Р К Кадем - Автоматизоване проектування безпілотних літальних апаратів - страница 1

Страницы:
1  2  3 

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Раад Карім Кадем

УДК 681.5.001.63:519.711

АВТОМАТИЗОВАНЕ ПРОЕКТУВАННЯ БЕЗПІЛОТНИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Спеціальність: 05.13.12 - «Системи автоматизації проектувальних ро­біт»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному авіаційному університеті Міністер­ства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Синєглазов Віктор Михайлович,

Національний авіаційний університет, завідувач кафедри авіаційних комп'ютерно-інтегрованих комплексів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Тунік Анатолій Азарійович Національний авіаційний університет, професор кафедри

канд. техн. наук, с. н. с. Харитонов Михайло Олексійович

Інститут Авіації, пров. наук. співробітник. Захист відбудеться «16» червня 2011 року о 15 год. 00 хв. На засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.08 в Національному авіаційному уні­верситеті за адресою: 03680, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1, корп. 1, ауд.

Автореферат розіслано «_»_2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д-р техн. наук, доцент В. М. Шутко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Створення принципово нової техніки є важливим напря­мком науково-технічного прогресу. Виконання цієї задачі може бути пов'язано з розвитком літакобудування, зокрема, безпілотних літальних апаратів (БПЛА), що сильно впливає на темпи прискорення прогресу техніки в цілому. БПЛА - це не просто новий клас літальних апаратів (ЛА), а якісно новий, більш високий рівень не тільки військової, але й цивільної авіації.

Проектування, особливо його однією початковий період, є однією з найважливі­ших стадій життєвого циклу БПЛА, що пояснюється складним виправленням проект­них помилок на стадіях виготовлення і застосування БПЛА через їх високу вартість.

Своєчасні якісні проекти нових БПЛА, відповідаючи заданим вимогам до їх систем і агрегатів, ЛТХ та ефективності, забезпечують зниження життєвого циклу та оновлення покоління БПЛА з періодом, не перевищуючим 5-7 років.

У відповідності до даних UVS - GLOBAL PERESPECTIV 2009/2010 на сього­днішній день у світі розробляється більш 1200 програм по створення БПЛА. За останні 30 - 40 років у всьому світі було створено для потреб своїх країн достатня кількість БПЛА, які є складовими частинами безпілотних авіаційних комплексів (БАК). Але поява нових задач, які ставляться перед БПЛА, а також технічні засоби боротьби з БПЛА змушують уряди багатьох країн з достатньо високим науково-технічним потенціалом створювати нові покоління транспортних засобів (ТЗ), які досліджуються в даній роботі. У зв'язку з цим розробником БПЛА і технічних за­собів їх застосування пред' являються підвищені вимоги до ефективності реалізації своїх проектів.

При традиційному проектуванню основна увага приділяється. як правило. за­дачам аналізу функціонування БПЛА з метою дослідження впливу різних факто­рів на їх аеродинаміку (АД), міцність конструкції, точність керування і ефектив­ність, що пояснюється наявністю досить адекватних функціональних математич­них моделей. У той же час для розв' язання задач пошуку технічних ідей і фізич­них принципів дії, що дозволяють реалізувати задані цілі проектування БПЛА, ви­явлення множини аналогів технічних рішень (ТР) по її структурі і вибору раціона­льних варіантів ТР використовується інтуїтивно-емпіричний підхід, ефективність якого залежить, головним чином, від рівня знань і досвіду учасників проектуван­ня. Ситуація погіршується відсутністю єдиного науково-обґрунтованого підходу до проектування обліку БПЛА, що засновано на використанні методів оптимізації. Це приводить до одержання далеко не кращих їх варіантів. Крім того, сучасна те­нденція до підвищення продуктивності праці учасників проектування і зменшення термінів розробки проектів з урахуванням зазначених факторів викликає необхід­ність автоматизації процесу проектування.

Можливим виходом з вищенаведеної ситуації є:

- розроблення і застосування нових методик проектування, що засновано на використанні упорядкованих структурно-параметричних моделей, які дозволяють створювати множину альтернативних ТР і здійснювати вибір найкращого варіанту з можливістю автоматизації проектних процедур на електронно-обчислювальній машині (ЕОМ);

- перехід до нових моделей і методів оптимізації, що засновано на теорії век­торної (багатокритеріальної) оптимізації, які дозволяють розв' язувати задачу про­ектування вигляду БПЛА як з урахуванням кінцевої мети її використання - одер­жання максимальної ефективності, так і з урахуванням критеріїв більш низької іє­рархії - показників якості підсистем БПЛА. Такий підхід до проектування обліку БПЛА характеризується обґрунтованістю приймальних рішень;

- розробка і впровадження програмно-технічного комплексу засобів підтрим­ки автоматизованого проектування вигляд БПЛА і з можливості роботи в єдиному інформаційному просторі, організації глибокого зворотного зв'язку між учасни­ками проектування що розташовані на всіх рівнях процесу проектування , доступу до різних інформаційно-довідкових банків даних, у тому числі що містяться на серверах Інтернету.

