Propozycja struktury programowej symulatora pilota / PAR 2/2011 / 2011 / Archiwum / Strona główna | PAR Pomiary - Automatyka - Robotyka

656Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011

dr inĪ. Piotr GolaĔski

Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych

Propozycja struktury programowej symulatora pilota

Artykuá dotyczy modelowania procesu sterowania statkiem powietrznym i budowy symulatora pilota opartego na zdefiniowanym modelu sterowania. Na wstĊpie przedstawiono cel budowy symulatora pilota. Podano ogólne zaáoĪenia dotyczące tworzenia modelu ukáadu czáowiek-maszyna jak i szczegóáowe problemy związane z symulacją dziaáania pilota. Zaproponowano hierarchiczną dwupoziomową strukturĊ modelu pilota. Na obydwu poziomach zastosowano róĪne modele stero-wania: pierwszy oparty na reguáowym ekspertowym systemie sterowania oraz drugi oparty na logice rozmytej. Na zakoĔczenie przedstawiono propozycjĊ struk-tury programowej symulatora pilota oraz wyniki symulacji sterowania samolotem w trakcie rozbiegu.

A PROPOSAL OF PROGRAM STRUCTURE OF PILOT SIMULATOR This paper concerns on the problem of modeling aircraft control process and on building of a pilot simulator based on the defined control model. At the beginning, it presents the main goal of building of a pilot simulator. It poses general assump-tion concerning the building of man-machine model and the particular one con-cerning the simulation of a pilot action. It proposes a hierarchical two-leveled pi-lot model. At each level there are applied difference control models. At first one is applied the rules based control and at the second one the fuzzy logic. Finally, it presents the proposal of the program structure of a pilot simulator and the results of simulator work.

1. WSTĉP

Potrzeba stworzenia symulatora pilota zaistniaáa w związku z prowadzonymi w Instytucie Technicznym Wojsk Lotniczych badaniami wpáywu rozmieszczenia przyrządów w kabinie samolotu na jakoĞü realizacji zadaĔ przez pilota. W tym celu zbudowany zostaá symulator badawczo-konstrukcyjny [6]. Na rys. 1a przedstawiono pewną czĊĞü symulatora pozwalającą na wykonanie przez pilota symulowanego lotu. W jego trakcie pilot P steruje modelem dyna-miki lotu statku powietrznego ML [8] (rys. 1), zmieniając wektor parametrów sterowania sa-molotu SP. Wyniki eksperymentu są zapisywane w postaci parametrów lotu LP, a nastĊpnie porównywane z wynikami wzorcowymi LM w odpowiednim module oceny O. Wyniki wzor-cowe są uzyskiwane z pewnego wzorwzor-cowego, symulowanego lotu, w którym zapewnione jest sterowanie, umoĪliwiające realizacjĊ takiego samego zadania, jakie byáo postawione przed pilotem. SymulacjĊ taką realizuje pewien uproszczony model MSL. Uproszczenie polega na przyjĊciu kroku symulacji równego 1 s i sterowaniu samolotem poprzez oddziaáywanie bez-poĞrednio na jego parametry lotu, takie jak np. przechylenie i pochylenie zamiast na odpo-wiednie zmiany wychylenia lotek czy steru wysokoĞci. Wynika stąd, Īe warunki generacji parametrów lotu pilota i parametrów wzorcowych są róĪne.

W celu uzyskania podobnych warunków generacji parametrów lotu pilota i parametrów wzorcowych naleĪy w miejscu modelu uproszczonego zastosowaü model sterowania MS,

któ-657 2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka

ry realizowaáby sterowanie modelem dynamiki lotu ML (rys. 1b) tak jak pilot. Model taki po-winien z jednej strony odzwierciedlaü ludzkie ograniczenia, z drugiej dokáadnie realizowaü procedury pilotaĪowe. Celem tego artykuáu jest przedstawienie wyników prac nad okreĞle-niem struktury takiego modelu sterowania, jak równieĪ wynikającej z niego struktury pro-gramowej symulatora pilota.

M

P

O

M

M

P

O

M

M

Rys. 1. Schemat eksperymentu w symulatorze badawczo-konstrukcyjnym a) dotychczasowy, b) proponowany 2. SFORMUàOWANIE PROBLEMU

W niniejszym artykule bĊdzie rozwaĪany model lotu i sterowania statku powietrznego. Oby-dwa modele wspóápracują ze sobą, tworząc ukáad regulacji ze sprzĊĪeniem zwrotnym, w któ-rym model lotu statku powietrznego ML jest obiektem sterowanym, a model sterowania MS regulatorem, tak jak przedstawiono to na rys. 2 [5].

