Файл: С. В. Кондаков 2019 г.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Южно-Уральский государственный университет
(национальный исследовательский университет)»
Высшая школа электроники и компьютерных наук
Кафедра «Системы автоматического управления»
РАБОТА ПРОВЕРЕНА
Рецензент профессор каф. КГМ, д.т.н.
________/ С.В. Кондаков
«____» _______________ 2019 г.
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ
Заведующий кафедрой д.т.н., профессор
_______________/ В.И. Ширяев
«____» _______________ 2019 г.
Исследование алгоритмов и траекторий наведения беспилотного летательного аппарата
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ
ЮУрГУ – 24.05.06.2019.356.00 ПЗ ВКР
Руководитель работы доцент каф. САУ, к.т.н.
________/ Г.В. Зырянов
«____» _______________ 2019 г.
Автор работы студент группы КЭ-577
________/ Н.Д. Ишбулатова
«____» _______________ 2019 г.
Нормоконтролер доцент каф. САУ, к.т.н.
________/ Г.В. Зырянов
«____» _______________ 2019 г.
Челябинск 2019

АННОТАЦИЯ
Ишбулатова Н.Д. Исследование алгоритмов и траек- торий наведения беспилотного летательного аппарата. – Че- лябинск: ЮУрГУ, ВШ ЭКН; 2019, 125 с., 92 ил., библиогр. список – 34 наим., 20 листов слайдов презентации ф.А4, 7 табл., 2 приложения.
Проведено исследование систем самонаведения летательных аппаратов атмосферного типа и космического назначения. Рассмотрены различные методы самонаведения летательных аппаратов атмосферного типа. С помощью пакета прикладных программ MATLAB Simulink проведено моделирование классиче- ских методов самонаведения для летательных аппаратов атмосферного типа.
Проведен анализ возможности применения непрерывных методов самонаведения для летательных аппаратов космического назначения. Предложены рекомендации для продолжения исследования.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
24.05.06.2019.356.00
ПЗ
Разраб.
Ишбулатова Н.Д.
Провер.
Зырянов Г.В.
Реценз.
Кондаков С.В.
Н. Контр.
Зырянов Г.В.
Утверд.
Ширяев В.И.
Исследование алгоритмов и
траекторий наведения
беспилотного летательного
аппарата
Лит.
Листов
125
ЮУрГУ
Кафедра САУ
Д

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ............................................................................. 7
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 8 1 ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И ТРАЕКТОРИЙ НАВЕДЕНИЯ
1.1 Задача наведения как разновидность управления движением. Этап самонаведения на цель........................................................................................ 16 1.1.1 Системы самонаведения (ССН). Общие сведения, функциональная структура и требования к ССН .................................................................. 20 1.1.2 Математическая модель движения ЛА, линеаризация и передаточные функции ........................................................................................................ 39 1.2 Методы самонаведения ЛА атмосферного типа. Общие сведения о методах
СН и их сравнительная характеристика ............................................................ 49 1.3 Расчет параметров передаточной функции ЛА для модельного примера..... 54
Выводы по главе один ............................................................................................... 71 2 АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ МЕТОДОВ
НАВЕДЕНИЯ НА ОБЪЕКТЫ КОСМИЧЕСКОГО ТИПА
2.1 Задача самонаведения в условиях космического полета ЛА .......................... 73 2.1.1 Этапы полета ЛА в условиях космоса и задачи систем наведения. ....... 77 2.1.2 Варианты организации управления двигательной установкой ............... 81 2.2 Вывод математической модели космического летательного аппарата .......... 87 2.3 Моделирование свойств космического аппарата и анализ особенностей динамики нелинейного ОУ ................................................................................. 88 2.4 Моделирование контура самонаведения для нелинейного ОУ и нелинейного кинематического звена ........................................................................................ 96 2.5 Получение линеаризованных моделей и структурных схем для звеньев контура СН ......................................................................................................... 100
Выводы по главе два ............................................................................................... 105 3 РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОДОЛЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ССН
КОСМИЧЕСКОГО ЛАНА МАНЕВРИРУЮЩУЮ ЦЕЛЬ ................................. 106 3.1 Общие сведения о методе прогнозирующих моделей для задачи ССН ...... 108 3.2 О применении метода MPC для решения задачи ССН КЛА