У зв' язку з тим, що на практиці автоматизованого проектування здійснюється за допомогою систем автоматизованого проектування (САПР), а в сучасних умо­вах розвитку обчислювальної техніки і програмних засобів методологія проекту­вання відіграє важливу роль при створення САПР, то першорядним є глибокий аналіз теорії і методів в області проектування технічних систем (ТС), що дослі­джуються у даній дисертаційній роботі.

Аналіз теорії і досвіду проектування показав, що до цього часу існує ряд не вирі­шених проблем в області проектування вигляду БПЛА серед яких слід виділити:

- ускладнення перспективних БПЛА утруднює цілісний огляд і необхідне ув' язування підсистем і елементів, з яких вони складаються. Принцип декомпози-цій ТС, що використовується при цьому, приводить до появи проблеми узгоджен­ня параметрів підсистем і елементів БПЛА і БАК з метою поліпшення характерис­тик усього БАКа;

- невизначеність при виборі проектних рішень на етапі побудови множини припустимих варіантів структури БПЛА, що пояснюється розкидом значень прое­ктних характеристик через неточність деяких початкових даних. До того ж, вибір варіантів структури по сукупності локальних критеріїв оптимальності дуже склад­ний, тому що ряд критеріїв узагалі не має кількісного виразу, а точно оцінювальні критерії можуть бути суперечливі;

- розрахунки при виборі оптимальних проектних рішень з метою спрощення розрахункових моделей, як правило, ґрунтуються на детермінованому характері початкових даних і умов функціонування БПЛА, що може приводити до проти­річчя розрахунків з реальною дійсністю.

Крім зазначених вище проблем існують деякі проблеми, які пов'язані з поста­новкою і розв' язанням задачі оптимального проектування. До відзначених про­блем слід віднести складність пошуку розв' язання задач векторної оптимізації в умовах суперечливості прийнятих локальних критеріїв, суб' єктивний підхід до призначення вагових коефіцієнтів відносної важливості локальних критеріїв у зго­ртці і до призначення поступок або обмежень на критерії. Крім того, складно розв' язуються задачі оптимізації по пошуку екстремумів цільових функцій, що характеризуються такими властивостями, як нелінійність, неопуклість, неглад-кість і розірваність.

Вищевикладене підтверджує необхідність проведення дослідження і розв' язан-ня зазначених задач, тому актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася у Національному авіаційному університеті при проведенні науково-дослідних робіт з таких тем: «Ресурс» (реєстраційний но­мер 010U006265), «Методологія автоматизованого проектування пілотажно-навігаційного комплексу гелікоптера» (реєстраційний номер 0102U000376) та «Методики створення інтегрованої інформаційної системи літаків малої авіації на основі безплатформеної нанотехнологічної інерціальної навігаційної системи» (реєстраційний номер 0109U000689).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розроблення науково-обґрунтованих методик, моделей алгоритмів і процесів проектування, спрямова­них на розв'язок проблем проектування вигляду БПЛА, навісного обладнання та підвищення ефективності БПЛА.

Для досягнення цієї мети у роботі було виділено та розв'язано такі задачі:

- проведення системного аналізу БПЛА;

- розроблення структури САПР вигляду БПЛА;

- розроблення структурно-параметричних математичних моделей та моделей структурного синтезу БПЛА на рівня формування його конструктивно-компоновочної схеми;

- побудова і дослідження моделей функціонування БПЛА;

- розроблення формалізованих методів вибору та критеріїв оптимальності при структурному синтезі і параметричному проектуванні БПЛА;

- розроблення алгоритмів процесу оптимального проектування вигляду БПЛА та його навісного обладнання;

- розроблення програмного забезпечення автоматизованого проектування ви­гляду БПЛА;

- використання отриманих результатів для розв'язання практичних задач про­ектування вигляду БПЛА.

Об 'єктом дослідження є процес проектування вигляду БПЛА та його навісно­го обладнання.

