Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. Szolnok, 2012 Szabolcsi Róbert1
AUTOMATIKUS REPÜLÉSSZABÁLYOZÓ RENDSZEREK HARDVER ÉS SZOFTVER ELEMEINEK KONCEPCIONÁLIS–, ÉS ELŐZETES TERVEZÉSE2 A szerző célja összefoglalni a katonai-, és a polgári repülésben is használt automatikus repülésszabályozó rendszerek hardver és szoftver eszközei koncepcionális, és előzetes tervezésére vonatkozó elméleti, és gyakorlati ismereteket. A polgári repülésben a fő törekvés a balesetek számának, és intenzitásának csökkentése, és ezáltal a repülés biztonságának növelése. A katonai repülésben, hasonló követelmények mentén halad előre az automatikus repülésszabályozó rendszerek tervezése. A cikk nagyban segíti az UAV automatikus repülésszabályozó rendszereinek tervezését, hiszen e légi jármű típusra még ma sincsenek sem egységes légi alkalmassági követelmények, sem pedig olyan követelményrendszer, amely segítségével a fedélzeti robotpilóta tervezhető. CONCEPTUAL AND PRELIMINARY DESIGN OF THE HW/SW ELEMENTS OF THE AUTOMATIC FLIGHT CONTROL SYSTEMS The article deals with conceptual and preliminary design of the automatic flight control systems’ hardware and software elements. In civil aviation there is a main stream to achieve a flight control system available to reduce number of accidents and is available to reduce its rate, i.e. this procedure is able to increase flight safety. Dealing with military aviation there are the same main trends that can be observed in civil aviation. The theoretical and practical knowledge shown here can be applied for design of UAV autopilots because still there is accepted flying and handling qualities for this class of aircraft.
I. BEVEZETÉS A modern polgári-, és a katonai repülésben a fedélzeti automatikus repülésszabályozó rendszerek alkalmazása mára már evidencia, a szükségességük nem szorul külön magyarázatra. Az informatika, és az IT-technológia elterjedésével a repülésszabályozó rendszerek is lényeges mértékben változtak meg az utóbbi néhány évben. A rendszerek tervezése, előzetes vizsgálata, verifikációja, és validálása is más módon történik, mint korábban [1]. A klasszikus repülésszabályozás közel százéves múltra tekint vissza. Az első irányszög stabilizáló rendszerek az LZ-127 léghajón már a klasszikus szabályozástechnika elméletére épültek, és pólus-áthelyezést valósítottak meg. Ez a tervezési módszer az 1960-as évekig szinte egyeduralkodó volt. A szabályozótervezési stratégia arra épült, hogy a szabályozó a felnyitott rendszer (légi jármű) pólusait a zárt szabályozás révén a robotpilóta úgy vigye át a komplex sík baloldali felén, hogy a stabilitás mellett a minőségi jellemzők (pl. csillapítási tényező, fá-
1
okl. mk. ezredes, prof. dr., egyetemi tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék,
[email protected] 2 Lektorálta: Prof. Dr. Makkay Imre ny. mk. ezds., egyetemi tanár, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék,
[email protected]
171
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. zistartalék, erősítési tartalék, tranziens idő, csúcsidő, túlszabályozás stb.) is megfelelőek legyenek. Mindezek mellett lényeges feltétel volt, hogy az utasok komfortérzete kielégüljön, a repülés ne jelentsen többletterhelést más közlekedési eszközökhöz képest. A másik lényeges követelményrendszer, ami egyben a klasszikus automatikus repülésszabályozás feladata is, a hajózó személyzet megfelelő munkakörülményeinek kialakítása, valamint a hajózó személyzet leterheltségének csökkentése [2][3][4][5][6]. A 60-as évektől folyamatosan kerültek előtérbe a modern szabályozástechnika elméleti fejezetei, mint például az állapottér módszer, optimális rendszerek, mintavételes/digitális rendszerek, nemlineáris rendszerek. A többváltozós szabályozások közelebb vitték a rendszermodellt a valós rendszerdinamikákhoz. A nemlineáritások figyelembe vétele lényeges mértékben csökkentette a rendszermodellek hibáit. A mintavételes/digitális rendszerekben megjelentek az első hibrid-, és digitális eszközök. A fedélzeti számítógépek rohamos ütemű elterjedése azt eredményezte, hogy a 80-as évek végén a katonai repülésben már alkalmazták a 3D-s térinformatikai rendszereket a repülési pálya megtervezéséhez, és más optikai adattárakat alkalmaztak. Az optimumra való törekvések szintén új alapokra helyezték a szabályozástechnikát. A minimum-, a maximum, és a szélsőértékek fogalma megjelent, majd mélyen beágyazódott a gondolkodásba. Számos módszert dolgozott ki az irányításelmélet, amelyek segítették az optimális szabályozó tervezését. Ezek az LQR, az LGQ, az LQG/LTR módszerek [7][8]. A mindenáron optimális megoldásokra törekvő algoritmusokat az idő előre haladtával felváltották a robusztus, és a funkcionálisan stabilis rendszerek.
