OPRACOWANiE SYmULATORA TRENiNgOWEgO bezzałogowego SYSTEmU POWiETRzNEgO

Transkrypt

1 PRACE instytutu LOTNiCTWA ISSN , s , Warszawa 2013 OPRACOWANiE SYmULATORA TRENiNgOWEgO bezzałogowego SYSTEmU POWiETRzNEgO PrzemySłaW BIBIk maciej zasuwa Instytut Techniki Lotniczej i Machaniki Stosowanej, Politechnika Warszawska Streszczenie W artykule przedstawiono prace prowadzone w Zakładzie Automatyki i Osprzętu Lotniczego (ZAiOL) Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej związane z opracowaniem symulatora bezzałogowego systemu powietrznego. Przedstawiony symulator jest częścią projektu mającego na celu opracowanie kompletnego systemu bezzałogowego wykorzystującego małe wiropłaty. Przedstawione zostały wymagania dla symulatora systemu bezzałogowego oraz przyjęte w projekcie założenia. Następnie przedstawiono architekturę opracowanego systemu oraz opisano poszczególne moduły symulatora. W artykule przedstawiono również zastosowane podejście do modelowania wiropłata typu quadrotor na potrzeby symulacji w czasie rzeczywistym. WPROWAdzENiE W lotnictwie załogowym od wielu lat bardzo istotną rolę spełniają symulatory lotu. Głównym powodem ich stosowania jest zmniejszenie ryzyka oraz kosztów związanych z nauką pilotażu statków powietrz - nych. Symulatory lotu budowane są w bardzo różnych konfiguracjach, a od - powiednie przepisy ściśle określają wymagania stawiane symulatorom wykorzystywanym w róż - nych etapach szkolenia lotniczego (rys. 1, 2). Rys. 1. Prosty symulator lotniczy klasy BITD Basic Instrument Training Device (Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego Politechniki Warszawskiej)

2 OPracOWaNIe SymulatOra treningowego Rys. 2. Symulator lotniczy klasy FNPT Flight and Navigation Procedure Trainer (Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego Politechniki Warszawskiej) W systemach bezzałogowych nie istnieje ryzy ko związane z naraża niem życia i zdrowia pilotów, lecz wciąż pozostaje czynnik związany z kosztami szkolenia. W tym wypadku nie są to tylko koszty eksploatacyjne, które w mniejszych klasach systemów są bardzo niskie, ale chodzi głównie o koszty ewentualnej utraty statku powietrznego przenoszącego kosztowne wyposażenie. z tego powodu symulatory są obecnie niezbędnym elementem każdego systemu bezzałogowego wykorzystywanego przez profesjonalnych użytkowników. założenia dla OPRACOWANiA SYmULATORA SYSTEmU bezzałogowego ze względu na specyfikę systemów bezzałogowych, w których sam statek powietrzny stanowi jedynie platformę, nośnik dla wyposażenia, inna jest również specyfika symulatorów opracowywanych dla nich. W tego typu symulatorach nacisk kładziony jest na kwestię nauki i treningu obsługi całego systemu, a nie tylko samej platformy latającej. W związku z tym podczas opracowywania takiego symulatora konieczne jest uwzględnienie kwestii takich jak symulacja działania przenoszonego przez platformę wyposażenia (głowice obserwacyjne, systemy radarowe itp.), współpraca pomiędzy operatorem platformy a operatorem wyposażenia czy kwestie związane z symulowaniem sytuacji awaryjnych takich, jak np. zerwanie kontaktu radiowego lub awaria wybranych podsystemów. W wielu obecnie produkowanych i użytkowanych systemach bezzałogowych wciąż istnieje możliwość przejęcia bezpośredniej kontroli przez pilota, czy to na czas startu i lądowania, czy na wypadek wystąpienia sytuacji awaryjnych. W związku z tym również symulator powinien uwzględniać taką możliwość, co z kolei związane jest z rozwojem funkcjonalności symulatora umożliwiającego prezentowanie widoku statku powietrznego "z zewnątrz". Ostateczna struktura symulatora bezzałogowego systemu powietrznego zależeć będzie od wielu czynników, spośród których najbardziej istotnymi są: klasa systemu, a co za tym idzie liczebność obsługi, rodzaj symulowanych operacji powietrznych (tylko przelot, start i lądowanie, sytuacje awaryjne, operacje miejskie), wykorzystywana infrastruktura (czy symulator ma być mobilny, czy stacjonarny), specyficzne warunki, jakie należy uwzględnić np. zawirowania powietrza w przypadku operacji miejskich lub z pokładów okrętów.

