На правах рукописи ОФИЦЕРОВ Петр Леонидович
реклама
На правах рукописи ОФИЦЕРОВ Петр Леонидович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА В СЛОЖНЫХ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЯХ НА ПАЛУБУ КОРАБЛЯ Специальность 05.13. 18. - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург - 2010 Работа выполнена в ОАО Холдинговая компания «Ленинец». Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дегтярев Владимир Михайлович Официальные оппоненты: доктор технических наук Шейнин Юрий Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Дмитриев Владимир Алексеевич Ведущая организация: ОАО «РИРВ» Защита состоится « __ » _____ 2010 г. в ______часов на заседании диссертационного совета Д 219.004.03 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191065, Санкт-Петербург наб.р. Мойки, 61. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. БончБруевича. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Автореферат разослан « __ » _____ 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Л.М. Макаров 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Использование вертолетной техники для решения различных задач морских судов является весьма целесообразным. Такими задачами могут быть: разведка погоды, поиск и спасание людей, перевозка грузов и людей с одного судна на другое, поиск рыбных косяков и морских животных и другие. Особенностью вертолетной техники является относительно небольшой радиус действия, что приводит к необходимости обеспечения надежной посадки на палубу корабля в любых погодных условиях, которые на больших морских просторах могут резко меняться. Посадочные площадки для вертолетов, как правило, небольших размеров и чем меньше судно, тем больше оно подвержено бортовой и килевой качке, что осложняет посадку вертолета. Сильный меняющийся по скорости и направлению ветер, сложные условия видимости, туман, дождь, снегопад, грозовые разряды, недостаточный обзор нижней полусферы из кабины вертолета создают проблемы экипажу вертолета при посадке. Компьютерное моделирование и управление все больше внедряется во многие области деятельности человека, в том числе, решает ряд важнейших задач по управлению авиационной техникой. В последнее время начинает активно развиваться легкая и сверхлегкая авиация различных типов летательных аппаратов, таких как самолеты, вертолеты, автожиры, летающие площадки и тарелки. Обеспечения их навигационным оборудованием и системами контроля окружающего воздушного пространства, взлетом и посадкой, создание автоматических компьютерных систем управления является весьма актуальным. В практику вошла автоматическая посадка военных и гражданских самолетов на аэродромы в нормальных погодных условиях, когда пилот визуально контролирует посадку и может в любой момент при неправильной работе автомата посадки взять управление на себя и посадить самолет. В условиях отсутствия видимости или ограничений ниже нормы посадка запрещается. Управление вертолетом при посадке сложнее, чем управление самолетом, и автоматизация посадки на вертолете является сложной задачей. 3 Идея вертолета зародилась в древние века, однако первый в истории полет вертолета состоялся 24 августа 1907 г., когда четырехвинтовая машина оторвалась от земли и достигла высоты нескольких метров. Созданием вертолетов занимались такие известные российские авиаконстркуторы, как Борис Николаевич Юрьев, который предложил автомат перекоса и продольную схему вертолета, Игорь Иванович Сикорский, который создал уникальные самолеты и вертолеты, Николай Ильич Камов, который руководил крупнейшим вертолетным конструкторским бюро и создал серию автожиров и вертолетов, Михаил Леонтьевич Миль, который разработал фундаментальные основы аэродинамики винтокрылых летательных аппаратов, в т. ч. общую теорию несущего винта, применимую, для различных случаев его обтекания, и проектировал вертолеты. Зарубежные авиаконструкторы и ученые активно занимались разработкой вертолетов в Германии, Франции, США, Англии и др. странах. Впервые посадку на палубу корабля вертолет совершил в 1925 году. К концу 1930-х гг. вертолет достиг состояния, в котором его практическое использование стало вполне реальным, и он привлек внимание моряков. В конструкторском бюро, возглавляемым Н.И. Камовым, было принято решение о создании для корабельной авиации вертолета соосной схемы, который был более компактный, чем вертолеты продольной схемы и более пригоден для посадки на палубу корабля. Теория динамики полета вертолета весьма сложна, и не всегда можно получить необходимые математические решения для моделирования динамики полета вертолета. Известны современные теоретические труды таких ученых как Володко А.М., Брамвелла А.Р.С., Михеева Р.А., Берестова Л.М., Бравермана А.