II. SZAKIRODALOM ÁTTEKINTÉSE A modern katonai és polgári légi járművek koncepcionális, és előzetes tervezésével az [1][10] irodalmak foglalkoznak. A repülésszabályozó rendszerekkel szemben támasztott komplex kritérium-rendszereket a [2][3][4][5][6] irodalmak mutatják be. A repülésszabályozó rendszerek előzetes, számítógéppel támogatott, optimális algoritmusú tervezését a [6][7][8][10] irodalmak foglalják össze. A pilóta nélküli légi járművek alkalmazásának sajátosságait a szerző [14][15][16] munkái foglalják össze. Az UAVk szabályozóinak LQ-alapú tervezését a [11][12] irodalmak foglalják össze, és a [13] cikk bemutatja a repülésbiztonság alapkövét jelentő redundancia alkalmazását az UAV fedélzeti rendszerekben. A [9] irodalom részletesen bemutatja a B-747 fedélzeti repülésszabályozó rendszer identifikált modelljeit, a szabályozótervezés lépéseit, és tapasztalatait.
III. AZ AIRBUS REPÜLŐGÉP CSALÁD FLY – by – WIRE RENDSZERE ÉS FONTOSABB JELLEMZŐI Az A320 (Airbus) repülőgép 1987-ben hajtotta végre az első repülését. Az azóta eltett időszakban számos típus került a kereskedelmi forgalomba. Az Airbus-család fedélzeti automatikus repülésszabályozó rendszere a kezdeti időszaktól a mai napig az alábbi képességekkel bír [1]: 1. Földi üzemmód. A földi gurulások esetén az orrfutó szögkitérése a sebesség függvényében változik. 2. Felszálló üzemmód. Megfelelő minőségű átmenetet biztosít a földi üzemmód és a repülési üzemmódok között.
172
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. 3. Repülési üzemmód. A klasszikus-, és a modern aktív repülésszabályozási feladatok az alábbi feladatkörökkel egészülnek ki: bólintási szög értékének korlátozása; terhelési többszörös korlátozás; állásszög korlátozás; repülési sebesség korlátozás; orsózó szögsebesség korlátozása; bedöntési szög korlátozása; legyező szögsebesség korlátozása; a repülőgéptörzs első elasztikus felharmonikusának csillapítása, ami az első lépés volt az aktív repülésszabályozása GLA funkciójának adaptálására, amit az 50’es években a B-52 repülőgépen már teszteltek. 4. Leszállás (flare) üzemmód. A leszállás segítésére kialakított üzemmód. A klasszikus robotpilóta üzemmódok az alábbiak: 5. a repülőgép test-koordináta rendszere tengelyei körül a forgó mozgás minőségi jellemzőinek javítása; 6. az Euler-szögek (bedöntés, bólintás, irány) állandó értéken tartása, vagy az előre definiált értéküknek a követése; 7. repülési pálya paramétereinek (magasság, sebesség, irány, távolság, gyorsulás) tartása, vagy követése; 8. kivezetés vízszintes repülési helyzetbe; 9. korlátozások magvalósítása. A Airbus repülőgép-család néhány reprezentatív típusa az 1. ábrán látható.
A320
A330
A340
A380 1. ábra Airbus repülőgép típusok.