W ukáadzie tym wektor parametrów lotu statku powietrznego y jest porównywany z wektorem parametrów nakazany y0. W oparciu o róĪnicĊ pomiĊdzy nimi wyliczany jest wektor uchybu e: 0 y y e  , (1) y0 y +  MS ML e u Rys. 2. Schemat blokowy modelu sterowania statkiem powietrznym

658Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011

na podstawie którego model MS wyznacza wektor sterowania statkiem powietrznym u. Ele-mentami wektora u mogą byü przykáadowo: wychylenia steru kierunku, steru wysokoĞci i lotek. W przypadku, gdy regulatorem jest czáowiek model sterowania naleĪy ująü w postaci nieliniowego adaptacyjnego regulatora PID [5].

Przedstawiony na rys. 2 model sterowania jest modelem uproszczonym - sprowadzającym siĊ do ukáadu kompensacji. W rzeczywistoĞci pilot dysponuje takĪe informacją o parametrach zadanych lotu y0 (ukáad Ğledzenia), a takĪe ma bezpoĞrednią informacjĊ dotyczącą sterowane-go statku powietrznesterowane-go y [4].

ZáoĪonoĞü procesu sterowania statkiem powietrznym jest widoczna juĪ w przypadku ste-rowania samolotem podczas realizacji procedury rozbiegu. Na przykáad dla samolotu TS-11 "Iskra", zgodnie z [7], rozbieg polega na rozpĊdzaniu samolotu do prĊdkoĞci 140 km/h, po czym pilot ma zadanie unieĞü przednie podwozie samolotu na wysokoĞü 15 cm. Dokonuje tego poprzez ĞciągniĊcie drąĪka na siebie. O wielkoĞci wychylenia drąĪka wiadomo jedynie tyle, Īe powinno ono byü nieznaczne i páynne. Podczas odrywania kóáka przedniego podwo-zia od drogi startowej pilot powinien utrzymywaü staáe wychylenie drąĪka. Po oderwaniu kóáka przedniego podwozia pilot powinien doprowadziü samolot do odpowiedniego pochyle-nia i utrzymaü je poprzez odpowiednie zmiany wychylepochyle-nia drąĪka sterowego, aĪ do momentu oderwania podwozia gáównego od drogi startowej.

MoĪna zauwaĪyü, Īe w przedstawionym opisie dziaáania pilota wystĊpują okreĞlenia dwo-jakiego rodzaju. Jedne w sposób dokáadny precyzują warunki dziaáania pilota, np. zdanie "unieĞü przednie podwozie samolotu na wysokoĞü 15 cm". W innych stosowane są okreĞlenia przybliĪone, np. "wychylenie drąĪka powinno byü nieznaczne i páynne".

W modelu powinna zatem istnieü moĪliwoĞü formalnego wyraĪenia tych treĞci. Ponadto z rozwaĪaĔ zawartych w [4] wynika, Īe struktura modelu dziaáania pilota jest hierarchiczna. Wymaga to rozbudowania schematu z rys. 2. W nastĊpnym punkcie zostanie przedstawiona propozycja struktury modelu dziaáania pilota dla procedury rozbiegu samolotu TS-11.

3. PROPONOWANA STRUKTURA MODELU

UwzglĊdnienie wymagaĔ zawartych w poprzednim punkcie prowadzi do wyodrĊbnienia w modelu MS dwóch bloków: decyzyjnego D i regulatora R, które zostaáy przedstawione na rys. 3. Z rysunku wynika, Īe sterowanie powinno odbywaü siĊ na dwóch poziomach. Na pierwszym poziomie sterowanie odbywa siĊ w pĊtli R – MD. W tym ukáadzie regulator R mi-nimalizuje wektor uchybu e, który stanowi róĪnicĊ wektora wartoĞci parametrów stanu samo-lotu y i wektora wartoĞci zadanych yD otrzymywanych z bloku D.

D

M

u

e

y



y

+

u

y

R

659 2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka

Zadaniem regulatora R jest utrzymywanie zadanych podstawowych parametrów lotu mo-delu MD takich jak: odchylenie, pochylenie i przechylenie. O tym, jaki parametr i jaka jego wartoĞü ma byü osiągana i utrzymywana okreĞla blok D. Ponadto blok ten koryguje dziaáanie regulatora, bądĨ poprzez wybór odpowiedniej jego procedury, bądĨ poprzez wymuszenie wáa-snego sterowania.

Obydwa bloki róĪnią siĊ takĪe sposobem dziaáania. Regulator realizuje te czynnoĞci pilota, które są wyraĪone w postaci instrukcji zawierających przybliĪone okreĞlenia. Ponadto dziaáa on jako nieliniowy adaptacyjny regulator PID. W związku z tym zaproponowano, aby ten blok zrealizowaü w postaci rozmytego regulatora PID [3]. Do definicji regulatora wykorzy-stano model Takagi-Sugeno dla trzech zmiennych wejĞciowych związanych ze skáadnikiem proporcjonalnym, inercyjnym i róĪniczkowym sygnaáu báĊdu e.

Blok D zostaá ujĊty w postaci reguáowego systemu sterowania [2]. Peáni on rolĊ nadrzĊdną w stosunku do regulatora R. Struktura bloku jest w postaci ekspertowego systemu sterowania [1], wykorzystującego bazĊ wiedzy eksperta-pilota oraz mechanizmy wnioskowania. Jego funkcjonowanie oparte jest na reguáach, w których wystĊpują dokáadne wartoĞci sterowanego obiektu. Speánienie tych reguá powoduje wypracowanie decyzji sterujących, które:

1) dokonują wyboru odpowiedniej funkcji w bloku regulatora R, 2) zmieniają wektor sygnaáu báĊdu e dla wybranej funkcji,

3) wyáączają z pracy regulator, podając na wyjĞcie wypracowane sygnaáy sterujące uD.

sympil.exe

Microsoft Visual C++

regulator.dll

Fuzzy Logic Toolbox

decyzje.dll

Visual Prolog

Symulator Badawczo-Konstrukcyjny

Rys. 4. Struktura oprogramowania

Zgodnie z przedstawionymi zaáoĪeniami zbudowano symulator realizujący proces stero-wania rozbiegiem samolotu TS-11 "Iskra". Regulator R zaimplementowano w postaci biblio-teki dynamicznej DLL z wykorzystaniem funkcji z pakietu Fuzzy Logic Toolbox Ğrodowiska MATLAB [9]. Blok D zostaá zrealizowany w Ğrodowisku Visual Prolog 7.1 i równieĪ stanowi bibliotekĊ dynamiczną (DLL). Funkcje obydwu bibliotek są wywoáywane z poziomu aplikacji utworzonej w Ğrodowisku Microsoft Visual C++, komunikującej siĊ z moduáami programo-wymi symulatora badawczo-konstrukcyjnego (rys. 4).

4. WYNIKI

Zastosowanie dwupoziomowej struktury sterowania samolotem powoduje, Īe w zaleĪnoĞci od stanu samolotu nadrzĊdny moduá decyzyjny, bądĨ przekazuje sterowanie samolotem mo-duáowi regulatora, bądĨ sam przejmuje sterowanie. Taki przypadek moĪna zaobserwowaü podczas symulacji procesu sterowania rozbiegiem samolotu TS-11. Na rys. 5 przedstawiono przebiegi czasowe zmian wybranych parametrów sterowania i lotu opisujących ten proces.

660Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011 0 40 80 120 160 200 _{v [km/h]} 240 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 [m] -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 [°] T u u h G N M

Rys. 5. Przebiegi zmian parametrów samolotu w trakcie rozbiegu

Proces rozbiegu przedstawiono od chwili uzyskania maksymalnych obrotów silnika oraz zwolnienia hamulców podwozia. Rozhamowanie podwozia powoduje zmniejszenie momentu pochylającego i odciąĪenie amortyzatora przedniego podwozia, co widaü na wykresie pochy-lenia samolotu T i ugiĊcia jego podwozia przedniego uP. Do osiągniĊcia przez samolot prĊd-koĞci 140 km/h sterowaniem samolotu zajmuje siĊ jedynie blok D.

120 140 160 180 200 v [km/h] -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 [°]

Rys. 6. Wykres zmian kąta wychylenia steru wysokoĞci w trakcie symulowanego rozbiegu samolotu Po przekroczeniu prĊdkoĞci 140 km/h wáączana jest procedura sterująca wychyleniem ste-ru wysokoĞci w regulatorze R. W wyniku jej dziaáania stopniowo zwiĊkszane jest wychylenie steru wysokoĞci. W chwili oderwania kóáka przedniego podwozia od drogi startowej (uP<0) blok D przerywa pĊtlĊ sterowania związana z regulatorem R i przekazuje wartoĞü zerowego przyrostu wychylenia steru wysokoĞci do modelu dynamiki lotu. Jest to dobrze widoczne na

661 2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka

wykresie zmian wychylenia steru wysokoĞci przedstawionego na rys. 6. Widaü na nim zazna-czony páaski odcinek staáych wartoĞci kąta wychylenia sterów (Gh | –6q). Tym samym reali-zowane jest zalecenie mówiące o utrzymywaniu przez pilota wychylenia drąĪka sterowego po oderwaniu koáa przedniego podwozia. NastĊpnie regulator jest powtórnie wáączany w pĊtlĊ sterowania, aĪ do momentu oderwania kóá podwozia gáównego od drogi startowej (uG < 0).

