Prof. dr hab. inż. Bogdan Sapiński Kraków, 02.03.2018. Akademia Górniczo-Hutnicza Katedra Automatyzacji Procesów Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Macieja Słowika pt. Autonomia lotu bezpilotowych statków latających w fazie startu i lądowania promotor: prof. dr hab. inż. Zdzisław Gosiewski opracowana na podstawie zlecenia Dziekana Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej z dnia 21.12.2017. 1. Wstęp Mgr inż. M. Słowik ukończył studia wyższe na Wydziale Mechanicznym Politechniki Białostockiej (WMPB) w 2009 r. W latach 2009-2015 był na WMPB słuchaczem studiów doktoranckich. W tym okresie aktywnie uczestniczył w seminariach naukowych Katedry Automatyki i Robotyki WMPB oraz Instytutu Lotnictwa w Warszawie. Jego aktywność oraz zaangażowanie w prace naukowe zostały docenione w stypendiach uczelnianych i stypendiach ze środków Unii Europejskiej, których Doktorant był beneficjentem. W okresie od marca 2012 r. do lutego 2016 r. pracował w Katedrze Automatyki i Robotyki WMPB na stanowisku asystenta. W latach 2013-2015 realizował na WMPB pracę własną pt. Badania symulacyjne algorytmów lotu w fazie autonomicznego startu i lądowania bezpilotowych statków latających. Był wykonawcą w 2 projektach rozwojowych. Uczestniczył również w działalności popularyzującej WMPB. Pełnił funkcję opiekuna Sekcji Mikrokontrolerów Koła Naukowego Robotyki na WMPB. Jest autorem/współautorem 12 artykułów i rozdziałów w monografiach oraz 13 referatów wygłoszonych na konferencjach krajowych i międzynarodowych. Spośród tych prac, 4 znajdują się w bazie WoS. Wszystkie publikacje, o których mowa są bezpośrednio związane z tematyką rozprawy. Od maja 2016 r. do chwili 1
obecnej jest pracownikiem firmy Moose sp. z o.o. w Białymstoku. Od marca 2017 r. sprawuje tam funkcję kierownika ds. Badań i Rozwoju. Aktualnie kieruje w tej firmie projektem Modularny system obserwacyjno-inspekcyjny oparty na latającej platformie wielowirnikowej zasilanej ze stacji naziemnej. 2. Problematyka rozprawy Problematyka bezpilotowych statków latających (BSL) jest aktualna i rozwija bardzo się dynamicznie. Przyczynia się do tego m. in. miniaturyzacja elementów wchodzących w skład układów awioniki pokładowej (np. kompaktowe jednostki sterujące, anteny komunikacyjne o zwiększonym zasięgu i małym poborze energii oraz zamknięte w jednej obudowie układy akcelerometrów, giroskopów i magnetometrów) oraz powszechne stosowanie odbiorników globalnych systemów nawigacji satelitarnej, co przy zwiększeniu mocy obliczeniowej mikroprocesorów i jednocześnie mniejszym zapotrzebowaniu mocy, pozwala na implementację zaawansowanych algorytmów sterowania i naprowadzania BSL. Istotną rolę odgrywa także popularyzacja BSL, których badania wyszły z zarezerwowanego do niedawna obszaru wojskowości i wchodząc do ośrodków naukowo-badawczych oraz uczelni wyższych stały się również w tych jednostkach przedmiotem badań. Dzięki temu zostały stworzone warunki do współpracy różnych instytucji sprzyjające rozwojowi prac nad pokładowymi jednostkami sterującymi. Ułatwieniem przy realizacji prac badawczych jest otwarty dostęp do oprogramowania i schematów elektronicznych. W rozwoju BSL niezwykle ważny jest aspekt bezpieczeństwa. W tym zakresie istotną role mają wieże kontroli lotu wyposażone w odpowiednie oprzyrządowanie. Załogi wież, aby zwiększyć bezpieczeństwo lotów, wykorzystują specjalne techniki oraz systemy (np. ILS lub GBAS) i są zobowiązane do stosowania zalecanych procedur. Za najbardziej popularne BSL uważa się w chwili obecnej śmigłowce wielowirnikowe, śmigłowce w klasycznym układzie wirnika głównego i stabilizującego, płatowce oraz ornitopery. 3. Analiza rozprawy i uwagi krytyczne Rozprawa liczy 155 stron, składa się z 10 rozdziałów, wykazu bibliograficznego (99 pozycji), spisu ilustracji i tabel oraz spisu oznaczeń związanych z przyjętymi układami współrzędnych oraz zmiennych i parametrów dotyczących wybranego modelu BSL, a także skrótów. 2
W rozdziale 1 Autor przedstawia historię rozwoju BSL, ich klasyfikację, aktualne metody startu i lądowania BSL oraz systemy wsparcia startu i lądowania klasycznych samolotów. W rozdziale 2 Autor formułuje cel rozprawy, stawia tezę, określa zakres działań, potrzebny do jej udowodnienia oraz charakteryzuje zawartość poszczególnych rozdziałów. Cel rozprawy (str. 28) nie jest sformułowany poprawnie. Autor przedstawia raczej drogę do osiągnięcia celu poprzez realizację kolejnych etapów. Nie można też powiedzieć, że pokładowy sterownik BSL wypracowujący sygnały sterujące zapewni optymalne parametry lotu w danej jego fazie, gdyż nie znajduje to uzasadnienia w sposobie podejścia do projektowania układu sterowania opisanego rozdziale 6. Za właściwe natomiast należy uznać: postawiona tezę, układ rozprawy oraz kolejność rozdziałów. W rozdziale 3 Autor omawia obiekt wybrany do badań (miniaturowy samolot w konfiguracji płatowca), jego modelowanie, badania eksperymentalne zespołu napędowego oraz obliczenia charakterystyk aerodynamicznych i współczynników aerodynamicznych metodą panelową. Wybór obiektu do badań - model górnopłata z napędem ciągnącym o nazwie Mentor (firmy Multiplex), który może latać w zasięgu wzroku i wykonywać misje do wysokości 60 m, jest trafny i dobrze uzasadniony. Model Mentor ma rozpiętość skrzydeł 1630 mm, długość 1170 m, powierzchnię skrzydeł 45 dm 2 oraz masę z oprzyrządowaniem 2.5 kg. Oprzyrządowanie wybranego BSL stanowi: zespół napędowy (silnik elektryczny i śmigło), serwomechanizmy lotek (jedna na skrzydło), ster wysokości i ster kierunku, odbiornik aparatury do zdalnego sterowania RC, bateria, autopilot). Zaletą modelu Mentor są dobre parametry lotu, wadą brak informacji od producenta o profilu skrzydła. Uzasadnienie (str. 32), aby do rozważań przyjąć profil skrzydeł Epler E603 jest właściwe. W dalszym ciągu weryfikuje eksperymentalnie poprawność dobranego napędu, który ma zagwarantować realizację różnych faz lotu BSL, modeluje BSL w środowisku CAD (SolidWorks) oraz przeprowadza symulacje w środowisku CFD, określając parametry siły nośnej powstałej przy kątach natarcia od 60 o do 80 o. Ponadto, aby wyznaczyć współczynniki aerodynamiczne (tabela 3.3) niezbędne do przeprowadzenia symulacji opisanych w rozdziale 7, modeluje BSL w środowisku Tornado. Wydaje się, że informacje np. o czasie trwania obliczeń i objętości danych (str. 40) są zbyt szczegółowe i mogłyby być pominięte. O ile wyznaczone w tym rozdziale zależności siły nośnej P z i siły oporu P x od kąta natarcia α (Rys. 3.11 i 3.12) nie budzą wątpliwości, to takie pojawiają się gdy porównywane są wykresy obrazujące zależność współczynnika siły nośnej od kąta α (Rys. 3. 17) wyznaczone metodą CFD, panelową VLM oraz analityczną przy uwzględnieniu nieliniowości (równanie 3.1 i 3.2). Wprawdzie Autor 3
przyznaje, że wyniki obliczeń mogą być obarczone błędami, ale nie oszacowuje tych błędów. Dlatego też wyjaśnienie przyczyn istniejących różnic wymaga doprecyzowania. W rozdziale 4 Autor opisuje integrację elementów pokładowych, pokładowy sterownik lotu (autopilot), tryby pracy pokładowego układu sterowania i aplikację naziemnej stacji kontroli lotu. Uwagę koncentruje na integracji sytemu sterowania i wyposażenia pokładowego BSL oraz środowiskach symulacyjnych SITL i HITL. Przedstawia informacje o elementach niezbędnych do przeprowadzenia analizy faz lotu, sformułowaniu praw sterowania na drodze symulacji komputerowych, a w dalszej perspektywie badań poligonowych. Do wybranego BSL dobiera wyposażenie zamontowane na pokładzie (autopilot PixHawk, aparaturę i odbiornik sygnałów zdalnego sterowania RC, sensory, zespół napędowy i serwomechanizmy system komunikacyjny) oraz wyposażenie naziemnej stacji kontroli lotu (komputer z oprogramowaniem, radiomodem, aparatura zdalnego sterowania). Uzasadnia również wybór elementów wyposażenia, biorąc pod uwagę takie czynniki jak funkcjonalność, możliwości obliczeniowe, konfiguracyjne i komunikacyjne, środowisko programistyczne, dostępność dokumentacji, możliwość zastosowania dodatkowych urządzeń, etc. Skupia się na użytym autopilocie, jego trybach pracy i symulacji z zastosowaniem procedur SITL i HITL oraz stacji naziemnej kontroli lotu, w szczególności wykorzystywanej aplikacji MissionPlaner do komunikacji z autopilotem. W rozdziale 5 Autor omawia zagadnienie modelowanie dynamiki BSL, przyjmuje układy współrzędnych, zapisuje równania ruchu obiektu oraz określa wpływające na niego siły i momenty sił. Do budowy modelu dynamicznego obiektu przyjmuje następujące założenia: rozważany obiekt jest ciałem sztywnym, prędkość obiektu jest poddźwiękowa, zaniedbuje się przyspieszenie dośrodkowe, przyspieszenia Coriolisa i zakrzywienie kształtu Ziemi w otoczeniu BSL, inercjalny układ odniesienia jest układem związanym z Ziemią, BSL ma odpowiednią płaszczyznę symetrii, rozkład masy BSL nie zmienia się w czasie. Model ten jest niezbędny do sformułowania praw sterowania. Zapisuje równania ruchu BSL pomijając siły i momenty sił wymuszających. Tworzy go układ 12 nieliniowych równań różniczkowych (5.34-5.45) uwzględniających kinematykę i dynamikę oraz translacje i rotację obiektu. Następnie dokonuje rozprzęgnięcia lotu BSL podłużnego (ruch postępowy w kierunku do przodu ) od poprzecznego (ruch odpowiadający za zmianę kursu lot w prawo lub w lewo ). Uzasadnia to specyfiką konstrukcji BSL i symetrią wzdłuż osi przechodzącej przez środek ciężkości od ogona do dziobu. To rozprzęgnięcie daje możliwość sterowania obiektem przy użyciu 2 osobnych kanałów. W wyniku zaproponowanego podejścia uzyskuje model BSL, który tworzy układ 5 równań stanu opisujących ruch podłużny oraz układzie 5 równań 4
stanu opisujących ruch poprzeczny. W każdym z tych układów występują 2 sterowania związane z wychyleniem odpowiednich sterów. Na str. 83 i 85 zapisuje model obiektu w przestrzeni stanów, odpowiednio dla ruchu podłużnego i poprzecznego. W przypadku ruchu podłużnego, równania modelu poprzedza tekstem Model matematyczny po linearyzacji, natomiast w przypadku ruchu poprzecznego Model matematyczny. Bez żadnego komentarza wprowadza w obu modelach do wektorów stanu i sterowań wielkości z symbolem. Podobnie postępuje w przypadku macierzy stanów gdzie występują wielkości z symbolem *, będące argumentami funkcji trygonometrycznych. Powołuje się przy tym tylko na pozycję literatury [3.6]. Opisana kwestia powinna być szczegółowo wyjaśniona. Rozdział 6 Autor poświęca projektowaniu układu sterowania dla BSL. Opracowuje i implementuje prawa sterowania, które mają realizować działanie autopilota w kierunku poprzecznym i podłużnym. Sposób podejścia do projektowania układu sterowania jest konsekwencją opracowanego wcześniej modelu dynamicznego. Do sterowania BSL wykorzystuje, powszechnie używany w technice regulacji automatycznej tzw. układ regulacji kaskadowej. Jak wiadomo układ kaskadowy jest szczególnym przypadkiem układu z pomocniczą zmienną sterowaną. W takim układzie główny regulator nie wpływa bezpośrednio na wartość sygnału sterującego, który jest podawany na obiekt sterowania, a odpowiada jedynie za wytworzenie wartości zadanej dla dodatkowego regulatora, który znajduje się w wewnętrznej pętli sterowania zmienną pomocniczą. Z uwagi na zakłócenia, przed pomiarem wielkości sterowanej w pętli wewnętrznej, zakłócenie powinien eliminować właśnie regulator dodatkowy. Natomiast regulator w pętli zewnętrznej ma za zadanie przede wszystkim wytwarzać sygnał zadany dla dodatkowego regulatora, w znacznie mniejszym stopniu reagując na zakłócenie. Prawa sterowania BSL realizujące działanie autopilota, implementuje w ruchu poprzecznym i podłużnym. W przypadku ruchu poprzecznego układ sterowania, którego zadaniem jest stabilizacja ruchu, kontrowanie podmuchów wiatru w poprzecznej płaszczyźnie lotu i utrzymanie zadanego kursu, ma 3 pętle. Pętlą zewnętrzną jest pętla kursu, środkową pętla kąta przechylenia, a wewnętrzną pętla sterowania prędkością zmiany przechylenia lotek w zależności od wychylenia powierzchni sterowych lotek. W przypadku ruchu podłużnego zadaniem układu sterowania jest stabilizacja i sterowanie prędkością oraz wysokością i przeciwdziałanie podmuchom wiatru od czoła obiektu. Układ ten ma 3 pętle, wewnętrzną pętlę sterowania kątem pochylenia oraz pętle sterowania wysokością i prędkością (przy zadanym kącie pochylenia). 5
W obu przypadkach dla każdej pętli proponuje (bez uzasadnienia) zastosowanie regulatorów z algorytmami PID. O tym, że takie właśnie algorytmy będą wykorzystane informuje dopiero w tabeli 6.1 (str. 95), w której zamieszcza wartości liczbowe nastaw regulatorów. Poprzedza to nieprecyzyjnym i zbyt pobieżnym opisem sposobu doboru nastaw regulatorów. Bardzo enigmatycznie odnosi się do bloku nasycenia nie wiążąc tego z wybranym obiektem sterowania. W tych kwestiach należało dochować należytej staranności i zadbać o szczegóły. Jest to bowiem jeden z ważniejszych etapów realizacji rozprawy. Rozdział 7 Autor poświęca symulacjom komputerowym fazy startu i lądowania BSL wykorzystującym aplikację naziemną stacji kontroli lotu. Wyniki symulacji stanowią punkt wyjścia do opracowania odpowiedniego scenariusza dla bezpiecznych lotów testowych, które mają być przeprowadzone w ramach badań poligonowych. Mając na uwadze parametry BSL (mała masa i małe wymiary) w symulacjach uwzględnia wpływ wiatru, który ma szczególne znaczenie przy starcie i lądowaniu. Do tego celu wykorzystuje model podmuchów wiatru Drydena. Parametry przyjęte do symulacji podaje w tabeli 7.1. W środowisku MATLAB/Simulink implementuje równania kinematyki i dynamiki dla podłużnego i poprzecznego ruchu BSL i testuje zaprojektowane pętle sterowania. Przeprowadza analizy poszczególnych faz lotu (startu i lądowania) w symulowanym pokładowym sterowniku lotu. Wyniki badań przedstawione w postaci wykresów na Rys. 7.7-7.10 pokazują, że w zależności od aktualnej wysokości są realizowane kolejne fazy startu aż do osiągnięcia zadanego pułapu (pętla regulacji prędkości w funkcji wysokości) oraz sterowanie wysokością przez zmianę kata pochylenia. Z kolei z wykresów na Rys. 7.12-7.15 wynika, że są realizowane kolejne fazy lądowania aż do osiągnięcia pułapu. Wykorzystując środowisko składające się z aplikacji naziemnej kontroli lotu Mission Planner i środowisk SITL/HITL, analizuje możliwości oprogramowania autopilota, bada tryby jego pracy i dobiera nastawy regulatorów. Przeprowadzając symulacje w opisany tu sposób, powołuje się na pozycję [3.6] wykazu literatury, uznając ją za pewien wzorzec. Komentuje to w zbyt lakonicznie. W dalszej kolejności, wykorzystując aplikację naziemnej stacji kontroli lotu przeprowadza symulację fazy startu, a następnie lądowania. W ramach symulacji dotyczących trybu autonomicznego startu konfiguruje i uruchomia ten tryb w środowisku SITL. Po zaprogramowaniu punktów przelotowych (Rys. 7.16) i wydaniu odpowiednich komend realizuje misje lotu automatycznego. Wyniki symulacji przedstawia na Rys. 7.17, na który ilustruje zmiany pozycji i wysokości BSL w fazie startu oraz na Rys. 7.18, na którym pokazuje przebiegi czasowe kąta pochylenia obiektu podczas lotu i przebieg zadany tego kąta. Podobnie realizuje symulacje w fazie lądowania, ilustrując to Rys. 7.19 (rozmieszczenie punktów przelotowych) 6
i Rys. 7.21 (zmiany pozycji i wysokości podczas lotu). Opisane w tym rozdziale badania pozwoliły na przetestowanie zaprojektowanych wcześniej pętli sterowania, przeprowadzenie badań i analizę trybów pracy autopilota oraz dobranie nastaw regulatorów. Wyniki tych działań przyczyniają się z pewnością do bezpieczniejszego przeprowadzenia eksperymentów. W rozdziale 8 Autor opisuje eksperymenty autonomicznego startu i autonomicznego lądowania przy użyciu funkcji autopilota. Z uwagi na ograniczone możliwości startu ( wyrzucenie z ręki ) ustala parametry autopilota (tabela 8.1). Wyniki badań tej fazy lotu (start przeprowadzany pod wiatr) przedstawione na Rys. 8.1 (zmiana pozycji obiektu) i na Rys. 8.2 (zmiana pozycji i wysokości względnej obiektu) są przekonywujące. W ramach badań fazy lądowania przeprowadza około 50 eksperymentów przy ustalonych pozycjach i wysokościach punktów przelotowych oraz punktach startu i lądowania dobranych tak, by te dwie fazy lotu odbywały się pod wiatr. Wyniki badań pokazuje na Rys. 8.5-8.7. Analiza wykresów z tych rysunków wskazuje na małą dokładność lądowania. Stwierdza, że przy wielu lądowaniach przyziemienie następowało w promieniu około 30 m od zadanego punktu. Przyczyn niedokładności upatruje w braku użycia prędkościomierza, wykorzystaniem wyłącznie pokładowego odbiornika sygnałów oraz dryftem czujnika barometrycznego. Stwierdza również, że tak dobrane empirycznie parametry autopilota przyjęte dla fazy autonomicznego lądowania, będące kompromisem między zachowaniem bezpieczeństwa BSL i dokładnością lądowania, nie mogłyby być dopuszczone w zastosowaniach wojskowych czy cywilnych. W rozdziale 9 Autor przedstawia