173
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
IV. A BOEING REPÜLŐGÉP CSALÁD FLY – by – WIRE RENDSZER KONCEPCIÓJA A [9] irodalom részletesen mutatja be a B-747 repülőgép hossz-, és oldalirányú irányítási csatornáját. A könyv bemutatja a B-747 repülőgép identifikált modelljeit, és elvégzi a nemirányított, erőhatásmentes repülőgép minőségi jellemzőinek vizsgálatát úgy idő-, mint frekvenciatartományban. A szerző a B-747 repülőgép zárt automatikus repülésszabályozó rendszer szabályozójának tervezésére bemutatja a pólus áthelyezés módszerét, az LQR-módszert, és az LQG-módszert, amely a zérus várható értékű, Gauss-eloszlású sztochasztikus külső, és belső zajok által gerjesztett környezetben is lehetővé tette a szabályozótervezést [9]. Az [1] irodalom a B-777 repülőgép koncepcióját mutatja be. Az Airbus repülőgépekkel ellentétben, a Boeing repülőgépek megtartják a hagyományos kormányszerveket. Az automatizált repülések esetén szervo-rendszerek mozgatják a kormányszerveket, így a hajózó személyzet vizuális visszacsatolást is kap a rendszer működőképességéről. A repülésszabályozó rendszer általában háromszoros redundancia mellett működik. A három számítógépes folyamatirányítási rendszer (fő, vész, tartalék) úgy hardver, mint szoftver elemeiben tökéletesen megegyezik. A számítógépek kimeneti jelei négy analóg csatornán keresztül vezérlik a szervo-berendezések szabályozóit. Felkészülve a lehetséges teljes működésképtelenségre, a vízszintes vezérsík, és a spoilerek mechanikusan is vezérelhetőek [1]. A B-777 repülőgép az első olyan légi jármű, amely az ARINC 629 adatbusz szabványra épült. A repülőgép három ARINC adatbusz-csatornán keresztül kommunikál a repülésszabályozó rendszer központi számítógépei és a hidraulikus erősítők vezérlő egységei között [1]. A Boeing repülőgép-család néhány reprezentatív típusa a 2. ábrán látható.
B-747 B-757
B-767
B-787 2. ábra Boeing repülőgép típusok.
174
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
V. KATONAI REPÜLŐGÉPEK REPÜLÉSSZABÁLYOZÓ RENDSZEREINEK KONCEPCIONÁLIS, ÉS ELŐZETES TERVEZÉSE A katonai repülőgépek tervezésére eme módszerek alkalmazása mellett az ún. szétlövéses módszer-t alkalmazzák: egy és ugyanazon feladat megoldására több tervező irodával is szerződést kötnek, és a legjobb megoldást kínálót választják ki a tervezésre és a gyártásra. Ilyen volt az YF–22 és az aYF–23 repülőgépek versengése, amely az F–22 Raptor repülőgép győzelmével, majd gyártásával és rendszerbe állításával fejeződött be. Hasonlóképpen, a JSF (Joint Strike Fighter) repülőgép gyártásáért a Lockheed Martin, és a Boeing/McDonnel Douglas cégek is harcba szálltak, amely mintegy 3000 db repülőgép legyártását jelenti [1][10]. Az automatikus repülésszabályozó rendszer vezérlési törvényeinek tervezése sokrétű feladatot jelent. Az [1][10] irodalmak a modern repülésszabályozó rendszerek tervezésére a V–modell, és az annak részét képező Mini V–Modell módszert alkalmazza (3. ábra). A V-modell baloldali lába az analitikus lépéseket, míg a baloldali lába a tervezési lépéseket foglalja össze. A légi jármű definiálása után (1) következik a rendszer specifikációk megadása (2), majd a rendszer egyes elemeinek specifikáció megadása következik. Ezt követi az egyes berendezések specifikáció definiálása (4), majd az automatikus repülésszabályozó rendszer szoftver (5a), és hardver elemei specifikációinak megadása (5b). A (6-7) pontok a gyártás, és a kódra fordítás lépéseit jelölik, értelemszerűen.
3. ábra A V-modell és Mini-V modell.
175
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. 1 – Légi jármű specifikáció; 2 - Rendszer specifikáció; 3 - Berendezés specifikáció; 4 - Berendezés elemek specifikációja; 5a – Szoftver elemek specifikációja; 5b – Hardver elemek specifikációja; (6-7) – Gyártás és kódra fordítás; 8 – Elem; 9 – Berendezés; 10 – Rendszer; 11 – Légii jármű. Rg. def.: repülőgép definiálása; AP. def.: Robotpilóta definiálása; AP: szim.: Robotpilóta szimulációja; Rg. szim.: repülőgép szimulációja. Ver.: Verifikáció; Val.: Validálás.
