Моделирование автопилота на авиасимуляторе / Хабр

Ppjoy и vspe

Для управления самолетом в симуляторах обычно используется джойстик. Для обучения управлению радиоуправляемыми самолетам также применяются соответствующие симуляторы. Для сопряжения стандартных пультов радиоуправления с симуляторами существует программа PPJOY, которая преобразует входной поток данных интерфейса RS232, созданному по определенным правилам, в сигналы управления виртуального джойстика.

Программа также содержит и драйвер, который определяется в системе как джойстик. Описание программы PPJOY можно найти в свободном доступе в интернете. Здесь можно найти программу, которая может работать с Win7. К сожалению, драйвер (64b), входящий в программу не имеет цифровой подписи и поэтому приходиться запускать систему в тестовом режиме.

Стандартный поток для PPJOY обычно формируется специальным модулем на каком-нибудь контроллере (например, PIC), который подключается к выходу “тренер” пульта ДУ, где применяется протокол PPM. В данном проекте поток в соответствие со стандартом RS232 формирует непосредственно программа автопилота.

Разработка начиналась с замыкания петли ОС через внешние физические COM — порты компьютера. При этом есть возможность использовать разные компьютеры для симулятора и автопилота, что актуально для очень слабых компьютеров. Сейчас, в связи с массовым отсутствием на компьютерах COM-портов и достаточно большой мощностью компьютеров, когда даже самые слабые компьютеры способны работать в такой системе, используется программа VSPE (Virtual Serial Port Emulator).

Программа позволяет внутри компьютера создавать пары портов, и не использовать внешние порты. Для нормальной работы программы вероятно сначала придется создать с помощью средств Windows соответствующие COM-порты, а потом уже можно их использовать в программах VSPE и PPJOY.

Автопилот

Программа автопилота написана в среде Borland C Builder 6. Поле “Приборы” (Рис.11) показывает исходные данные с датчиков, которые обновляются 20 раз в секунду. Здесь мы видим Pitch (Тангаж, градусы), который вычисляется по акселерометру в радиоуправляемом самолете, Roll (Крен, градусы), который вычисляется по продольно установленному гироскопу, измеряющему скорость разворота самолета.

Нужно тут заметить, что тангаж в симуляторе я тут беру настоящий, а не с акселерометра, хотя в настоящем самолетике тангаж я вычисляю по акселерометру, а это означает, что резкое ускорение при разгоне самолет будет “чувствовать” как добавку к положительному тангажу.

Это хорошо видно в видеофрагментах испытаний: при разгоне самолет сразу же приподнимает хвост. Это отличие от реальности. А вот крен действительно вычисляется по угловой скорости разворота самолета. Вычисленное значение крена и демонстрируется в виде условного авиагоризонта в правом нижнем углу программы. (Рис.2)

Значение тангажа показывает слайдер в центре авиагоризонта. Следующее окошечко – это воздушная скорость, значение которой обычно получают с трубки Пито, следующее окно – это курс, которые мы получаем от магнитного компаса, следующее поле – это высота. Ниже панель GPS.

Рис. 2

Checkbox GPS включает полет по маршруту, записанному в таблице. При этом поля Requested Heading, Requested Altitude и Requested Speed заполняются автоматически из структурыtypedef struct WPNT { int pid; int speed; int altitude; int heading; int latitude; int longitude; }WPNT;

В демонстрации структура содержит пример маршрута около аэропорта Los Angeles. (Рис.3)Для изменения маршрута необходимо изменить структуру и перекомпилировать проект. Если GPS выключен, то эти поля можно заполнить вручную. Активация значения в поле происходит при двойном клике мышки. Checkbox Return позволяет вернуться к точке, запомненной при нажатии кнопки Store Point.

Рис.3

WayPoint — номер точки маршрута; Distance — дистанция до следующей маршрутной точки; Calculated Time — приблизительное время достижения следующей точки (приблизительно потому что не учитывается скорость ветра), и далее — координаты GPS широта-долгота.

Параметры панели Autopilot:

Легенда: RW — change allowed, RO — only for look, RWP- change allowed partiallyKst_roll (RW) — статический коэффициент усиления петли ОС (обратной связи) по кренуKast_roll (RW) -астатический коэффициент усиления петли ОС по кренуKfar_roll (RW) — коэффициент триммирования по кренуKst_hdg (RW) — статический коэффициент усиления по удержанию курсаKаst_hdg (RW) — астатический коэффициент усиления по удержанию курсаTime (RO) — время в полете, секунды.