3 44 PrzemySłaW BIBIk, maciej zasuwa W ramach prezentowanego projektu rozwijany jest pojazd bezzałogowy (przez partnera) oraz jego symulator. Wiele symulatorów rozwijanych na świecie jest przeznaczonych do określonych typów pojazdów bezzałogowych i wykorzystywanych do różnych zastosowań tych konkretnych pojazdów. chociaż istnieją rozwiązania uniwersalnych systemów symulacyjnych [1], większość rozwiązań jest przeznaczona dla konkretnego zadania roli, na przykład symulacja ruchu manipulatora robota jeżdżącego [2]. Nieodłącznym elementem każdego symulatora jest moduł dynamiki obiektu ruchomego. moduł ten jest odpowiedzialny za generowanie fizycznych zależności pomiędzy pojazdem i otaczającym go środowiskiem [3]. Symulator ma być przeznaczony nie tylko do szkolenia operatorów pojazdów bezzałogowych, ale również w celu wsparcia procesu projektowania i rozwoju tych urządzeń. Wsparcie to ma być stosowane na wszystkich etapach tworzenia pojazdu. Skuteczność nowych metod i algorytmów sterowania, nawigacji może być zweryfikowana przed ich wdrożeniem. Informacje na temat walidacji modelu można znaleźć w wielu publikacjach, np. w [4]. Symulator może znaleźć zastosowanie do badania relacji człowiek-maszyna. Badania w tej dziedzinie prowadzone są przez wielu badaczy nie tylko dla symulatorów pojazdów bezzałogowych, ale także np. dla linii lotniczych [5, 6]. charakter i wymagania prezentowanego projektu pozwoliły na zdefiniowanie założeń do opracowywanego symulatora bezzałogowego systemu powietrznego. modelowany jest statek powietrzny typu wiropłat wielowirnikowy tzw. quadrotor (rys. 3), Rys. 3. Quadrotor TARKUS firmy WB Electronics symulowany jest system klasy mini, przeznaczony do operacji w terenie zurbanizowanym, również we wnętrzach budynków, symulator powinien umożliwiać wykorzystanie standardowej konsoli operatora systemu, w budowie zostanie wykorzystany sprzęt ogólnie dostępny (tzw. cots), symulator powinien współpracować z różnymi systemami wizualizacyjnymi, oprogramowanie powinno pozwolić na łączenie kilku symulatorów w sieć, wszystkie tryby i funkcje układu sterowania rzeczywistego obiektu powinny być symulowane, symulator powinien umożliwiać sterowanie przenoszoną przez platformę kamerą, ze względu na równoległe rozwijanie systemu oraz jego symulatora powinna istnieć możliwość łatwej rekonfiguracji modelu wiropłata, symulacja powinna umożliwiać zapoznanie operatorów ze specyfiką operacji w terenie zurbanizowanym.

