Сергей Макаренко - Противодействие беспилотным летательным аппаратам

Как правило, двигательная установка малых БПЛА самолетного типа, представляет собой турбовинтовой двигатель, который в общих принципах соответствует двигательная установке пилотируемых ЛА [33].

Вместе с тем, в последнее время в качестве БПЛА получили широкое распространение малые БПЛА вертолетного типа, так называемые «мультикоптеры», «квадрокоптеры», «дроны». Для данных БПЛА характерно использование установки принципиально иного рода — на основе использования 4, 6 или большего количества двигателей.

В качестве двигателей малых БПЛА вертолетного типа применяют двигатели двух типов [34]:

— коллекторные — обмотки находятся на роторе (вращающейся части);

— бесколлекторные — обмотки находятся на статоре (неподвижной части).

Бесколлекторные двигатели (BLDC-двигатели) не используют щеток и коллекторов и при наличии хороших подшипников требуют минимального технического обслуживания. Ротор BLDC-двигателей изготавливается из постоянного магнита и не имеет обмоток. Статор содержит обмотки, переменное поле которых приводит к вращению ротора [35].

Управление двигателями осуществляется с помощью задания направления и скорости вращения винтов через подключаемые к ним электронные регуляторы скорости ESC (Electric Speed Controller). На вход ррегуляторов подается напряжение с аккумулятора и управляющие сигналы с микроконтроллера, на выход регулятор отдает напряжение для привода [36].

Увеличением числа оборотов винтов в единицу времени задается подъем, уменьшением — опускание. Увеличение оборотов двух боковых винтов задает крен, а передних или задних — тангаж с последующим движением в сторону или подъемом/снижением по косой соответственно, а винтов, расположенных на одной из косых осей, — разворот аппарата влево или вправо (рыскание). Для стабилизации движения одна пара винтов всегда вращается по часовой стрелке, другая — против (рис. 1.7), компенсируя этим крутящий момент [37].

Рис. 1.7. Вращение винтов малых БПЛА вертолетного типа [38]

По способам управления БПЛА декомпозируют на:

— автономные;

— полуавтономные;

— управляемые.

Выбор способа управления зависит от сложности и специфики выполнения, поставленных перед БПЛА задач. Как правило, система управления больших БПЛА самолетного типа в общих принципах соответствует пилотируемым ЛА [39], а малые БПЛА имеют иерархическую трехуровневую компоновку системы управления [40]:

1) нижний уровень — уровень отдельных устройств, механизмов, датчиков и оборудования;

2) средний уровень — уровень управления процессами полета с помощью бортовых контроллеров, модулей ввода-вывода сигналов и коммутационного оборудования;

3) верхний уровень — уровень диспетчеризации и администрирования БПЛА, осуществляющий взаимодействие между оператором или программой полета через интерфейс с контроллерами среднего уровня.

1. Нижний уровень управления образуется, двигательной установкой, датчиками навигационной системы (подробно рассмотрены далее), оборудованием полезной нагрузки: оптико-электронные средства (ОЭС), радиолокационные станции (РЛС), различные другие радиоэлектронные средства (РЭС) и т. д. [41].

2. Средний уровень соответствует бортовым аппаратно-программным средствам управления. Бортовая система управления малыми БПЛА формируется на базе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), которые, как правило, управляются либо открытыми операционными системами (ОС), такими как Linux, Android и т. д., либо специализированными ОС реального времени, такими как QNX, VME, VxWorks, XOberon и т. д. Кроме того, в последнее время появились различные проекты по созданию ОС и прикладного программного обеспечения (ПО) специально ориентированного на БПЛА.

В настоящее время получили широкое распространение схемотехнические решения, в которых БЦВМ, а также основные контролеры устройств вы- полнены на единой плате и упакованы в защитный корпус. При этом БЦВМ, представляет собой RISC микропроцессор, как правило, ARM архитектуры, а отдельные контролеры — микросхемы ПЛИС, которые могут быть запрограммированы с учетом особенностей функционирования конкретных образцов бортового РЭО [42]. Пример БЦВМ малого БПЛА на ПЛИС представлен на рис. 1.8.

Рис. 1.8. БЦВМ малого БПЛА на основе ПЛИС фирмы Xilinx серии Spartan2 XC2S100 [43]

В качестве аппаратуры управления в малых БПЛА могут применяться цифровые сигнальные процессоры или микроконтроллеры (MicroPC), программируемые на языках высокого уровня, таких как С, С++, Модула-2, Оберон SA или Ада95, а также программные пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) — диспетчерское управление и сбор данных), предназначенные для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем мониторинга или управления [44]. Кроме того, для управления малыми БПЛА могут использоваться специальные полетные контроллеры FCU (Flight Control Unit), которые формируют команды для микроконтроллеров управляющих двигателями и отдельными подсистемами БПЛА, в соответствии с данными, получаемыми по командной радиолинии управления (КРУ).

В последнее время три ведущих производителя микроэлектроники Qualcomm, Intel и Nvidia выпустили собственные типовые схемотехнические решения для систем управления БПЛА. Кроме того, аналогичное решение выпустил один из ведущих китайских производителей микроэлектроники — Leadcore. Каждый набор является типовым решением, включающем в себя [45]:

— центральный процессор управления CPU (Central Processing Unit);

— бортовую ОЭС;

— графический процессор GPU (Graphics Processing Unit) обработки видеоданных, поступающих от бортовой ОЭС;

— систему связи на основе технологии Wi-Fi.

Характеристики этих схемотехнических решений приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — Характеристики типовых технических решений для БПЛА от компаний Qualcomm, Intel, Nvidia и Leadcore [46]

н/д — нет данных.