Предмет дослідження - методологія автоматизованого проектування вигляду БПЛА, математичні моделі БПЛА та його підсистем, структура САПР вигляду

БПЛА.

Методи дослідження для вирішення поставлених завдань використані у робо­ті: елементний аналіз функцій, метод комп'ютерного моделювання для дослі­дження варіантів функціонального структур, морфологічні методи проектування, методи параметричної оптимізації.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертаційній роботі отримані такі наукові результати:

- розроблено структурно-параметричну математичну модель БПЛА у вигляді її функціональної структури та ознак функціональних елементів, які разом створюють морфологічні множини технічних розв' язків по конструктивній структурі БПЛА та йо­го підсистем. На основі структурно-параметричної моделі БПЛА для пошуку нових варіантів його конструктивно-компоновочної схеми розроблено та програмно реалізо­вано методику структурного синтезу БПЛА, яка базується на використанні морфологі­чних множин відомих та нових технічних розв'язків, показників якості альтернатив ознак БПЛА та їх оцінок, одержаних експертним шляхом;

- розроблено і програмно реалізовано аналітичний метод прискореного кількісно­го аналізу обираних варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА, що базу­ється на використані статистичних даних і спрощених розрахункових моделей;

- обґрунтовано вибір методу багатокритеріальної оптимізації, що базується на використанні принципу кубічних сіток та множини випадкових точок, рівномірно розподілених у багатовимірній області допустимих розв' язків;

- на основі системного підходу до аналізу БПЛА з позиції ієрархії проектного опису за рівнями деталізації представлено процес проектування вигляду БПЛА у вигляді послідовного вирішення приватних взаємопов'язаних оптимізаційних за­дач, які містяться на різних рівнях проектного пошуку;

- сформовано безліч базових функцій БПЛА і відмічено необхідність поелеме-нтного аналізу функцій для пошукового конструювання БПЛА. Розглянуто взає­мозв' язок функції та структури БПЛА, визначено множину структури БПЛА, що становить область допустимих рішень у разі вибору варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА;

- наведено зв' язок критерію проектування БПЛА з аеродинамічними коефіціє­нтами, зокрема, розглянуто модель аеродинамічного розрахунку, що включає силу лобового опору, підйомну силу, фокус, поздовжній момент тангажу, аеродинаміч­ну якість. Визначено основні льотно-технічні характеристики БПЛА, включаючи розрахунок швидкостей польоту, швидкопідйомності після відриву, стелі, довжи­ни розбігу і злітної дистанції, стартової маси, відносної маси фюзеляжу, маси кри­ла, оперення, маси силової установки, маси шасі, маси рульового приводу з дже­релом енергії, маси корисного навантаження;

- запропоновано методику розрахунку основних геометричних параметрів БПЛА, включаючи визначення геометричних параметрів крила (площа, подов­ження, звуження, відносна товщина, профіль, геометричні параметри механізації крила і елеронів), горизонтального оперення і керма висоти, вертикального опе­рення і керма напряму, фюзеляжу, вибір схеми шасі;

- вирішено задачу оптимального вибору пристроїв спостереження для БПЛА на підставі розв' язання задачі багатокритеріальної оптимізації. Для розв' язання задачі багатокритеріальної оптимізації було використано метод аналізу ієрархій.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані методики, мо­делі, алгоритми, які реалізують процеси проектування та програмне забезпечення, дозволяють в автоматизованому режимі:

- формувати та порівнювати, а з використанням методу експертних оцінок і відбирати конструктивно-компоновочні схеми БПЛА;

- виконувати попереднє оцінювання обраних варіантів конструктивно-компоновочної схеми БПЛА на відповідність проектному завданню;

- розраховувати значення критеріїв якості і функціональних обмежень БПЛА;

- проводити чисельний експеримент з обґрунтування вигляду БПЛА;

- виконувати оптимальний вибір аеродинамічної схеми проектуємого БПЛА і розрахунок оптимальних геометричних параметрів елементів його конструкції.

Використання розроблених методик, рекомендацій, алгоритмів та розроблено­го програмного забезпечення, що наведено у дисертаційній роботі, показало висо­ку ефективність при виконанні таких тем: «Ресурс» (реєстраційний номер 010U006265), «Методологія автоматизованого проектування пілотажно-навіга­ційного комплексу гелікоптера» (реєстраційний номер 0102U000376) та «Методи­ки створення інтегрованої інформаційної системи літаків малої авіації на основі безплатформеної нанотехнологічної інерціальної навігаційної системи» (реєстра­ційний номер 0109U000689) і дозволило зменшити витрати на проведення випро­бувань та підвищити достовірність результатів. Результати дисертаційної роботи використовуються при проведенні лекційних та лабораторних занять по курсу «Основи систем автоматизованого проектування» для студентів спеціальності 8.092502 «Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва» та мо­жуть бути використані для подальшого проектування безпілотних літальних апа­ратів на етапах технічних пропозицій і ескізного проектування у дослідно-конструкторських бюро відповідного профілю.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані Раад Карімом Кадемом самостійно та приведені у 6-ти наукових статтях, одна з яких написана самостійно і п'ять - у співавторстві.

