Ryszard Arendzikowski

Strona glówna > Autopilot FSC-2

English version

FCS-2 system automatycznej kontroli lotu

Opis systemu

Stabilizacja i nawigacja .

  Stabilność lotu zapewniają 3 czujniki żyroskopowe, 3 czujniki przyspieszenia oraz dwa czujniki ciśnienia służące do pomiaru wysokości oraz prędkości względem powietrza. Funkcja nawigacji może być realizowana w różny sposób w zależności od wybranego trybu pracy autopilota.

Tryb automatyczny
Jest to zasadniczy tryb pracy autopilota. W tym trybie samolot leci wzdłuż zaprogramowanej trasy wykorzystując do nawigacji dane z odbiornika GPS połączonego z autopilotem poprzez port szeregowy. Operator może zkoncentrować się na innych czynnościach jak np. obserwacja obrazu z kamery pokładowej lub aparatu fotograficznego. Operator może zmieniać trasę lotu przez zmianę  aktualnego punktu docelowego (ze zbioru wcześniej zdefiniowanych).

Tryb półautomatyczny
W tym trybie autopilot nadal stabilizuje lot płatowca natomiast w proces nawigacji włączony jest operator , który ma możliwość (i obowiązek) zdefiniowania kursu lotu. W tym trybie nadal wykorzystywany jest system GPS ale zdefiniowana przed startem trasa lotu przestaje mieć znaczenie (chyba że operator wróci do trybu automatycznego). Płatowiec leci zadanym kursem do czasu jego zmiany przez operatora. Oczywiście informacja o kursie przekazywana jest łączem radiomodemowym i łatwo sobie wyobrazić co by było gdyby łącze to zawiodło (np. na skutek wyjścia z zasięgu). Dlatego też stacja naziemna (bez ingerencji operatora) wysyła okresowo komendę z ostatnio definiowanym kursem lotu. Dwukrotne nieodebranie jej przez autopilota automatycznie przełącza go w tryb automatyczny a punktem docelowym staje się punkt startu. Oczywiście jeśli łączność radiomodemowa zostanie przywrócona można ponownie wejść w tryb półautomatyczny lub zmienić bieżący punkt docelowy.

Tryb bezwładnościowy (INS)
Tryb ten wykorzystuje elementy systemu nawigacji inercjalnej (Inertial Navigation System) i w zasadzie jest przeznaczony dla sytuacji gdy odbiornik GPS wysyła nieprawidłowe dane. Po wykryciu tego faktu autopilot oblicza kąt skrętu dla obrania kursu na punkt startu (na podstawie ostatnich prawidłowych danych), wprowadza system w tryb INS i realizuje zakręt wykorzystując odpowiednio przetworzoną informację z czujników żyroskopowych. Po wykonaniu zakrętu o obliczony kąt system utrzymuje samolot w locie prostoliniowym. W tym trybie kontroli kierunku lotu (stabilizacja lotu odbywa się podobnie jak w poprzednich trybach) szczególnego znaczenia nabiera wpływ wiatru. System FCS-1 posiada możliwość znacznej redukcji tego wpływu. Problem ten będzie omówiony niżej. Jakkolwiek opisywany tryb jest przewidziany jako ‘awaryjny’ to można go także używać w sytuacjach kiedy operator ma rozeznanie o kierunku lotu z innych źródeł niż GPS np. na podstawie obrazu z kamery pokładowej , danych z sondy magnetycznej czy bezpośredniej obserwacji płatowca. Operator może wówczas sterować kierunkiem lotu wysyłając komendę skrętu o określony kąt.