4 OPracOWaNIe SymulatOra treningowego ARChiTEkTURA SYTEmU SYmULATORA Podstawowy schemat logiki systemu symulatora bezzałogowego wiropłata przedstawiony jest na rysunku 4. elementem podstawowym jest blok systemu informatycznego. z tym elementem komunikują się stanowiska ucznia oraz instruktora ćwiczenia. Wyjściem z systemu infor matycznego jest sygnał video przekazywany do systemu wizualizacji. za organizację oprogramowania systemu informatycznego odpowiada tzw. oprogramowanie szkieletowe. Na Rys. 4. Ogólny schemat organizacji symulatora przedstawionym schemacie zaznaczono również miejsce modelu dynamiki symulowanego obiektu w strukturze symulatora. Warstwa sprzętowa symulatora zorganizowana jest w bardzo podobny sposób. uczeń poprzez stację kierowania komunikuje się ze stanowiskiem instruktora oraz z systemem informatycznym. System informatyczny generuje informacje dla komputera sterującego wizualizacją. Schemat struktury organizacji systemu informatycznego przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Schemat struktury systemu informatycznego symulatora System informatyczny zbudowany jest w sposób modułowy [1]. takie podejście pozwala na dużą elastyczność symulatora w kontekście wykorzystywanego oprogramowania i sprzętu

5 46 PrzemySłaW BIBIk, maciej zasuwa oraz na jego łatwe rekonfigurowanie. W opracowanym symulatorze występuje pięć głównych modułów: moduł zarządzania symulacją, moduł obiektu - wiropłata, moduł instruktora, moduł panelu operatora oraz moduł wizualizacji. Wszystkie moduły komunikowane są za pomocą wspólnej przestrzeni pakietów danych. Niektóre z modułów komunikują się z elementami zewnętrznymi, część modułów posiada również w swojej strukturze podmoduły jak np. moduł wiropłata zawiera dwa podmoduły: moduł dynamiki obiektu i moduł autopilota. Moduł Zarządzanie symulacją moduł ten zarządza prowadzoną symulacją. jego podstawowym zadaniem jest obsługa pozostałych modułów, odpowiednie ich wywoływanie oraz zapewnienie działania symulatora w tzw. czasie rzeczywistym. moduł ten również komunikuje ze sobą różne symulatory w przypadku prowadzenia symulacji z użyciem kilku symulatorów. W tym przypadku w symulatorach zaiol wykorzystywany jest standardowy, międzynarodowy interfejs Hla (ang. High level architecture). W takim przypadku możliwe jest symulowanie kilku systemów bezzałogowych operujących w jednej, wspólnej przestrzeni wirtualnej. Moduł Instruktor moduł ten zajmuje się obsługą stanowiska instruktora symulowanego ćwiczenia. Instruktor za pomocą panelu graficznego (rys. 6) sprawuje kontrolę nad ćwiczeniem. W tym panelu konfiguruje się ćwiczenie ustala się warunki otoczenia (mapę terenu, warunki środowiskowe) oraz stan wiropłata (jego położenie w otoczeniu wirtualnym. Instruktor uruchamia również symulację, może ją zatrzymać oraz nagrywać, a następnie odtwarzać. W trakcie ćwiczenia instruktor na panelu graficznym obserwuje podstawowe parametry stanu wiropłata (wysokość, prędkość, orientację przestrzenną, poziom naładowania akumulatora itp.), ma również możliwość wprowadzenia zdefiniowanych i obsługiwanych przez model obiektu awarii. Rys. 6. Przykładowa panel graficzny stanowiska instruktora