A jobboldali lábon felfelé az elem (8), a berendezés (9), a rendszer (10) gyártásra kerül, majd beépítik a repülőgépbe (11) [1][10]. A Mini V–Modell az automatikus repülésszabályozó rendszer szoftver környezetének kialakítását jelenti. A baloldali lábán első lépés a repülőgép matematikai modelljének megadása (Rg. Def.), a repülésszabályozó rendszerrel szemben támasztott követelmények megadása (AP def.). A szoftverek kódra fordítása után a jobboldali lábon felfelé megtörténik a megtervezett szoftverrendszer szimulációja (AP szim.), majd a fedélzetre telepítés után a légi jármű szimulációja (Rg. szim.). A tervezés elvi sémája aq polgári alkalmazásoknál ugyanaz, mint a katonai légi járműveken. A 4. ábra a modern repülőgépek repülésszabályozó rendszerei vezérlési törvényeinek, szoftveres környezetének tervezési folyamatát mutatja be [1][10].
176
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI.
4. ábra Az automatikus repülésszabályozó rendszer vezérlési törvényeinek tervezési folyamata.
A 4. ábrán négy fontosabb fázist, más néven hurkot figyelhetünk meg, amelyek az alábbiak: 1. hurok (off-line design) [1][10]: A repülésszabályozó rendszer szabályozójának off-line (előzetes) tervezése. A szabályozó tervezését, stabilitásvizsgálatát, a minőségi jellemzőinek vizsgálatát lineáris modellek segítségével, digitális számítógépek segítségével végezzük el. Miután a rendszer hatásvázlatát, és a vezérlési törvény struktúráját lefektettük, a következő lépésben az erősítések, a szűrők és a nemlineáris függvények meghatározását, és leképezését kell végrehajtanunk. E feladatkör megoldását számos számítógépes programcsomag támogatja. 2. hurok (pilot-in-the-loop simulation) [1][10]: Az előzetesen megtervezett, és földi szimulátorokon telepített algoritmusokat a repülőgép177
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. vezetők földi szimulátorokon tesztelik. Ha az előzetesen javasolt szabályozó megfelel az előírt szimulációs követelményeknek, akkor a folytatódik a rendszer tesztelése. Ha az előzetesen megtervezett szabályozó nem elégíti ki a teszt-repülés minőségi követelményeit, akkor visszalépünk a tervezés kezdeti fázisába: új szabályozó struktúrát és új paramétereket alkalmazunk. 3. hurok („Iron Bird” – „vasmadár” teszt) [1][10]: A megfelelő struktúrájú, és megfelelő módon paraméterezett szabályozót a gyakorlatban is megépítik, és tesztelik, hogyan sikerült integrálni az automatikus repülésszabályozó rendszer más hardver elemeivel. Az automatikus repülésszabályozó rendszert a földön, valós körülmények között működő próbapadra („Iron Bird”) telepítik. Ha a szabályozó nem integrálható, akkor újra visszalépünk a tervezés első lépésére: új szabályozó struktúrát és új paramétereket alkalmazunk. 4. hurok (repülési teszt) [1][10]: A repülésszabályozó rendszer vezérlési törvényeinek repülési próbája tesztrepülések során. Ekkor meggyőződünk arról, hogy a szabályozó eleget tesz-e a megrendelő által megfogalmazott elvárásoknak, és a légi alkalmassági vizsgálatoknak. Ha a repülőgép tesztrepülése során a vezérlési törvények biztosítják az előírt minőségi–, és légi alkalmassági követelmények teljesülését, akkor végeredményben egy teljesen minősített és tanúsított repülőgépet kapunk, amelynek automatikus repülésszabályozó rendszere az előírt követelményeket teljesítő vezérlési törvényekkel rendelkezik. Ha a tesztrepülések eredménye nem megfelelő, akkor visszalépünk a szabályozótervezés első fázisához: új szabályozó struktúrát próbálunk meghatározni, amelynek paramétereit újra meghatározzuk, és teszteljük földi körülmények között, illetve tesztrepülés során. A tervezési folyamatot mindaddig folytatjuk, amíg az elvárt végeredményre nem jutunk [2][3][4][5][6][10]. A fent bemutatott eljárás alkalmazható úgy a személyzettel repülő légi járművekre, mint a személyzet nélkül repülő légi járművekre. Nyilvánvaló, hogy az ember által vezetett légi járművekre megállapított minőségi (irányíthatóság, kormányozhatóság, stabilitás, minőségi követelmények, redundancia stb.) jóval szigorúbb feltételrendszert határoz meg, mint az indokolt lenne az UAV esetén. Mivel azonban az UAV-ra jelenleg még nem léteznek egységes minőségi követelmény-rendszerek, ezért akár lehetséges a rendelkezésre álló szigorúbb követelményrendszer használata is.