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 120
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................................ 122
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ЛИСТИНГ КОДА ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА
КОЭФФИЦИЕНТОВ ПЕРЕДАТОЧНОЙ ФУНКЦИИ ЛА . 125
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СХЕМА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕТОДА
ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО НАВЕДЕНИЯ В
ПРОГРАММНОМ ПАКЕТЕ MATLAB SIMULINK ............ 126

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ССН – Система самонаведения;
ББ МБР – Боевой блок межконтинентальной баллистической ракеты;
РЛС – Радиолокационная станция;
ОУ – Объект управления;
ЛА – Летательный аппарат;
АП – Автопилот;
ГСН – Головка самонаведения;
ЗУР – Зенитно-управляемая ракета;
ЗРК – Зенитный ракетный комплекс;
БЦВМ – Электронная вычислительная машина;
КП – Командный пункт;
ПРО – Противоракетная оборона.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
ВВЕДЕНИЕ
Человек с древних времен мечтал о возможности летать, и летательные аппараты — именно то, к чему привело его это стремление и научно-технический вектор развития человечества.
Летательный аппарат – сложное техническое устройство, способное перемещаться в пространстве без непосредственной опоры на земную или водную поверхность.
Существует множество различных классификаций летательных аппаратов. Во многих классификациях ЛА разделяют на военные и гражданские. Однако видимо, более логичным является подразделение, в котором ЛА подразделяются вначале по укрупненным сферам использования, а именно – для научных целей и для прикладных целей; последние же подразделяются на ЛА для военного и гражданского применения.
Приведём классификацию по назначению [23]:
1. Аппараты гражданского применения: а) самолеты гражданской авиаций при управлении полетом по приборам, особенно при так называемой «слепой посадке»; б) метеорологические и исследовательские ракеты; в) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы, содержащие несколько ступеней ракет-носителей для выведения искусственных спутников Земли (ИСЗ) на орбиту (метеорологические и исследовательские ИСЗ и спутники-ретрансляторы для линий радио- и телевизионной связи и т.п.); г) управляемые многоступенчатые ракетные комплексы для выведения космических аппаратов (КА) на заданную траекторию и сами КА, причем последние можно подразделить на аппараты «среднего космоса» (лунные) и
«дальнего» (межпланетные); д) беспилотные летательные аппараты, используемые для обследования и фотографирование мест пожаров и экологических катастроф.
2. Аппараты военного применения: а) боевые самолеты при полуавтоматическом наведении на цель; б) управляемые беспилотные летательные аппараты; в) зенитные управляемые реактивные снаряды для поражения воздушных целей или иначе — управляемые реактивные снаряды класса «земля — воздух» («корабль
— воздух»); г) авиационные управляемые реактивные снаряды для поражения с самолетов наземных, морских и воздушных целей. Или иначе — управляемые реактивные снаряды, соответственно классов «воздух — земля» (море) и «воздух — воздух»;

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
д) крылатые ракеты (самолеты-снаряды) и баллистические ракеты, в том числе баллистические ракеты дальнего действия или межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) — все, относящиеся к классу снарядов: «земля — земля» («море — море»), «земля — море», «море — земля».
В таблице 1 представлена классификация ЛА по принципу полета.
Таблица 1 - Классификация летательных аппаратов по принципу полета
ПРИНЦИП ПОЛЕТА
Аэростатичес кий
Аэродинамический
(Самолеты, вертолеты)
Инерционный
Ракетодинамический
Воздушные шары
Пилотируемые
Беспилотные
Головные части БР
Баллистические, зенитные, авиационные
Аэростаты
Пассажирские
Ложные цели
ИСЗ
Крылатые
Стратостаты
Транспортные
Разведчики
ОКС
Ракеты - носители
Дирижабли
Штурмовики
Мишени
Пилотируемые аппараты
Исследовательские
Истребители
Организаторы активных помех
Противоракеты
Бомбардировщ ики
Противорадиол окационные
Неуправляемый ракетный снаряд
Для дальнейшего изложения материала необходимо дать определение беспилотного летательного аппарата. Вот одно из самых простых: "Беспилотный летательный аппарат – это летательный аппарат без человека (экипажа) на борту"
[9]. Далее речь будет идти о беспилотных летательных аппаратах атмосферного типа (ЗУР) и летательных аппаратов космического назначения (космические ракеты).
Ракета — летательный аппарат, двигающийся в пространстве за счёт действия реактивной тяги, возникающей только вследствие отброса части собственной массы аппарата и без использования вещества из окружающей среды
Ракеты обычно классифицируются по типу траектории полёта, по месту и направленности запуска, по дальности полёта, по типу двигателя, по типу боего- ловки, по типу систем управления и наведения.
В зависимости от типа траектории полёта различают:
– Крылатые ракеты. Крылатые ракеты - это беспилотные управляемые (до мо- мента поражения цели) летательные аппараты, которые поддерживаются в воздухе большую часть своего полёта за счёт аэродинамической подъёмной силы. Главной целью крылатых ракет является доставка боевого заряда к цели. Они движутся в атмосфере Земли, используя реактивные двигатели.