С. и др. В настоящее время вертолеты прочно заняли место в нашей жизни и решают множество практических задач. Несмотря на имеющиеся достижения, остается актуальной задача исследования возможностей посадки вертолета в сложных погодных условиях на 4 ограниченные площадки и на палубу корабля. Существующие средства автоматизации управления вертолетом и особенно посадкой не решают полностью эти проблемы. Экипажу вертолета необходимо предоставить компьютерные средства с визуализацией необходимых символьных и графических данных для прогнозирования и принятия решений в ходе посадки, как в автоматиэированном, так и в ручном способе посадки. В данной работе предлагается метод моделирования посадки вертолета на палубу корабля, использующий комплекс технических средств локации и визуализации положения вертолета относительно плоскости корабельной посадочной площадки с учетом летных характеристик вертолета и мореходных качеств корабля. Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение безопасности посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях путем создания эффективного компьютерного моделирования и средств автоматизированной посадки. Эта цель достигается путем решения следующих основных задач: 1. Анализ методов и моделей динамики полета и посадки вертолета. 2. Исследование и разработка математического метода моделирования посадки вертолета на палубу корабля. 3. Исследование и разработка компьютерной модели посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях. 4. Разработка алгоритмов решения и визуализации компьютерной модели посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях. 5. Экспериментальная проверка разработанного метода и сравнение с существующими методами. Методы исследования. При исследовании использовались математические методы пространственного моделирования, компьютерной графики и программирования. В качестве инструмента исследования автором было разработано программное приложение для моделирования и визуализации процесса посадки 5 вертолета. Данное приложение использовалось для получения числовых и графических данных в процессе посадки вертолета, и было экспериментальной платформой для внедрения и применения разработанного метода моделирования посадки вертолета. Экспериментальная проверка включала в себя использование метода наблюдения, базирующегося на фиксации и регистрации изменений, к которым приводят изменения изображения палубной посадочной площадки. Метод сравнения и выявления аналогий, позволяющих разработать аналоги использующихся на сегодняшний день методов моделирования, применительно к посадке вертолетов. Научная новизна. В данной работе предложен новый метод комплексного использования средств определения местоположения и ориентации вертолета, относительно вертолетной палубной посадочной площадки корабля. Выполнен новый подход к математическому описанию модели посадки вертолета на палубу корабля с учетом сложных погодных условий, типов корабля и вертолета. Такой подход открыл возможности теоретического использования моделей посадки вертолетов в любых погодных условиях для различных типов вертолетов на посадочные площадки различных типов кораблей. Практическая ценность работы. Математический аппарат моделирования посадки удобен и доступен для инженерных расчетов и позволяет моделировать процесс посадки для различных типов вертолетов и кораблей и создавать технические системы автоматической или автоматизированной посадки с визуальным контролем и предупреждениями, как для экипажа вертолета, так и для диспетчерских систем корабля. Исследование процессов полета и управления вертолетом, положение вертолета относительно посадочной палубы корабля при выполнении посадки, дает толчок к созданию методик визуального пространственного управления вертолетом в сложных погодных условиях, тем самым, повышая безопасность посадки вертолета на палубу двигающегося и качающегося корабля. 6 Апробация работы. Результаты работы докладывались: 1. На научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ГУТ им. проф. М.А. БончБруевича: № 60 2008 г., № 62 2009 г., № 63 2010 г.; 2. на научно-технических конференциях студентов и аспирантов ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича: № 62 2008 г., № 63 2009 г.; 3. на заседаниях секции Ленинградского дома ученых им. М. Горького (РАН) «Начертательной геометрии, графики и автоматизации проектирования» в 2008 и 2009 г. 4. на совместном производственном совещании ОАО «Ленинец» и ОАО «Север ЭВМ комплекс» в 2009 г. Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использовались: в ЗАО «НИИ Проблем Автоматизации» «Север ЭВМ комплекс» в ходе разработки специального методического и программного обеспечения при создании радиолокаторов 3 см диапазона и оптических локаторов диапазонов 1,06, 1,56 мкм комплексов для измерения отражающих характеристик морских объектов; в ОАО НПП «Конверсия» в НИОКР С-24 МЭ по теме моделирование аппаратуры распознавания кораблей; в учебном процессе кафедры «Инженерной машинной графики» Санкт– Петербургского государственного университета телекоммуникаций при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине компьютерная графика. Основные положения, выносимые на защиту: Результаты анализа математических и компьютерных методов и моделей динамики полета вертолета. Предложенный математический метод движения и посадки вертолета на палубу корабля. Компьютерная модель посадки вертолета на палубу корабля. 