6 OPracOWaNIe SymulatOra treningowego Moduł Panel operatora jednym z założeń przyjętych przy opracowywaniu opisywanego symulatora było zapewnienie możliwości podłączenia typowej konsoli operatora (rys. 7). moduł Panel operatora odpowiada za zrealizowanie tej możliwości pozwalając na podłączenie konsoli operatora do symulatora poprzez interfejs sieciowy. Rys. 7. Przykład konsoli operatora systemu bezzałogowego Obsługa symulatora przez ucznia/operatora odbywa się na takiej samej zasadzie jak obsługa rzeczywistego systemu. W wybranych stanach lotu można sterować wiropłatem w trybie półautomatycznym, wykorzystując drążki sterowe umieszczone na konsoli operatora i obserwując na ekranie zachowanie wiropłata (tryb widoku z zewnątrz), lub sterować w sposób w pełni automatyczny określając na konsoli zadania dla systemu. Sygnały sterujące przesyłane są z konsoli operatora do modułu dynamiki obiektu. Moduł Wizualizacja moduł ten odpowiedzialny jest za wyświetlanie środowiska wirtualnego. W tym celu moduł Wizualizacja odczytuje bazę danych terenu a z modułu Wiropłat otrzymuje informacje o pozycji i orientacji przestrzennej symulowanego obiektu i wyświetla widok odpowiadający tej pozycji. Wizualizacja opracowanego symulatora pozwala na pracę w dwóch trybach: widoku z zewnątrz (rys. 8) oraz prezentowania obrazu z przenoszonej kamery (tryb FPV First Person View). W najprostszym przypadku, system wizualizacji, to ekran komputera wyświetlający obraz z jednego kanału video. W przypadkach bardziej złożonych w skład systemu wizualizacji może wchodzić komputer obsługujący rzutniki pozwalające na prezentowanie wielokanałowego obrazu na jednym lub wielu ekranach.

7 48 PrzemySłaW BIBIk, maciej zasuwa Rys. 8. Przykładowy widok z ekranu wizualizacji symulatora tryb widoku z zewnątrz Moduł Wiropłat moduł ten odpowiedzialny jest za określanie stanu modelowanego obiektu. Na wejściu moduł obiektu otrzymuje zmienne sterujące pochodzące z konsoli operatora systemu oraz zmienne określające parametry środowiskowe (m.in. temperatura, prędkość i kierunek wiatru) pochodzące w panelu instruktora. Wyjściem z modułu obiektu jest są zmienne określające położenie i orientację obiektu w wirtualnej przestrzeni przekazywane do modułu wizualizacji. W opisywanym module dokonano podziału pomiędzy modelem obiektu oraz modelem układu automatycznego sterowania. Podmoduł układu automatycznego sterowania funkcjonalnie odpowiada układowi automatycznego sterowania rzeczywistego wiropłata. W zależności od wybranych przez operatora opcji zapewnia możliwość sterowania w trybie półautomatycznym lub w pełni automatycznym. Podmoduł obiektu opisuje reakcje wiropłata na zadane sterowania w określonych warunkach otoczenia. Oba te podmoduły komunikują się za pomocą określonych interfejsów, co pozwala na ich niezależną wymianę. zastosowanie takiego rozwiązania było konieczne ze względu na to, iż w prezentowanym projekcie wszystkie elementy, tj. platforma latająca, jej układ automatycznego sterowania oraz symulator, były rozwijane równolegle. ze względu na charakter projektu moduł układu automatycznego sterowania nie może być szczegółowo zaprezentowany w niniejszym referacie. elementem, który może być zaprezentowany jest przyjęta metodyka modelowania ruchu symulowanego wiropłata. W symulatorach lotu systemów bezzałogowych, ze względu na opisaną wcześniej specyfikę, dotyczącą głównie symulowania całego systemu, ruch obiektu opisuje się prostymi modelami kinematycznymi. tego typu podejście jest w pełni akceptowalne, jeśli np. symuluje się prowadzenie obserwacji z pokładu samolotu lecącego na dużej wysokości. jednak w przypadku, gdy rozważany jest lot małego wiropłata w terenie zurbanizowanym, tego typu podejście przestaje być uzasadnione. W warunkach miejskich pojawiają się bardzo specyficzne czynniki, takie jak podmuch wiatru, lub wpływ przeszkód na opływ obiektu, które wymuszają konieczność stosowania w symulacji modeli dynamicznych.