Наукова стаття [1] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кево-рковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні і розробці структури з цілеорієнтованою системою автоматизованого проектування.

Наукова стаття [2] написана особисто Р. К. Кадемом. У даній статті автор ви­конав компонентний аналіз безпілотних літальних апаратів.

Наукова стаття [3] написана у співавторстві з В.М. Синєглазовим, А.В. Брика-ловим. Особистий внесок автора в даній статті полягає у розробленні моделі аеро­динамічного розрахунку безпілотних літальних апаратів для системи автоматизо­ваного проектування.

Наукова стаття [4] написана у співавторстві з В.М. Синєглазовим, О.М. Мельниче­нко. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оптичних систем спостереження, які входять до складу навісного обладнання БПЛА.

Наукова стаття [5] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кевор-ковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оп­тимального алгоритму сортування для модуля інтеграції проектних даних системи автоматизованого проектування.

Наукова стаття [6] написана у співавторстві з В. М. Синєглазовим, С. Г. Кевор-ковим. Особистий внесок автора в даній статті полягає в обґрунтуванні вибору оп­тимального алгоритму пошуку для модуля інтеграції проектних даних системи ав­томатизованого проектування.

Апробація результатів дисертації. Наукові положення і результати дисерта­ційної роботи повністю висвітлені в публікаціях, пройшли апробацію і доповіда­лися на міжнародних науково-технічних конференціях і спеціалізованих наукових семінарах.

Наукові положення і результати дисертаційної роботи повністю висвітленні в публікаціях, пройшли апробацію і доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях та спеціалізованих наукових семінарах.

Основні результати досліджень доповідалися і обговорювалися на Четвертому світовому конгресі «Безпека в авіації» м. Київ, 2010 р., Першій міжнародній кон­ференції «Методи і системи навігації та керування рухом» м. Київ, 2010 р., на Мі­жнародній науково-технічній конференції «Авіа-2011».

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 статей у виданнях, перелік яких стверджений ВАК України та 3 матеріалів доповідей на наукових конференціях.

Основні положення, що виносяться на захист. Системний підхід щодо проек­тування БПЛА; декомпозиція загальної задачі проектування вигляду БАК, БПЛА та його підсистем; структурні моделі множини ТР; методика структурної оптимізації БПЛА; математична модель розрахунку проектних характеристик БПЛА на етапі вибору його коструктивно-компоновочної схеми; критерії оцінки якості БПЛА; ма­тематична модель багатокритеріальної оптимізації тактико-технічних характеристик (ТТХ) БПЛА; структурні моделі процесів автоматизо-ваного проектування вигляду БПЛА під задані тактико-технічні вимоги (ТТВ) і з умови досягнення максимальної ефективності; структура та состав математичної моделі розрахунку функціональних обмежень та критеріїв; структура та состав програмно-технічного комплексу засобів підтримки автоматизованого проектування вигляду БПЛА.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 301 сторінок. Основна частина викладена на 141 сторінках друкованого тексту. Роботамістить 35 рисунків, 12 таблиць, 5 додатків. Список використаних джерел містить 135 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, показано актуальність теми, показа­но зв' язок проблеми з науковими програмами, планами та темами, сформульовано методи та основні завдання досліджень, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її ап­робацію, публікації та особистий внесок здобувача.

У першому розділі наведено різні класифікації БПЛА та БАК, а саме за можли­вістю застосування у військовій та цивільній сферах, за принципом пілотування. Показано, що при створенні БПЛА необхідно користуватися принципом уніфікації.

Визначено дві змістовні постановки задачі проектування вигляду БПЛА - про­ектування під задані ТТВ і проектування з метою досягнення максимальної ефек­тивності виконання поставленої задачі.

Визначена найбільш загальна декомпозиція задачі проектування вигляду БПЛА.

Виконано функціонально-структурний аналіз існуючих конструкцій БПЛА, що показав доцільність застосування методів пошукового конструювання для синтезу конструктивно-компоновочної схеми БПЛА.

