Программный эмулятор управления БЛА

А.И. Разумовский,

с.н.с., к.т.н.,

ИПУ РАН, г. Москва

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) – это летательные аппараты, пилотируемые дистанционно. Их использование позволяет снизить себестоимость удаленного наблюдения и контроля окружающей среды. Не только в военном секторе, в котором БЛА уже достаточно активно используются, но и в гражданском секторе широкое распространение невозможно без решения ряда технических и научных задач.

Быстрое развитие БЛА от образцов для демонстрации перспективных концепций до систем, разрабатываемых в рамках крупных официальных программ, заставило столкнуться с целым рядом проблем, связанных с моделированием их движения, взаимодействия и оперативного управления.

Система моделирования управлением БЛА должна включать операции по изменению положения в пространстве и трех углов полета: угла тангажа, рыскания и крена, - а также визуализацию результата управления. Кроме того, система моделирования позволяет отображать получаемые данные положения БЛА. Основные структурные элементы системы представлены на рисунке 1.

Рис. 1 Структура системы моделирования управлением БЛА

Блок хранения организован в виде двухкомпонентной структуры, в одной части которой содержится цифровая модель рельефа, загружаемая из DXF-файла, подготовленный в 3D Studio Max. Вторая компонента включает массив координат траектории полета БЛА. Сама траектория полета может быть произвольной, то есть управляемой, но присутствует в системе, как своего рода исходный элемент, первоначально БЛА располагается в точке, задаваемой 1-ой точкой массива траектории.

Блок управления включает панель контроля БЛА с кнопками операций перемещения и вращения аппарата. Кроме того, операции дублируются клавиатурой. Также в блоке управления предусмотрена возможность изменения наблюдения БЛА, осуществляемая посредством смены режима управления. Имеется три режима наблюдения:

- режим стационарной неподвижной камеры, обеспечивающий наблюдение над полетом БЛА со стороны;

- режим подвижной камеры, непосредственно позволяющий видеть полет по траектории из кабины БЛА;

- режим «сверху-вниз», дающий взгляд камеры, опущенной вертикально вниз.

На рисунке 2 последовательно визуализированы все три режима:

а) б)

в)

Рис. 2 Режимы визуализации управлением БЛА

Рисунок 2-а отображает динамическую камеру, когда в поле зрения оператора оказывается рельеф; 2-б показывает наблюдение за движением БЛА (в виде красной сферы) по траектории со стороны; на рисунке 2-в камера «смотрит» из точки нахождения БЛА вниз.

Для осуществления гладкой интерполяции между положениями БЛА были построен класс кватерниона, в котором кроме основных функций задания и операций над кватернионами есть процедуры преобразования кватерниона в матрицу и наоборот.

Основными элементами алгоритма эмулятора являются следующие шаги:

§ загрузка программы, одновременная инициализация структур блока хранения и заполнения их данными;

§ настройка модельно-видовой матрицы соответствующего режима визуализации;

§ подключение таймера, по которому может двигаться подвижная камера;

§ позиция камеры определяется текущей точкой траектории, направление взгляда - следующей точкой траектории, а также вектором вверх (UP) – по умолчанию это направление совпадает с осью Z;

§ также рассчитывается коррекция направления взгляда камеры в сторону вниз и в центр модели рельефа.

Кроме того, на панели управления имеются кнопки сохранения – загрузки состояния камеры. Они служат для записи и восстановления данных камеры в формате - кватернион + позиция, – одного текущего значения.

В дальнейшем программный эмулятор БЛА может быть снабжен дополнительными модулями спутникового слежения и телеметрии, реализующими возможности автоматического поведения БЛА при возникновении предусмотренных и нештатных ситуаций. Кроме того, в сочетании с методами распознавания образов он может использоваться для управления поиском заданных объектов на местности.

Разработка программного эмулятора встретила определённые трудности, связанны с необходимостью согласовывать отладочные данные с получающимися изображениями, а также соорганизовывать между собой разнородную отладочную информацию. Эта проблема успешно решена посредством использованием средства неформального проектирования программных систем «Калейдоскоп-Эврика» [1,2].

Литература

1. Разумовский А.И. Неформальное проектирование алгоритмов // Труды международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2015)». Под ред. А.В. Толока. - М.: «Аналитик», 2015. с. 109-112.

2. Разумовский А.И. Разработка алгоритмов посредством программного комплекса «Эврика», // Труды международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2015)». Под ред. А.В. Толока. - М.: «Аналитик», 2015. с. 113-115.