8 OPracOWaNIe SymulatOra treningowego Do zastosowania w prezentowanym symulatorze został opracowany model dynamiczny wiropłata typu quadrotor. model ten uwzględnia ruch przestrzenny bryły sztywnej pod wpływem obciążeń grawitacyjnych, bezwładnościowych i aerodynamicznych. z punktu widzenia modelowania matematycznego najtrudniejsze zadanie to wierne odwzorowanie obciążeń aerodynamicznych kadłuba i śmigieł wiropłata przy zapewnieniu działania modelu w czasie rzeczywistym. jest to zagadnienie kluczowe w technice symulatorowej i musi być uwzględniane na każdym etapie opracowywania nowego systemu symulacyjnego. W prezentowanym symulatorze, ze względu na wymóg symulacji lotów w terenie miejskim, a nawet wewnątrz budynków, szczególna uwaga została poświęcona modelowaniu obciążeń aerodynamicznych śmigieł [8]. ze względu na konieczność skrócenia czasu obliczeń dynamiki obiektu nie jest możliwe zastosowanie w symulatorze pełnego, szczegółowego modelu wiropłata z obciążeniami śmigieł obliczanymi np. metodą pasową, jak w dotychczas opracowanych w zaiol modelach [9]. aby zapewnić jednak dużą wiarygodność symulacji w opracowaniu modelu zastosowano podejście kilkuetapowe. W pierwszym etapie śmigła stosowane na rzeczywistym wiropłacie zostały przebadane w tunelu aerodynamicznym. Badanie te pozwoliły na poznanie charakterystyk obrotowych śmigieł, tj. ciągu i momentu oporowego śmigła w funkcji prędkości obrotowej. Badania te zostały przeprowadzone dla różnych prędkości opływu śmigła zarówno w opływie osiowym jak i opływie skośnym. Następnie charakterystyki te posłużyły do zwalidowania szczegółowego modelu numerycznego obciążeń śmigła. model ten uwzględnia rzeczywiste parametry geometryczne (cięciwa, skręcenie, profile aerodynamiczne) łopat śmigła oraz prędkość indukowaną obliczaną z modelu Glauert'a. Sześć składowych obciążeń śmigła (trzy siły i trzy momenty) obliczane są metodą elementu łopaty dla zadanych parametrów opływu. Walidacja modelu sprowadziła się do modyfikacji współczynników aerodynamicznych przekrojów łopat w taki sposób, aby uzyskać najlepsze dopasowanie charakterystyk doświadczalnych z charakterystykami obliczeniowymi. Następnie model numeryczny posłużył do wygenerowania tzw. map obciążeń, czyli sześciu składowych obciążeń aerodynamicznych w funkcji prędkości obrotowej śmigła, dla różnych prędkości opływu, od opływu osiowego do opływu w płaszczyźnie śmigła. charakterystyki te zapisane w pamięci symulatora są w trakcie symulacji aproksymowane dla aktualnych warunków pracy każdego śmigła. W ocenie autorów pracy, podejście takie pozwala zminimalizować czas obliczeń, pozwalając równocześnie wiarygodnie odzwierciedlać zachowanie obiektu. Indywidualne obliczanie obciążeń każdego śmigła jest istotne ze względu na możliwość lokalnego uwzględniania zmian warunków pracy quadrotora (np. podczas niskiego przelotu jednym śmigłem nad przeszkodą). POdSUmOWANiE W ramach prezentowanej pracy opracowano symulator bezzałogowego systemu powietrznego bazującego na wiropłacie typu quadrotor (rys. 9).