7 Алгоритм посадки вертолета с использованием радиоакустических локаторов. Алгоритмы визуализации при посадке вертолета. Результаты экспериментальной проверки и сравнения разработанного метода с существующими методами. Личный вклад автора. Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, анализ результатов поставленных экспериментов, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, 4 из них – в изданиях, входящих в перечень ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований, и двух приложений. Работа изложена на 137 страницах основного текста, содержит 35 рисунков, объем приложения составляет 26 страниц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приведено обоснование актуальности, научной и практической ценности решения задач математического моделирования движения в пространстве и посадки вертолета на палубу двигающегося и качающегося корабля в сложных погодных условиях. В первой главе «Анализ математических и компьютерных методов и моделей динамики полета вертолета» рассмотрены методы и модели, описывающие динамику полета и посадки вертолета и динамику движения и качки корабля. Для дальнейших исследований и разработок предложен метод комплексного использования современных средств навигации для посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях. Во второй главе «Математический метод полета и посадки вертолета на палубу корабля» рассматривается созданный метод, основанный на представлении описания полета вертолета из точки пространства, в которой экипаж вертолета принял решение о посадке на палубу корабля до момента касания шасси вертолета палубной площадки. Рассматривается три этапа полета вертолета (рис.1): на пер8 вом этапе - полет вертолета на определенной высоте (эшелоне) по направлению к кораблю; на втором этапе - полет со снижением по посадочной глиссаде к посадочной площадке корабля и на третьем этапе - посадка с малой скоростью на палубу из точки зависания над кораблем. Общее время полета вертолета на посадку t0 = t1 + t2 + t3, где t1 – время полета на первом этапе; t2 – время полета на втором этапе; t3 – время посадки на третьем этапе. Посадочная глиссада (2 этап) Эшелон (1 этап) Посадка из зависания (3 этап) Вертолет Корабль Рис.1. Три этапа движения вертолета для посадки на палубу корабля На всех этапах полета необходимо вычислять через определенные интервалы времени четыре контрольные точки в пространстве: центр посадочной площадки, точка зависания, начальная точка посадочной глиссады и точка местоположения вертолета в пространстве. Координаты местоположения корабля и вертолета постоянно изменяются и расчеты необходимо производить через определенные промежутки времени dt, не менее чем dt = tmc + ttd + tcd + tvd + tda, где tmc – время измерения координат местоположения корабля и вертолета, ttd – время передачи данных, tcd – время обработки данных на бортовом компьютере, tvd – время визуализации изображений и данных на бортовом дисплее, 9 tda – время принятия решений и выполнение действий по управлению вертолетом. Так как на перемещение вертолета и корабля влияют атмосферные условия и водные течения, которые могут изменяться по мере полета вертолета к кораблю, то для оптимизации перемещения вертолета к кораблю на каждом этапе расчетов по результатам предыдущих расчетов осуществляется корректировка скорости и направления полета вертолета с прогнозированием направления и скорости полета вертолета. Если такую корректировку не осуществлять, то время и расстояние полета могут увеличиться, что нежелательно в морских условиях, так как запас топлива у вертолетов, как правило, ограничен. Координаты местоположения корабля и вертолета определяются средствами навигации в географической системе координат и переводятся в локальную пространственную систему координат с центром на палубной посадочной площадке. Координаты контрольных точек полета и параметры движения определяются в следующем порядке: центр посадочной площадки корабля; точка зависания вертолета; скорость, направление и время снижения из точки зависания; начальная точка глиссады снижения; скорость и время снижения на посадочной глиссаде; точка местоположения вертолета; скорость, направление и время полета вертолета на эшелоне; общее время полета вертолета и контроль запаса топлива. Средства навигации должны обеспечивать точность измерения контрольных точек с погрешностями не более: на эшелоне – сотни метров, на глиссаде снижения – метра, на посадке из точки зависания – десяти сантиметров. Для этих целей используются радиолокация, спутниковые, оптические, радиотехнические и радиоакустические системы. На бортовом и диспетчерском дисплее осуществляется визуализация движения на каждом этапе, данные местоположения вертолета относительно корабля, предупреждения и рекомендации по управлению вертолетом. На третьем этапе, также отображается положение плоскости посадочной 10 площадки корабля относительно плоскости шасси вертолета. Особенностью метода является то, что он, помимо известных средств навигации, использует радиоакустические локаторы (РАЛ), выполняющие точные измерения на небольших расстояниях (от 0,1 до100 м) в сложных погодных условиях, когда спутниковые, радиолокационные, радиотехнические и оптические средства измерений не обеспечивают необходимой точности. Чтобы определить положение посадочной опоры вертолета относительно посадочной площадки необходимо произвести одновременно 9 измерений. Передатчики РАЛ располагаются на палубной посадочной площадке, а приемники на вертолете, так как корабль обладает большей энергетической вооруженностью, чем вертолет, следовательно, передатчики можно делать более мощными для обеспечения более надежной связи, необходимой для измерений. На посадочной площадке располагаются 3 передатчика РАЛ, которые работают в одном радиодиапазоне, но каждый из них работает в своем акустическом диапазоне. На вертолете размещаются 3 приемника, каждый из них принимает общий радиосигнал и 3-и акустических сигнала от 3-х передатчиков. Такой режим работы позволяет измерить 9 расстояний и вычислить координаты трех точек посадочной опоры вертолета относительно посадочной площадки, затем вычислить высоту, удаление вертолета и направление на посадочную площадку, а также курс, тангаж и крен вертолета в определяемый момент времени. Схема измерений РАЛ показана на рис.2. Предложенный метод позволяет создать пространственную модель динамики полета и посадки вертолета, разработать для нее алгоритмы и методики визуализации моделируемых объектов, что имеет большое практическое значение для реализации предложенного метода. В третьей главе «Компьютерная модель посадки вертолета на палубу корабля» описывается разработанная на базе предложенного метода посадки вертолета на качающуюся палубу корабля математическая модель и алгоритмы ее обработки. В таблице 1 представлена компьютерная модель для математического моделирования посадки вертолета на палубу корабля. 11 Рис.2 Схема измерений РАЛ Таблица 1. Компьютерная модель посадки вертолета на палубу корабля Функции 1. Ввод технических параметров корабля 2. Ввод технических параметров вертолета 3. Ввод атмосферных условий 4. Измерение и ввод координат местоположения, ориентации корабля, параметров движения и качки 5. Измерение и ввод координат местоположения и ориентации вертолета 6. Перевод из географической системы координат в локальную систему координат 7. Определение координат точки зависания вертолета Параметры Высота надстроек Координаты посадочной площадки на корабле Крейсерская скорость Крейсерская скорость Скорость на глиссале Посадочная скорость Скорость течения Направление течения Скорость ветра Направление ветра Координаты корабля Скорость движения Курс Килевая качка Бортовая качка Координаты вертолета Воздушная скорость Курс Тангаж Крен Географические Локальные Точка зависания Символьные обозначения hsh pp(k,l,m) vksh vkhl vghl vphl vfl kkfl vwd kkwd psh(a,b,c) vsh kksh phl(a,b,c) vhl kkhl a,b,c x,y,z p3(x,y,z) 12 8. Вычисление времени третьего этапа (посадки из точки зависания) 9. Определение координат начальной точки глиссады снижения вертолета 10. Вычисление расстояния и времени второго этапа (снижения по глиссаде) 11. Вычисление расстояния и времени первого этапа (движение на эшелоне) 12. Вычисление общего времени полета 13. Вычисление интервала контрольных точек 14. Принятие решения о возможности посадки 15. Вычисление поправок к параметрам полета вертолета 16. Переход к пунктам 4…15 Время посадки из точки зависания Координаты начальной точки глиссады Расстояние глиссады Время снижения Расстояние на эшелоне Время движения Время полета Время интервала Нет Опасно Да Скорость полета Курс Тангаж Крен Цикл до момента посадки t3 p2(x,y,z) l2 t2 l1 t1 t0 dt Красный Желтый Зеленый vhl kkhl Для реализации модели были разработаны следующие алгоритмы: 1. Ввод параметров корабля, вертолета и характеристик их движения. 2. Вычисление текущих значений динамики движения вертолета относительно двигающегося и качающегося корабля. 3. Визуализация символьных показателей движения корабля, вертолета, графических изображений посадочной корабельной площадки и вертолета. 