SYSTEM LOT JAKO LATAJĄCE LABORATORIUM

Transkrypt

1 Dariusz NOWAK, Tomasz ROGALSKI, Łukasz WAŁEK SYSTEM LOT JAKO LATAJĄCE LABORATORIUM Streszczenie W artykule przedstawiono możliwość wykorzystania systemu opcjonalnie bezzałogowego przeznaczonego do obserwacji terenu z powietrza jako narzędzia wspomagającego prowadzenie badań i realizację procesu dydaktycznego na kierunku studiów o specjalizacji lotniczej. Zaprezentowano elementy systemu, jego strukturę oraz zasadę działania. Opisano proces dydaktyczny z wykorzystaniem latającego obserwatora terenu (LOT) oraz przedstawiono przykładowe wyniki otrzymane podczas prób w locie realizowanych w trakcie zajęć przez studentów. WSTĘP Latające laboratoria coraz częściej stają się wyposażeniem instytucji naukowych i edukacyjnych specjalizujących się w dziedzinie lotnictwa. Stanowią przydatne, a niejednokrotnie niezbędne narzędzie w procesie dydaktycznym i w realizacji badań naukowych. Latające laboratoria tworzone są zarówno na bazie dużych samolotów załogowych, samolotów ultralekkich, jak i małych samolotów bezzałogowych. Są to statki powietrzne wyposażone w specjalistyczny sprzęt pokładowy służący do wykonywania pomiarów, rejestracji danych, diagnostyki i realizacji procesu sterowania. W niniejszej pracy opisano jedno z latających laboratoriów wykorzystywanych w Katedrze Awioniki i Sterowania Politechniki Rzeszowskiej w procesie dydaktycznym oraz jako obiekt wspomagający realizację badań w locie. Przedstawiono strukturę i zasadę działania systemu, proces prowadzenia badań podczas realizacji zajęć dydaktycznych oraz przykładowe wyniki prób w locie. 1. SYSTEM LOT System LOT został zaprojektowany i zbudowany przez zespół z Katedry Awioniki i Sterowania na Politechnice Rzeszowskiej w trakcie realizacji projektu badawczego. Przeznaczony jest do prowadzenia obserwacji z pokładu samolotu, który może być sterowany ręcznie przez pilota lub prowadzony automatycznie przez pokładowy system nawigacji i sterowania, współpracujący z naziemną stacją kontroli lotu. System zabudowany został na pokładzie samolotu MP-02A, który jest modyfikacją ultralekkiego samolotu MP-02 Czajka. Podstawowe funkcje systemu: a) Automatyczny start samolotu, b) Lot obserwacyjny według zaplanowanej misji, c) Automatyczne lądowanie, d) Współpraca z operatorem naziemnej stacji kontroli lotu. Egzemplarz samolotu MP-02A został zmodyfikowany zgodnie z wymaganiami kategorii "Specjalny". Samolot jest wykorzystany do testowania eksperymentalnego wyposażenia pokładowego, praw sterowania, algorytmów diagnostycznych i nawigacyjnych oraz systemów transmisji danych. Loty testowe wykonywane są przez doświadczonych pilotów według szczegółowych planów uwzględniających zakres badań i właściwości systemów pokładowych. System LOT jest również przydatnym narzędziem podczas realizacji zajęć dydaktycznych. Rys. 1. Samolot MP-02A "Czajka" - latająca część systemu LOT Rys. 2. Stacja naziemna zainstalowana na pokładzie samochodu terenowego Honker - naziemna część systemu LOT System podzielony jest na trzy moduły funkcjonalne: a) Moduł nawigacji i sterowania (MNS), b) Moduł obserwacyjny (MOB), c) Moduł transmisji danych i obrazu (MTR). Każdy moduł funkcyjny zrealizowany jest jako pewien zestaw modułów składowych. Wszystkie moduły pomiędzy sobą połączone są magistralami transmisji danych, większość magistralą CAN, niektóre łączem RS-232. Część modułów zasilana jest z magistrali CAN, moduły pobierające większą moc mają oddzielne linie zasilające. Moduł obserwacyjny oraz moduł transmisji danych i obrazu nie mają bezpośredniego wpływu na właściwości pilotażowe i osiągi samolotu. Moduł nawigacji i sterowania stanowi autonomiczny układ automatycznego sterowania samolotem. System sterowania ingeruje w fabryczne rozwiązania samolotu MP-02 "Czajka" w ograniczonym stopniu, co umożliwia pilotowi zachowanie kontroli nad samolotem, niezależnie od działania systemu. Zabudowane na pokładzie samolotu urządzenia nie ograniczają możliwości ręcznego sterowa /2015