Requested Heading(RWP) — запрошенный курс, градусы (Вручную или из таблицы если GPS вкл)Head_Err (RO) — Ошибка по курсу, градусыRollTrim (RO) — поправка триммирования по кренуHVariation (RO) — скорость изменения курса гардус/сек.Keep_Roll (RO) — удерживаемый крен, градусыAilerons (RO) — положение элеронов самолетаRequested Altitude (RWP) — запрошенная высота, футы (Вручную или из таблицы если GPS вкл)

Alt_Err (RO) — Ошибка по высоте, футыPitchTrim (RO) — поправка триммирования по тангажуAVariation (RO) — скорость изменения высоты футов/сек.Keep_Pitch (RO) — удерживаемый тангаж (градусы)Elevator (RO) — положение руля высоты самолетаKstpitch (RW) — статический коэффициент усиления петли ОС по тангажуKast pitch (RW) -астатический коэффициент усиления петли ОС по тангажуKfar_ pitch (RW) — коэффициент триммирования по тангажуKst_alt (RW) — статический коэффициент усиления по удержанию высотыKаst_alt (RW) — астатический коэффициент усиления по удержанию высотыRudder (RO) — положение руля направления самолетаRequested Speed (RWP) — запрошенная скорость, миль/час(knots)

(Вручную или из таблицы (GPS вкл))Speed_Err (RO) — ошибка по скорости(knots)SVariation (RO) — скорость изменения скорости(knots)Keep_Throttle (RO) — удерживаемая скорость(knots)Throttle(RO) — положение РУДKst_speed (RW) — статический коэффициент усиления по удержанию скоростиKast_speed (RW)- астатический коэффициент усиления по удержанию скоростиCalibrate — ChechBox включения калибровки джойстикаAP0 — CheckBox режим 0 автопилота — удержание крена = 0 и тангажа = 0AP1- CheckBox режим 1 — удержание текущей высоты и текущего курсаAP2- CheckBox режим 2 — удержание курса и высоты по таблице (GPS вкл.) или по установленным значениям (GPS откл.)AT — CheckBox — автомата тяги

Около “авиагоризонта” есть слайдеры, с их помощью можно вручную управлять самолетом в случае отключения автопилота или автомата тяги. Справа с краю есть еще три слайдера, это составляющие управления рулем высоты: (выведены для отладки)

верхний — статическая составляющая TrackAltErrсредний — астатическая составляющая TrackVarErrсредний — составляющая триммирования TrackTrim

В поле внизу выводится текущий лог:

DST — дистанция до следующей точки в футах (C-B на рис. 13)HDG — курс непосредственно на следующую маршрутную точку (С-B на рис.13)THDG — курс, с которым следует подлететь к следующей точке (А-B на рис.13)OFF — смещение от требуемой траектории в футах (расстояние от точки С до линии AB Рис.13)SP — требуемая воздушная скорость полетаALT — требуемая высота полетаWP — следующая путевая точка

Посадка

Как известно, самым сложным элементом полета является посадка. Поскольку мой автопилот предназначен для радиоуправляемой модели, требования к посадке можно упростить. Здесь посадка выполняется в режиме планирования. При этом автопилоту дается задание при подлете к месту посадки (посадочный курс удерживается по GPS) удерживать скорость 0 и высоту, например, около 200 ft — немного больше чем высота полосы.

При этом автопилот удерживает самолет в правильном полетном положении, постепенно увеличивая при снижении угол атаки. Такая посадка не годится для тяжелых самолетов, для них нужно требовать не нулевую скорость, а минимальную для данной конфигурации самолета, не достигая при этом сверхкритических углов атаки.

В фильме можно увидеть посадку и также увидеть, как работают алгоритмы автопилота при триммировании и пролете по маршруту. Это в симуляторе. Посадку реального самолета можно увидеть в испытании 17.10.2023. Она произошла не штатно из-за разряда аккумулятора, но вполне красиво, т.е. так, как и задумано.

Самодельная система стабилизации самолета на базе arduino

//#define PPM_ON_THROTTLE

#define PPM_ON_THROTTLE

//#define SERIAL_SUM_PPM        PITCH,YAW,THROTTLE,ROLL,AUX1,AUX2,AUX3,AUX4,8,9,10,11 //For Graupner/Spektrum
//#define SERIAL_SUM_PPM        ROLL,PITCH,THROTTLE,YAW,AUX1,AUX2,AUX3,AUX4,8,9,10,11 //For Robe/Hitec/Futaba
//#define SERIAL_SUM_PPM        ROLL,PITCH,YAW,THROTTLE,AUX1,AUX2,AUX3,AUX4,8,9,10,11 //For Multiplex
//#define SERIAL_SUM_PPM        PITCH,ROLL,THROTTLE,YAW,AUX1,AUX2,AUX3,AUX4,8,9,10,11 //For some Hitec/Sanwa/Others

Триммирование

Как оказалось, фраза “снять усилие со штурвала” оказалась не пустым звуком. Все попытки сделать систему обратной связи по тангажу так, чтобы точно удерживать высоту, и при этом охватить весь диапазон изменений режимов полета, оказались тщетны. Либо самолет входит неустойчивый режим с колебаниями по высоте при большом усилении петли ОС, либо не точно удерживает высоту.

Кроме того, при большой скорости подъемная сила может стать настолько большой, что руль высоты не справляется (из-за недостаточного коэффициента усиления петли ОС), и самолет начинает все время набирать высоту. Либо снижается, не имея возможности выйти на большие углы атаки при маленькой скорости. Таким образом применена система триммирования руля высоты со следующим алгоритмом:

Триммирование производится значительно медленнее, чем управление автопилота 0, поэтому самовозбуждение петли обратной связи не происходит.