VI. EREDMÉNYEK, DISZKUSSZIÓ, ÖSSZEFOGLALÁS A cikkben a szerző bemutatta az automatikus repülésszabályozó rendszerek tervezése során jól használható elvi sémát, melynek segítségével a szoftveres környezet megtervezhető. A gyakorlatban alkalmazott módszerek a pólus áthelyezés, az LQR-módszer (Linear Quadratic Regulator), az LQG-módszer (Linear Quadratic Gaussian), az LQG/LTR (hurokátvitel viszszaállításos LQG). E szabályozótervezési módszerek jól algoritmizáltak, és a rendelkezésre álló, identifikált „merev” rendszermodellekre, a súlyozási kérdések megoldása után már jól használhatóak. A fent bemutatott, alapvetően a személyzet által vezetett légi járművek repülésszabályozó rendszere tervezésére alkalmazható módszer kiterjeszthető a pilóta nélküli légi járművek automatikus repülésszabályozó rendszerei vezérlő algoritmusai tervezésére is. 178
Szolnoki Tudományos Közlemények XVI. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] PRATT R. W. (Ed.): Flight Control Systems. Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 184. Copublished by The American Institute of Aeronautics and Astronautics and The Institution of Electrical Engineers, Michael Faraday House, ISBN 1-56347-404-2, 2000. [2] USAF MIL-F-8785C, Flying Qualities of Piloted Airplanes. Military Specifications, 1980. [3] USAF MIL-F-9490D, Notice 1, Flight Control Systems – Design, Installation, and Test of Piloted Aircraft, General Specification, 1992. [4] USAF MIL-C-18244A, Amendment 1, Control and Stabilization System: Automatic, Piloted Aircraft, General Specification, 1993. [5] USAF MIL-STD-1797A, Notice 3, Flying Qualities of Piloted Aircraft, Department of Defense, Interface Standard, 2004. [6] SZABOLCSI Róbert: Modern automatikus repülésszabályozó rendszerek, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, egyetemi tankönyv, ISBN 978-963-7060-32-8, 2011. [7] SZABOLCSI Róbert: Modern szabályozástechnika, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, egyetemi jegyzet, 2004. [8] SZABOLCSI Róbert: Korszerű szabályozási rendszerek számítógéppel támogatott tervezése, Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem, egyetemi tankönyv, ISBN 978-615-5057-26-7, 2011. [9] BRYSON, A. E. Jr.: Control of Spacecraft and Aircraft, Princeton University Press, Princeton, New Jersey, 1994. [10] SZABOLCSI Róbert: Modern légijárművek repülésszimulációja, Szolnoki Tudományos Közlemények IX., Szolnok, 2005, ISSN 1419-256X. [11] BÉKÉSI Bertold, SZEGEDI Péter: Preliminary Design of Controller of Longitudinal Motion of the Unmanned Aerial Vehicle Using LQR Design Method. In: Proceedings of the 10th International Conference: Transport Means 2006. Kaunas: 2006. pp. 324-327. (ISBN:ISSN 1822-296 X) [12] BÉKÉSI Bertold, SZEGEDI Péter: Analysis of the Basic Signal Tracking Possibilities of an Altitude Stabilizing System. In: Proceedings of the 12th International Conference: Transport Means 2008 Kaunas: 2008. pp. 103-106. (ISBN:ISSN 1822-296 X) [13] BÉKÉSI Bertold, WÜHRL Tibor: Redundancy for micro UAVs – control and energy system redundancy In: Jiří Stodola; Jiří Šťastný David Vališ (szerk.) Deterioration, Dependability, Diagnostics 2012. Brno: University of Defence. 2012. pp. 123-130. (ISBN:978-80-7231-886-5) [14] SZABOLCSI Róbert: Worst Case Flight Scenario for Unmanned Aerial Vehicles in 3D-Missions, Proceedings of the 12th Mini on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies, ISBN:978-963-313-058-2, pp. 351-361., 8-10 November 2010, Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Hungary. [15] SZABOLCSI Róbert: Conceptual Design of the Unmanned Aerial Vehicle for the Police Applications, CDROM Proceedings of the 12th International Conference "Scientific research and Education in the Air Force" AFASES 2010, ISBN 978-973-8415-76-8, p 4, 27-29 May 2010. Brasov, Romania. [16] SZABOLCSI Róbert: Conceptual Design of the Unmanned Aerial Vehicle for the Firefighter Applications, CD-ROM Proceedings of the 12th International Conference "Scientific research and Education in the Air Force" AFASES 2010, ISBN 978-973-8415-76-8, p 4, 27-29 May 2010. Brasov, Romania.
179