2 nia samolotem przez pilota. Poszczególne moduły funkcjonalne systemu mogą być stosowane niezależnie, w dowolnej kombinacji. Procesory komunikują się ze sobą i z pozostałymi elementami systemu za pomocą magistrali CAN wykorzystując protokół komunikacyjny CANaerospace. 2. ZAJĘCIA DYDAKTYCZNE System LOT jest bardzo przydatnym narzędziem podczas realizacji zajęć dydaktycznych dla studentów odbywających studia na specjalności awionika na kierunku lotnictwo i kosmonautyka. Studenci mają możliwość zdobycia wiedzy i umiejętności praktycznych z takich dziedzin jak: wyposażenie pokładowe samolotu, pokładowe systemy sterowania, instalacje pokładowe, przyrządy pokładowe, lotnicze układy pomiarowe, technika symulacji lotu, badania w locie. System umożliwia prowadzenie zajęć dydaktycznych dla grupy laboratoryjnej składającej się z piętnastu osób. Grupa podzielona jest na pięć podgrup. W każdej grupie znajduje się po trzy osoby. Zajęcia prowadzone są przez dwóch prowadzących, jedna z nich jest pilotem samolotu a druga nadzoruje naziemną część systemu. W trakcie zajęć prowadzący pilot wykonuje pięć lotów badawczych według wcześniej przygotowanego przez studentów i zatwierdzonego przez prowadzącego programu prób w locie. Każdy lot realizowany jest dla osobnej podgrupy. Jedna z osób biorących udział w zajęciach przebywa na pokładzie samolotu obsługując pokładowy system rejestracji danych oparty na komputerze klasy PC, natomiast dwie pozostałe osoby z danej podgrupy obsługują naziemną stację kontroli lotu obserwując parametry lotu i położenie statku powietrznego. Komputery wchodzące w skład systemu LOT wyposażone są również w dedykowane oprogramowanie umożliwiające wizualizację i analizę danych zarejestrowanych podczas badań w locie. Oprogramowanie to jest udostępniane studentom jako narzędzie pomocnicze ułatwiające przygotowanie sprawozdania z odbytych zajęć. Rys. 3. Struktura pokładowej części systemu LOT Głównym elementem pokładowej części systemu LOT jest komputer sterujący oparty na architekturze wieloprocesorowej, która może pracować pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego. Działanie systemu polega na wspólnej, równoległej pracy trzech procesorów z których każdy odpowiada za realizację poszczególnych zadań: a) obliczanie i estymację parametrów lotu b) wykonywanie algorytmów sterowania c) diagnostykę systemu. 3. BADANIA W LOCIE Celem przeprowadzonych lotów testowych było określenie wybranych charakterystyk osiągowych samolotu MP-02A,,Czajka. Zdecydowano się poddać analizie długości startu i lądowania w różnych konfiguracjach, prędkość minimalną lotu w zależności od położenia klap skrzydłowych oraz wznoszenie dla wybranych prędkości lotu. Loty testowe zostały wykonane z lotniska Rzeszów- Jasionka EPRJ i odbywały się wewnątrz przestrzeni kontrolowanej lotniska komunikacyjnego Rzeszów- Jasionka EPRZ. Przebieg badań był następujący: a) seria lotów próbnych mająca na celu sprawdzenie działania układów pomiarowych i rejestrowania potrzebnych pa- Rys. 4. System LOT w trakcie badań w locie 12/

3 rametrów lotu oraz zaznajomienia się z pilotażem samolotu; b) loty, w trakcie których zostało wykonanych 8 kręgów nadlotniskowych, zebrano dane, które pozwoliły na określenie długości startu i lądowania samolotu w różnych konfiguracjach na powierzchni utwardzonej; c) loty, w trakcie których wykonano 8 kolejnych kręgów nadlotniskowych i zebrano dane, które pozwoliły na oszacowanie potrzebnej długości startu i lądowania samolotu w różnych konfiguracjach na powierzchni trawiastej; d) loty polegające na wykonaniu 4 kręgów,,uzupełniających, po dwa z pasa betonowego i trawiastego, mających na celu uzupełnienie danych, których nie udało się zarejestrować w lotach poprzednich; e) lot do strefy, w czasie którego badano prędkość minimalną samolotu w różnych konfiguracjach oraz prędkości wznoszenia Vx i Vy 4. OTRZYMANE WYNIKI System LOT do tej pory był wykorzystany przy realizacji szeregu prac dyplomowych. Analizie poddawane były w zależności od potrzeb całe loty oraz ich wybrane fragmenty. Zamieszczone w niniejszym rozdziale rysunki pokazują przebieg wartości charakterystycznych parametrów lotu dla fazy startu lądowania i przelotu samolotu. Przedstawione dane zostały zebrane podczas realizacji prac dyplomowych [1]. Rys. 7. Przebieg pomiaru wysokości nad poziomem gruntu za pomocą wysokościomierza laserowego w trakcie startu Rys. 8. Przebieg pomiaru wysokości nad poziomem gruntu za pomocą wysokościomierza laserowego w trakcie fazy lądowania Rys. 5. Przebieg przyspieszenia normalnego w trakcie rozbiegu i oderwania Rys. 6. Przebieg pomiaru wysokości nad poziomem gruntu za pomocą wysokościomierza radiowego w trakcie rozbiegu i oderwania Rys. 9. Przebieg prędkości kątowej przechylania w trakcie przyziemienia /2015