Z przeprowadzonych doĞwiadczeĔ wynika, Īe sterowanie kątem wychylenia steru wysoko-Ğci jedynie przez regulator, zawsze prowadziáo, bądĨ do powstawania przeregulowania, bądĨ powodowaáo zbyt duĪy czas narastania kąta poch`ylenia samolotu T.

5. PODSUMOWANIE

Jak wynika z przedstawionych rozwaĪaĔ modelowanie procesu sterowania statkiem powietrz-nym, juĪ w przypadku niezbyt záoĪonego zagadnienia jakim jest sterowanie w trakcie rozbie-gu, jest zagadnieniem záoĪonym. Wymaga stworzenia odpowiedniej struktury sterowania, odzwierciedlającej wielopoziomowy sposób dziaáania czáowieka.

W pracy zaproponowano dekompozycjĊ modelu pilota na dwa modele regulacji i decyzji. Model regulacji zostaá zaproponowany w formie regulatora rozmytego, natomiast do budowy modelu decyzji wykorzystano podejĞcie stosowane przy budowie systemów ekspertowych. PrzyjĊcie takiej struktury modelu miaáo wpáyw na jego implementacjĊ. W zaproponowanej strukturze programowej kaĪdy z modeli zostaá zaimplementowany jako zestaw procedur bi-bliotek dynamicznych. Model sterowania zostaá wyraĪony z wykorzystaniem formalizmu logiki rozmytej w Ğrodowisku Fuzzy Logic Toolbox, natomiast model decyzji zostaá wyraĪo-ny za pomocą reguá jĊzyka Prolog w Ğrodowisku Visual Prolog.

Dziaáanie aplikacji zostaáo sprawdzone na przykáadzie sterowania samolotem w trakcie re-alizacji procedury rozbiegu. Przedstawiony wynik dowodzi zasadnoĞci przyjĊtego rozwiąza-nia. Ponadto podany przykáad pokazuje duĪe moĪliwoĞci modelu, jeĞli chodzi o zmianĊ ro-dzaju sterowania w trakcie jego dziaáania. Pozwala to przypuszczaü, Īe przedstawiona kon-cepcja bĊdzie mogáa byü zastosowana takĪe dla innych przypadków sterowania samolotem.

BIBLIOGRAFIA

1. Bubnicki Z.: WstĊp do systemów ekspertowych, PWN, Warszawa 1990.

2. GolaĔski P., Szkudlarz H.: Budowa reguáowego modelu systemu sterowania samolotem

TS-11 „Iskra”, Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 2/2009, s. 633–639.

3. GolaĔski P., Szkudlarz H.: Zastosowanie sterowania rozmytego do modelowania dziaáania

pilota podczas symulowanego rozbiegu samolotu TS-11 „Iskra”, Materiaáy VI Konferencji

Awioniki, Bezmiechowa 16–18 wrzeĞnia 2010.

4. Morawski J.M. Gospodarka informacją w ukáadzie pilot-samolot, Redakcja Wydawnictw Uczelnianych Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów-Warszawa 1994.

5. Piegat A.: Fuzzy Modeling and Control, Physica-Verlag Heidelberg, 2001.

6. SzczepaĔski C. i in., System komputerowego wspomagania projektowania i optymalizacji interfejsów czáowiek-system techniczny na przykáadzie kokpitu wojskowego statku po-wietrznego, Pomiary Automatyka Robotyka, Nr 2/2008, s. 609–618.

7. Samolot TS-11 Iskra, Metodyka szkolenia lotniczego, technika pilotowania i zastosowania

bojowego, wyd. Lot. 2000/79, zatwierdzona Zarz. DWL nr 131, z dnia 27.12 1979 r.

8. Model dynamiki lotu sterowanego samolotu TS-11 Iskra dla symulatora

badawczo-konstrukcyjnego, BiAK 3523/50 ITWL, Warszawa 2007.