4. Визуализация прогнозирования и предупреждений о безопасности полета и посадки. Выполненные исследования и разработки позволили создать программное приложение на C++ для экспериментальной проверки полученных научных результатов. В четвертой главе «Экспериментальная проверка разработанного метода посадки вертолета» приводятся методика проведения экспериментов и основные результаты проведенных проверок и сравнений с другими методами. На рис.3 показано окно экспериментальной программы визуализации посадочной площадки корабля и заходящего на посадку вертолета. В ходе проведенного экспериментального моделирования были получены результаты, показывающие, что предложенный метод, компьютерная модель и 13 разработанные алгоритмы могут быть использованы для разработки практических систем управления вертолетом и приближены к реальным условиям посадки вертолета на качающуюся палубу корабля. Основные результаты сравнения функций предложенного метода с функциями существующих методов приведены в таблице 2. Рис.3 Заход вертолета для посадки на палубу двигающегося и качающегося корабля Приложение 1 Исходный текст программы трехмерной визуализации на экране дисплея в двух проекциях управляемого с клавиатуры вертолета. Приложение 2 содержит: Отображение на экранах бортового и диспетчерского дисплеев некоторых положений посадки вертолета на палубу корабля. 14 Таблица 2. Сравнение функций предложенного метода с функциями существующих методов Функции 1. Автоматический контроль полета вертолета на эшелоне по направлению к двигающемуся кораблю 2. Автоматическое прогнозирование и коррекция полета на эшелоне 3. Дисплейный контроль движения вертолета по глиссаде снижения 4. Дисплейный контроль посадки вертолета из точки зависания при нулевой видимости 5. Предупреждение об опасности посадки вертолета на качающуюся палубу корабля Предложенный метод да Существующие методы да да нет трехмерный двухмерный трехмерный нет автоматическое, трехцветное (светофор) нет Заключение по результатам проведенных исследований и разработок 1. Проведен анализ существующих математических и компьютерных методов и моделей динамики полета, управления и посадки вертолетов на палубу корабля. Показана необходимость создания более точных математических методов и компьютерных моделей, повышающих безопасность посадки вертолета на качающуюся палубу корабля в сложных погодных условиях. 2. Для исследований и разработок предложен комплексный метод средств навигации для посадки вертолета на палубу корабля в сложных погодных условиях. 3. Разработаны компьютерная модель и алгоритмы ее обработки для решения задач навигации, посадки вертолета на двигающуюся и качающуюся палубу корабля и средства визуализации посадки для экипажа вертолета и диспетчера корабля. Разработанные средства обладают новизной и достаточны для экспериментальных проверок предложенного метода. 4. Разработана методика проведения экспериментальной проверки и сравнения разработанного метода и алгоритмов с другими методами. Экспериментальная проверка показала, что предложенный метод, модель и алгоритмы повышают безопасность посадки вертолета по сравнению с существующими средствами посадки вертолета на палубу корабля. 15 5. Предложены пути дальнейшего развития полученных, теоретических и практических результатов: исследование эффекта влияния условий горной местности на посадку вертолета на ограниченные и наклонные площадки; разработка систем посадки вертолета на временно оборудованные площадки в горной местности. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Офицеров П.Л., Дегтярев В.М., Тарасова Т.С. Использование карт цветов при визуализации радиолокационного изображения. //Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника (РЛТ), Выпуск 3, 2007. стр. 132-138 (в перечне ВАК). 2. Дегтярев В.М., Офицеров П.Л., Юрьев Д.Ю. Визуализация системы посадки летательных аппаратов. //Вопросы радиоэлектроники, серия Электронная вычислительная техника (ЭВТ), Выпуск 1, 2008. стр. 103-107 (в перечне ВАК). 3. Аводнев А.В., Карпова И.Р., Офицеров П.Л. Факторы, влияющие на качество аэрофотоснимков. //Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника (РЛТ), Выпуск 1, 2008. стр. 135-142 (в перечне ВАК). 4. Офицеров П.Л. Математическая модель посадки вертолета на палубу корабля. // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2009. № 181. стр. 58-62 5. Дегтярев В.М., Офицеров П.Л. Комплексное использование радиолокационных и других средств для посадки вертолетов на палубу корабля. //Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника (РЛТ), Выпуск 1, 2010. стр. 28-35 (в перечне ВАК). 6. Офицеров П.Л. Результаты компьютерного моделирования посадки вертолета на качающуюся палубу корабля. // 62 научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. – СПб, 2010. стр. 330-331 16 __________________________________________________________ Подписано к печати 21. 05. 2010г. Объем 1 печ. л. Тир. 100 экз. __________________________________________________________ Тип. СПбГУТ. 191186, С-Петербург, наб.р. Мойки 61 17