9 50 PrzemySłaW BIBIk, maciej zasuwa Rys. 9. Stanowisko operatora, konsola oraz system wizualizacji symulatora systemu bezzałogowego W prezentowanej wersji system informatyczny uruchomiony jest na dwóch komputerach klasy Pc. Instruktor ćwiczenia ma do dyspozycji monitory lcd, na których prezentowane są informacje o ćwiczeniu w formie panelu graficznego. ze względu na ciągły rozwój opracowywanego systemu symulatora w obecnym rozwiązaniu ekrany te służą również do nadzorowania stanu całego systemu informatycznego. Środowisko wirtualne wyświetlane jest na dwóch ekranach telewizyjnych o dużej przekątnej, pozwalając na prezentację zarówno widoku z zewnątrz jak i widoku z kamery pokładowej. Widok z kamery pokładowej można również prezentować na konsoli operatora systemu tak jak w rzeczywistym rozwiązaniu. Opracowany symulator w obecnej postaci jest symulatorem badawczym, umożliwiającym łatwe wprowadzania zmian zarówno w symulowanym obiekcie, jak i w obsługiwanym sprzęcie. Symulator ten stanowi bazę, na której można będzie w przyszłości, po zamrożeniu wymagań technicznych, opracować w pełni funkcjonalny symulator - trenażer dla powietrznego systemu bezzałogowego. POdziękOWANiA Przedstawione prace zostały wykonane w ramach projektu badawczego NcBir pt. Opracowanie małego Bezpilotowego Wiropłata nr 0032/r/ID1/2011/01 we współpracy z firmą WB electronics S.a.

10 OPracOWaNIe SymulatOra treningowego BIBlIOGraFIa [1] Balaguer, B., Balakirsky, S., carpin, S., lewis, m., Scrapper ch. (2008). usarsim: a validated simulator for research in robotics and automation. International conference on Intelligent robots and Systems. Ieee/rSj 2008, Nicea, Francja [2] Schoor, W., Nikolisin, H., radetzky, a. (2010). training Simulation of the manipulator Vehicle teodor for explosive Ordnance Disposal and Improvised explosive Device Disposal. Publications of european aeronautic Defence and Space company (eads). In Proceedings of Itec2010. [3] craighead, j., murphy, r., Burke, j., Goldiez, B. (2007). a Survey of commercial & Open Source unmanned Vehicle Simulators. 12th Ieee International conference on robotics and automation, april, pp , ISSN: , DOI: /rOBOt [4] Pepper, c., Balakirsky, S., Scrapper c. (2007). robot Simulation Physics Validation. Proceedings of the 2007 Workshop on Performance metrics for Intelligent Systems, pp , New york, Ny, usa, 2007, acm. [5] Hess, r. a., marchesi, F. (2009). analytical assessment of Flight Simulator Fidelity using Pilot models. Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 32, No. 3, pp [6] lewis, m., Wang, j., Hughes, S. (2007). usarsim: Simulation for the Study of Human-robot Interaction. Journal of Cognitive Engineering and Decision Making. Vol. 1, No. 1, Spring 2007, pp DOI: / [7] Bartoszek j., Narkiewicz j. and zasuwa m. (2011). Innovative, reconfigurable Simulator of mobile robots to Support anti-crisis Operations in 16 th International conference on methods and models in automation and robotics (mmar), miedzyzdroje, Poland, august 22-25, pp [8] Hoffmann G.m., Huang H., Waslander S.l., and tomlin c.j. (2007). Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and control: theory and experiment in aiaa Guidance, Navigation and control conference and exhibit, august 2007, Hilton Head, South carolina. [9] Bibik P., and Narkiewicz j. (2012). Helicopter Optimal control after Power Failure using comprehensive Dynamic model. Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 35, no. 4, july-august 2012, pp , DOI: / development Of A TRAiNiNg SimULATOR for AN UNmANNEd AERiAL SYSTEm abstract The paper presents development of an unmanned aerial system simulator in the Department of Automation and Aeronautical Systems of Institute of Aeronautics and Applied Mechanics. The presented simulator is part of a project to develop a complete system that uses small unmanned rotorcraft. The requirements for an unmanned system simulator and assumptions adopted in the project are presented. Next the developed system architecture and detailed description of the different modules of the simulator are presented. The paper presents also the approach applied to modeling a quadrotor rotorcraft for real-time simulation.