4 Rys. 10. Przebieg prędkości lotu IAS w trakcie wybranego fragmentu lotu 02 "Czajka", promotor: dr hab. inż. Tomasz Rogalski, Rzeszów Tomczyk A.: The Flying Laboratory for Aeronautics Students' Education. Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, vol, 82, No 5, , Gruszecki J., Tomczyk A.: Kształcenie cywilnych specjalistów lotniczych w Politechnice Rzeszowskiej. Szkolenie lotnicze wyzwania i zagrożenia, Dęblin, Tomczyk A.: Reaction Shaping of the Unmanned Aerial Vehicle on the Operator Remote Steering Signals. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej Nr 288, Mechanika z. 85, 4/2013, s Nowak Dariusz, "Autonomiczny system sterowania bezzałogowymi statkami latającymi", Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej 288, Mechanika 85, październik-grudzień Samolej Sławomir, Rogalski Tomasz, Nowak Dariusz, "Problemy implementacji systemu sterowania lotem na platformę systemu operacyjnego czasu rzeczywistego VxWorks", Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej 288, Mechanika 85, październik-grudzień Nowak Dariusz, Kopecki Grzegorz, Orkisz Marek, Rogalski Tomasz, Rzucidło Paweł, "The Selected Innovative Solutions In UAV Control Systems Technologies. Innovative Control Systems for Tracked Vehicle Platforms. Studies in Computational Intelligence." Springer Nowak Dariusz, Kopecki Grzegorz, Żugaj Marcin, "Wstępne wyniki prób w locie samolotu bezzałogowego", Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Mechanika w Lotnictwie, ML-XVI 2014, TOM I, pod redakcją Krzysztofa Sibilskiego, Warszawa Nowak Dariusz, Rogalski Tomasz, "Możliwości wykorzystania bezzałogowych statków powietrznych w polskiej przestrzeni powietrznej", Czasopismo Logistyka, Nr 6/ Nowak Dariusz, Rogalski Tomasz, Szczerba Piotr, "Autonomous takeof and landing system designed for unmanned aerial vehicles: computer simulations", Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Oficerskiej Sił Powietrznych Nr 1/2015 (24), str , Dęblin Rys. 11. Przebieg prędkości wznoszenia w trakcie wybranego fragmentu lotu PODSUMOWANIE Praktyczne przygotowanie przyszłych inżynierów lotnictwa jest bardzo ważnym aspektem w procesie kształcenia. Aby osiągnąć jak najlepszą jakość kształcenia praktycznego, niezbędnym jest stosowanie w procesie dydaktycznym odpowiednich narzędzi. W trakcie pracy dydaktycznej w Katedrze Awioniki i Sterowania system LOT okazał się bardzo pomocny jako latające laboratorium. Studenci kierunku Lotnictwo i Kosmonautyka mieli styczność z metodami i urządzeniami podobnymi do tych jakich używa się w przemyśle lotniczym. System LOT okazał się również niezbędnym narzędziem w trakcie prowadzenia niektórych badań naukowych, wymagających przeprowadzenia badań w locie. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy BIBLIOGRAFIA 1. Nowak Tomasz, Inżynierska praca dyplomowa pod tytułem "Badanie wybranych charakterystyk osiągowych samolotu MP- LOT SYSTEM AS AFLYING LABORATORY Abstract The paper presents the usage of an Optionally Piloted System based on ultralight aircraft MP-02 "Czajka" as a tool supporting research and teaching processes. The system is very helpful for didactics process. Students get practical knowledge and skills that are necessary in their future career. The article shows a structure of the system and selected flight tests results that recorded during test flights. Autorzy: mgr inż. Dariusz Nowak Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Awioniki i Sterowania 12/

5 dr hab. inż. Tomasz Rogalski Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Awioniki i Sterowania mgr inż. Łukasz Wałek Politechnika Rzeszowska im. Ignacego Łukasiewicza, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Katedra Awioniki i Sterowania /2015