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
Межконтинентальные баллистические крылатые ракеты могут подразделяться в зависимости от их размера, скорости (дозвуковая или сверхзвуковая), дальности полёта и места запуска: с земли, воздуха, поверхности корабля или подводной лодки.
В зависимости от скорости полёта крылатые ракеты подразделяются на:
1) дозвуковые крылатые ракеты;
2) сверхзвуковые крылатые ракеты;
3) гиперзвуковые крылатые ракеты.
Дозвуковая крылатая ракета движется со скоростью ниже скорости звука.
Она развивает скорость, соответствующую числу Маха М = 0,8 … 0,9. Широко из- вестной дозвуковой ракетой является американская крылатая ракета ’Томагавк".
Ниже приведены схемы двух российских дозвуковых крылатых ракет, стоящих на вооружении.
Сверхзвуковая крылатая ракета движется со скоростью около М=2 …3, то есть преодолевает за секунду расстояние приблизительно в 1 километр. Модульная конструкция ракеты и её способность запускаться под различным углом наклона, позволяют запускать ее с различных носителей: военные корабли, подводные лодки, различные типы самолётов, мобильные автономные установки и пусковые шахты. Сверхзвуковая скорость и масса боеголовки обеспечивает ей высокую ки- нетическую энергию удара (например, Оникс (Россия) она же Яхонт – экспортный вариант; П-1000 Вулкан; П-270 Москит; П-700 Гранит).
Гиперзвуковая крылатая ракета движется со скоростью М > 5. Многие страны работают над созданием гиперзвуковых крылатых ракет.
– Баллистические ракеты. Баллистическая ракета – это ракета, имеющая балли- стическую траекторию на большей части пути её полета.
Баллистические ракеты подразделяются по дальности полёта. Максимальная дальность полёта измеряется по кривой вдоль поверхности земли от места запуска и до точки нанесения удара последним элементом боевого заряда. Баллистические ракеты могут запускаться с морских и наземных носителей.
Место старта и направленность запуска определяют класс ракеты:

Ракеты класса "земля-земля". Ракета класса "земля-земля"– это управляемый снаряд, который можно запускать с рук, транспортного средства, мобильной или стационарной установки. Она приводится в движение ракетным двигателем или иногда, если используется стационарная пусковая установка, выстреливается при помощи порохового заряда.
В России (и ранее в СССР) ракеты класса «земля-земля» разделяют также по назначению на тактические, оперативно-тактические и стратегические. В других

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
странах по назначению ракеты класса «земля-земля» делят на тактические и стра- тегические.

Ракеты класса "земля-воздух". Ракета класса "земля-воздух" запускается с поверхности земли. Предназначена для поражения воздушных целей, таких, как са- молёты, вертолёты и даже баллистические ракеты на атмосферном участке полета.
Эти ракеты обычно входят в систему ПВО, так как они отражают любой вид воз- душной атаки.

Ракеты класса "земля-море". Ракета класса "поверхность (земля) -море" пред- назначена для запуска с земли для поражения кораблей противника.