Tryb ręczny (RC)
W tym trybie całe sterowanie płatowcem spoczywa na operatorze. Operator uruchamia ten tryb przez włączenie nadajnika RC do sterowania ręcznego. Odpowiedni układ autopilota wykrywa sygnał nadajnika i jeśli jest on właściwy blokuje sygnał sterujący serwomechanizmami generowany w autopilocie a przepuszcza sygnał z odbiornika RC. Tryb ten wykorzystywany jest głównie do startu i lądowania.   Integralną częścią systemu FCS-2 jest aplikacja dla stacji naziemnej BASE stworzona dla środowiska Windows. Za jej pomocą operatorustawia w autopilocie wszystkie parametry kontroli lotu, programuje misję ( tzn. ustala położenia serwomechanizmów w kanałach dostępnych dla użytkownika po osiągnięciu określonych punktów trasy) i oczywiście definiuje wysokość i trasę lotu (w postaci zbioru punktów geograficznych). Proces programowania trasy samolotu jest maksymalnie uproszczony. Aby zdefiniować punkt trasy wystarczy kliknąć myszką w odpowiedni punkt ekranu.
Można też zdefiniować kryteria otwarcia spadochronu (wysokość i prędkość opadania). Większość parametrów może być zmieniana podczas lotu o ile w systemie wykorzystywane jest łącze radiomodemowe. Poprzez to łącze operator może zmieniać trasę lotu (przez zmianę aktualnego punktu docelowego), prędkość i wysokość lotu , zmieniać tryb pracy autopilota a także obsługiwać sprzęt pokładowy (kamera, aparat fotograficzny itp.). Tym samym kanałem przesyłane są do stacji naziemnej bieżące dane o locie takie jak prędkość , wysokość, aktualna pozycja, kurs, obroty, napięcia zasilające itp. Dane te są uaktualniane raz na sekundę.Aplikacja przetwarza je a część z nich przedstawia w sposób graficzny tj. rysuje trasę lotu , wizualizuje bieżącą wysokość oraz dane o kierunku i prędkości wiatru. Rysunek obok przedstawia fragment okna aplikacji BASE pokazujący dane o wietrze. Podczas lotu w 90 kanałach (każdy kanał reprezentuje inny kierunek lotu) gromadzone są dane o prędkości samolotu (z GPS) i na bieżąco zaznaczane na wykresie. Aby informacja była możliwie pełna jak najwięcej kanałów powinno być zapisanych tzn. trasa lotu powinna być wielokierunkowa. Jeśli samolot leci z wiatrem prędkość lotu wzrasta, w locie pod wiatr maleje. W rezultacie na wykresie (prędkości w funkcji kursu lotu) otrzymujemy sinusoidę , której amplituda będzie prędkością wiatru a kurs odpowiadający maksymalnej prędkości jego kierunkiem. Aplikacja BASE umożliwia wykorzystanie danych o wietrze przy obliczaniu poprawki kursu w locie do punktu startu w trybie INS. Niezależnie od użycia radiomodemu dane z lotu są zapisywane w pamięci autopilota i mogą być przesłane do komputera po zakończeniu lotu.

  

Autopilot zaprojektowany jest tak aby jego montaż w płatowcu był jak najprostszy a ilość połączeń kablowych z innymi elementami systemu jak najmniejsza. Celowi temu służy min. zastosowanie w autopilocie złącz umożliwiających bezpośrednie podłączenie wszystkich serwomechanizmów. Układ autopilota charakteryzuje się bardzo niskim poziomem zakłóceń elektromagnetycznych co umożliwia używanie go bez ekranującej obudowy. Zastosowanie obudowy ułatwia jednak montaż autopilota w płatowcu w sposób amortyzujący drgania (poprzez owinięcie warstwą gąbki). Standardowo obudowa wykonana jest z laminatu szklanego i może być wzmocniona kompozytem węglowym. System FCS-2 wymaga dwóch napięć zasilających ,które mogą pochodzić z oddzielnych baterii lub jednej przy wykorzystaniu odpowiedniego stabilizatora napięcia. System posiada funkcję śledzenia sygnałów w kanałach obsługujących stery płatowca. Po starcie samolotu operator może go wytrymować i w chwili przełączenia w tryb lotu automatycznego położenia sterów są zapamiętywane w pamięci autopilota i traktowane jako neutralne. Drążki nadajnika muszą być w tym momencie w pozycjach neutralnych. Autopilot posiada kilka procedur awaryjnych w tym m.in. wypuszczanie spadochronu (o ile taki jest na pokładzie samolotu) jeśli wysokość lotu lub prędkość opadania przekroczą wartości progowe. Inna procedura awaryjna jest uruchamiana w momencie osiągnięcia przez płatowiec prędkości minimalnej (względem powietrza) wpisanej do autopilota podczas programowania. Taka sytuacja może mieć miejsce na skutek zmniejszenia obrotów lub całkowitego zatrzymania się silnika. W takim przypadku samolot przestawiany jest na lot ślizgowy z zaprogramowanym opadaniem w kierunku punktu startu. Bezpieczeństwo lotu poprawia także funkcja blokująca możliwość niepowołanego przejęcia samolotu z dala od stacji bazowej poprzez włączenie nadajnika do sterowania ręcznego. Blokada może być włączona na sygnał z ziemi łączem radiomodemowym lub po oddaleniu się od stacji bazowej na odległość 1 km. System FCS-2 posiada wejście analogowe próbkowane okresowo przez przetwornik A/C. Kolejne odczyty są sumowane dając w ten sposób "całkę" mierzonego napięcia po czasie. Funkcja jest dedykowana głównie do wyznaczania ładunku pobranego przez napęd elektryczny samolotu ale może mieć także inne zastosowania (np.pomiar sygnału RSSI). Wspomniane zastosowanie wymaga użycia przetwornika prąd-napięcie.

Rysunek powyżej przedstawia przykładowy zapis pokonanej trasy w locie testowym. Jeśli po pokonaniu całej trasy i powrocie do punktu startu autopilot nie zostanie przełączony na sterowanie ręczne skieruje on samolot ponownie na trasę. W przedstawionym przykładzie przed włączeniem trybu sterowania ręcznego płatowiec pokonał trasę 3-krotnie. Początek i koniec lotu autonomicznego oznaczony jest odpowiednio napisem START i END. Odległość między najdalej oddalonymi punktami trasy wynosi ok. 850m.

Do pobrania: