примет вид (13)
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
(14) В соответствии с (7) уравнения фильтрации запишутся (15) (16) Система (15), так же как и системы (6) и (7), решается с начальными условиями mi 0 mi0, d ij 0 d ij представляющими собой математические ожидания и дисперсии априорных распределении параметров сi.В рассматриваемом случае следует положить mi0 0 i 0, N. Априорные дисперсии dij выражаются через статистические характеристики первичных факторов, определяющих ошибки программного сопровождения.
Поскольку ошибки человека-оператора при слежении зависят от отслеживаемых сигналов [5], в конкретных реализациях процессов наведения характеристики шумов оператора n(t), вообще говоря, нельзя считать заданными. Они будут зависеть от погрешностей программы q, то есть от неизвестных коэффициентов ai. Это является особенностью человеко-машинного контура наведения. Чтобы учесть эту особенность при решении задачи коррекции программы сопровождения цели, следует рассмотреть случай фильтрации, когда не все характеристики помехи n(t) заранее известны.
Пусть, в частности, наблюдается процесс u(t), задаваемый формулой (4), где полезный сигнал q(t) имеет вид (3), а помеха n(t) описывается дифференциальным уравнением (12) c неизвестным коэффициентом b.
При этом уравнение для апостериорной плотности вероятностей вектора неизвестных параметров a a 0, a1,..., a N, b имеет вид
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
Используя аппроксимацию плотности вероятностей по многомерным многочленам Эрмита [6], можно из уравнения (17) получить систему дифференциальных уравнений относительно коэффициентов аппроксимации, которые будут уравнениями оптимальной фильтрации в рассматриваемом случае.Введение в программу разворота визира корректирующего сигнала, рассчитываемого по формуле:
позволяет частично скомпенсировать ошибки программы, а в некоторых случаях обеспечить полностью автоматическое сопровождение цели оптико-телевизионным визирным устройством.
Реализация настраиваемых алгоритмов ПКС позволяет на 15-20% уменьшить ошибки управления визирным устройством.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (12-08-00857-а).
1. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных летательных аппаратов / Под ред. Себрякова Г.Г, Красильщикова М.Н. М.: Физматлит, 2009. 556 с.
2. Желтов С.Ю., Себряков Г.Г., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Проблемы человеческого фактора при проектировании и эксплуатации дистанционно пилотируемых летательных аппаратов // Труды ХХIII Всероссийской научно-технической конференции «Передача, прием, обработка и отображение информации о быстропротекающих процессах». Сочи. М.: Изд. РПА «АПР», 2012. C. 243-248.
3. Себряков Г.Г. Проблемы проектирования полуавтоматических систем управления и наведения летательных аппаратов // Труды (пленарные доклады) Х Международной Четаевской конференции «Аналитическая механика, устойчивость и управление». Казань, июнь 2012 г. Казань: Изд. КазГТУ, 2012. С. 88-97.
4. Хазен Э.М. Методы оптимальных статистических решений и задачи оптимального управления. М.:
Советское радио, 1968. 256 с.
5. Себряков Г.Г. Характеристики деятельности человека-оператора в динамических системах слежения и наведения летательных аппаратов. // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007.
6. Себряков Г.Г. Аппроксимирующие модели деятельности человека-оператора в полуавтоматических системах управления динамическими объектами // Мехатроника, автоматизация, управление. М.:
Новые технологии. 2010. № 1. С. 59-69.
«