eksperymenty pokazujące zwiększenie precyzji lądowania. Te eksperymenty przeprowadzono z uwagi na niesatysfakcjonujące wyniki opisanych wyżej badań. W tym przypadku wykorzystywana jest tzw. metodę lądowania w siatkę oraz stosowane są dedykowane odbiorniki sygnałów globalnych systemów nawigacji satelitarnej. Polegają one na ulokowaniu siatki w punkcie przelotowym, w którym obiekt będzie zatrzymany. Tego rodzaju sytuacja występuje np. na statkach lub zaimprowizowanych lądowiskach polowych. W eksperymentach wykorzystuje czterosegmentową siatkę o wysokości 2.24 m i szerokości 4 m, zakładając zmniejszenie dopuszczalnych prędkości BSL (tabela 9.1) oraz dodanie obsługi prędkościomierza i dodatkowego czujnika na pokładzie. W tym przypadku zmienia także parametry lądowania (tabela 9.2) i ustala 3 punkty przelotowe. Wyniki testów przeprowadzonych w tych warunkach przedstawia na Rys. 9.3-9.5, dokumentując je dodatkowo stopklatkami obrazującymi uderzenie obiektu w siatkę (Rys 9.6 i 9.7). Analiza wykresów z Rys. 9.3-9.5 potwierdza zwiększenie precyzji lotu w opisanych wyżej warunkach. Autor potwierdza też, że 12 spośród 30 prób autonomicznego lądowania 7
zakończyło się sukcesem tzn. obiekt trafił w siatkę, co prawdopodobieństwo 40% trafienia w siatkę. W końcowym etapie prowadzi eksperymenty z lądowaniem w siatkę i z zastosowaniem precyzyjnych odbiorników GNSS (2 urządzenia OEMV-615 skonfigurowane w trybie RTK), które umożliwiają zwiększenie dokładności pozycjonowania. Próby lądowania przy zmodyfikowanych parametrach pokładowego sterownika lotu (tabela 9.3) i wykorzystaniu źródła sygnałów nawigacyjnych pokazują, że mimo znacznego wiatru (3-6 m/s na wysokości 2 m nad poziomem gruntu) prawdopodobieństwo trafienia w siatkę zostało zwiększone do 60%. W rozdziale 10 Autor zawiera podsumowanie wyników pracy oraz wskazuje kierunki dalszych badań. Uważam, że najbardziej wartościowymi elementami rozprawy są: identyfikacja parametrów aerodynamicznych, opracowanie modelu BSL, przeprowadzenie symulacji komputerowych, opracowanie praw sterowania dla fazy lotu startu i lądowania, integracja elementów wyposażenia pokładowego i stacji naziemnej oraz przeprowadzenie badań poligonowych autonomicznego startu i lądowania. Uwagi szczegółowe dotyczą błędów redakcyjne, stylistycznych i pojęciowych oraz braku jednolitości opracowanych wyników badań (jest to widoczne na rysunkach np. w oznaczeniach i opisach osi). Oto przykłady zauważonych błędów: - kąt natarcia w tekście (np. str. 40) jest wyrażany w [ o ], a w podpisie osi (deg) np. Rys. 3.11, a w innym podpisie (np. Rys. 3.17) Kąt α? - str. 42 Rysunek 3.15 przedstawia biegunowe? - opisy osi w jednym miejscu (np. Rys. 3.11) jest to oznaczenie wielkości fizycznej przyjęte w spisie oznaczeń używanych w rozprawie (str. 7-8), w innym miejscu określenie słowne wraz z oznaczeniem (bez podania jednostki), w jeszcze innym (np. Rys. 77) oznaczenie wielkości fizycznej bez jednostki? - wprowadzony na str. 8 w spisie oznaczeń skrót BSL nie jest stosowany konsekwentnie (np. str. 87), - brak numeracji niektórych równań (np. modele równania ruchu podłużnego i poprzecznego BSL (str. 83-85), - pierwsze zdanie w podpunkcie 5.3.5 jest powtórzeniem pierwszego zdania w podpunkcie 5.3.4, - str. 93; niepoprawny zapis transmitancji H(s), - jak się mają oznaczenia przyjęte na Rys. 6.5 do transmitancji zapisanej na str. 89? 8