Аналіз методів пошукового конструювання показав доцільність використання морфологічних методів проектування, що дозволяють формалізувати процес про­ектування вигляду БПЛА на етапі синтезу його конструктивно-компоновочної схеми. Відзначено перспективність цих методів для синтезу нових ТР за умови включення до них процедур вибору і структурної оптимізації.

У другому розділі здійснено дослідження БПЛА з використанням системного підходу. Побудовано компонентну модель БПЛА, у якій БПЛА надано у вигляду ТС і складною багаторівневою ієрархічною структурою, що, в свою чергу, входить у ТС більш високого рівня ієрархії.

На підставі функціонально-структурного аналізу існуючих БПЛА у якості ос­новних підсистем БПЛА виділено: цільовий вантаж (ЦВ), систему керування (СК), двигун, бортові джерела енергії (БДЕ) і планер, які утворено по функціональній ознаці з елементів більш низького рівня.

Компонентний аналіз показав, що проектування вигляду БПЛА нерозривно зв' язано з дослідженням БПЛА на рівні БАК, власне БПЛА і підсистем БПЛА.

У зв' язку з тим, що підсистеми БАК, у тому числі і БПЛА описуються дуже великою кількістю змінних параметрів, що ускладнює обчислення критеріїв і фун­кціональних обмежень, то загальна задача проектування вигляду БПЛА розбива­ється на етапи шляхом уведення ієрархії проектного опису по рівнях деталізації. Таким чином, розв'язання загальної задачі оптимального проектування вигляду БПЛА надається як процес послідовного розв'язання локальних взаємозалежних задач оптимізації, що розташовані на різних рівнях ієрархії.

Декомпозиція процесу оптимального проектування вигляду БПЛА з позиції системного підходу наведено на рис. 1.

Виконано формальний опис базових функцій основних функціональних елементів БАК і БПЛА, що приведено у компонентній моделі БПЛА, з використанням структур­ної формули: F = (D, G, H), де F- функція ТС; D - множина дій ТС, що призводять добажаного результату; G - множина об'єктів, на які ці дії спрямовані; H- множина осо­бливих умов і обмежень, що накладаються на реалізацію функції.

Вибір проектних характеристик БАК

Вибір проектних характеристик БПЛА

^к-

Вибір параметрів ЦН

Вибір параметрів систем автоматичного керування

Вибір параметрів РП та БД

Вибір параметрів РУ

Проектування засобів наземного обслуговування

Проектування засобів зв'язку та керування

Проектування засобів запуску та посадки

Проектування засобів керування

Вибір параметрів конструктивної та АД компоновки

Рис. 1. Декомпозиція процесу оптимального проектування вигляду БПЛА з позиції системного підходу: ЦН - цільове навантаження; РП - рульові приводи; БД - блок датчиків; РУ - рухові установки; АД - аеродинамічні

З урахуванням опису базових функцій елементів БАК і БПЛА побудовані фун­кціональні структури БАК, БПЛА і підсистем БПЛА у вигляді графів функціона­льної взаємодії, що складають основу побудови структурної моделі множини ТР.

На основі аналізу базових функції і функціональних елементів існуючих конс­трукцій БАК і БПЛА виявлено додаткові функції, а також синтезовано нові функ­ції і визначено пристрої, що їх реалізують у функціональних структурах перспек­тивного БПЛА і системи керування перспективної БПЛА, що дозволяє досягти ці­лей проектування «підвищення точності влучення в ціль», «зниження враження операторів і пускових установок» і «збільшення завадозахищеності».

Аналіз функції елементів БПЛА і БАК показав, що множина технічних функ­цій у процесі їх розвитку безупинно розширюється і структурно змінюється. У зв' язку з цим для проектування БПЛА як об' єкта одного класу доцільне створення систематизованого фонду (банків даних) описів технічних функцій, в яких указу­ються відомості про засоби їх реалізації.

У банки даних, що сформовані на комп'ютерній основі, повинні вводитися те­хнічні функції з описом їх компонент. Для кожної функції слід вказати альтерна­тивні функціональні елементи, за допомогою яких вони можуть бути реалізовані, а також цілі що досягаються цими функціями.

Для функціональних елементів БПЛА і її підсистем визначені найбільш істотні (з точки зору розв'язання задачі) конструктивні ознаки, що відносяться до груп ознак взаємозв' язок, і взаємне розташування функціональних елементів.

Страницы:
1  2  3 


Похожие статьи

Р К Кадем - Автоматизоване проектування безпілотних літальних апаратів