Ракеты класса "воздух-воздух". Ракета класса "воздух-воздух" запускается с авиационных носителей и предназначена для поражения воздушных целей. Такие ракеты имеют скорость до М = 4.

Ракеты класса "воздух-поверхность (земля, вода)". Ракета класса "воздух-по- верхность" предназначена для запуска с авиационных носителей для удара, как по наземным, так и по надводным целям.

Ракеты класса "море-море". Ракета класса "море-море" предназначена для за- пуска с кораблей для поражения кораблей противника.

Ракеты класса "море-земля (побережье)". Ракета класса "море-земля (при- брежная зона)" предназначена для запуска с кораблей по наземным целям.

Противотанковые ракеты. Противотанковая ракета предназначена главным образом для поражения тяжёлобронированных танков и другой бронетехники.
Противотанковые ракеты могут запускаться с самолётов, вертолётов, танков, а также с устанавливаемых на плечо пусковых установок.
По дальности полёта баллистические ракеты разделяют на:

ракеты ближнего радиуса действия;

ракеты среднего радиуса действия;

баллистические ракеты средней дальности;

межконтинентальные баллистические ракеты.
В международных соглашениях с 1987 года применяется другая классификация ракет по дальности полета, хотя никакой общепринятой стандартной классифика- ции ракет по дальности нет. Различные государства и неправительственные экс- перты применяют разные классификации дальностей ракет. Так в договоре о лик- видации ракет средней и малой дальности принята следующая классификация:

баллистические ракеты малой дальности (от 500 до 1000 километров);

баллистические ракеты средней дальности (от 1000 до 5500 километров);

межконтинентальные баллистические ракеты (свыше 5500 километров).
Тип и конструкция летательных аппаратов ракетного типа обусловлены

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
12
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР
условиями эксплуатации и спецификой выполняемой задачи. Наиболее часто современные управляемы ракеты имеют цилиндрический корпус и овальную или коническую носовую часть. В носовой части размещается обычно аппаратура самонаведения. Форма хвостовой части меньше сказывается на лобовом сопротивлении, поэтому выполняется в виде цилиндра того же диаметра, что и основная часть. В хвостовой части размещается сопло реактивного двигателя и аппаратура для радиоприема команд телеуправления. Основными геометрическими характеристиками корпуса является длина, диаметр и площадь миделя (наибольшая площадь поперечного сечения)
Корпус современных ракет, как правило, состоит из 4-х отсеков (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема компоновки зенитной управляемой ракеты.
Отсек №1 – носовая часть ракеты. В нем, как правило, размещается антенная система головки самонаведения (ГСН) или бортового радиопеленгатора (БРП). От- сек №2 – аппаратный отсек. В этом отсеке размещена бортовая аппаратура управ- ления полетом, автопилот и боевое снаряжение ЗУР.
Отсек №3 – отсек, в котором размещен двигатель ракеты.
Отсек №4 – отсек управления. В отсеке располагаются задняя часть двигателя и сопло с газовыми рулями. На корпусе отсека установлены четыре аэродинамиче- ских руля-элерона. В отсек также входит механизм управления воздушными и га- зовыми рулями.
Аэродинамические поверхности размещаются на корпусе планера и служат для создания подъемной и управляющих сил в полете на атмосферном участке, а также для стабилизации полета ЗУР. К ним относятся:

крылья (неподвижные аэродинамические поверхности);

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
13
24.05.06.2019.356.00
ПЗ ВКР

аэродинамические рули (подвижные аэродинамические поверхности)
Крылья служат для создания подъемной силы и стабилизации зенитной ракеты в полете (поэтому их иногда называют стабилизаторами). Аэродинамические рули предназначены для управления ЗУР в полете. Свои функции они выполняют при поворотах относительно продольной оси ЗУР на определенный угол.
При полете с малой скоростью, которая бывает в начале полета, а также при по- лете на больших высотах, где плотность атмосферного воздуха незначительна, аэродинамическое управление дополняется газодинамическим, как правило, за счет применения газовых рулей. В этом случае газовые рули устанавливаются в потоке струи, истекающей из сопла ракетного двигателя. При отклонении этих рулей со- здается усилие, которое передается на корпус ракеты.
Остановимся подробнее на системе управления летательного аппарата.