Универсальный вертолётный пилотажный исследовательский стенд «Березина»

Введение

ОАО «Конструкторское бюро промышленной автоматики» (ОАО КБПА) является разработчиком и производителем систем автоматического управления, пилотажных и пилотажно-навигационных комплексов для различных типов летательных аппаратов: гражданских и военных вертолётов, беспилотных летательных аппаратов, самолётов малой авиации, ракет-мишеней, дирижаблей и т.п. Предприятие организовано 24 февраля 1947 года, с 1994 года – открытое акционерное общество с государственной долей акций, имеет лицензии на все виды деятельности в авиационной области. ОАО КБПА входит в структуру крупнейшего приборостроительного холдинга «Концерн «Радиоэлектронные технологии» (АО КРЭТ), находящегося под прямым управлением Государственной корпорации «Ростехнологии» (Ростех).
Наибольшее число разработок предприятия выполнено в области создания систем автоматического управления (САУ) для вертолётов фирм «Миль» и «Камов».
Для фирмы «Миль» коллективом предприятия разработаны автопилоты и пилотажные комплексы вертолётов Ми-14, Ми-24, Ми-26, Ми-28Н, Ми-8/17, Ми-171, беспилотного варианта вертолёта Ми-4 и других.
Практически все машины фирмы «Камов», начиная с Ка-25, также оснащены САУ разработки ОАО КБПА. Для вертолёта Ка-50 «Чёрная акула» впервые в стране был создан отечественный цифро-аналоговый вертолётный пилотажно-навигационный комплекс.
В настоящее время в конструкторском бюро завершены разработки САУ-800 для вертолётов Ка-52 «Аллигатор», САУ-32-226М для вертолётов серии Ка-226Т, ПКВ-М24А для вертолётов серии Ми-24 и Ми-28Н «Ночной охотник», базовый ПКВ-8 для серии вертолётов Ми-8/17, ПКВ-26ДЭ для вертолёта Ми-26Т2, СУУ-А для вертолёта «Ансат» и другие. Активно ведётся создание новых дублированных пилотажных комплексов и систем для вертолётов Ми-38, Ми-171А2, Ка-62.
Принципиальным шагом в развитии предприятия явились разработка, производство, испытания и сертификация базового навигационного пульта-вычислителя ПВН-1 как комплектующего изделия. На базе данного оборудования построены навигационные системы вертолётов Ка-226Т (сертификация завершена), Ми-171А2 (этап испытаний и сертификации). Завершена сертификация в АР МАК САУ-32-226М и ПВН-1-04 в составе борта вертолёта Ка-226Т. В настоящее время ПВН-1 может применяться также на пилотируемых летательных аппаратах (вертолётах и самолётах малой авиации) и как навигационная система, и как автономное бортовое оборудование спутниковой навигации (БОСН).
На предприятии созданы вычислители нового поколения ВУП-У на базе процессорного модуля МВИ-5200 собственной разработки с архитектурой процессоров PowerPC и портированной на них операционной системой реального времени LynxOS-178. Бортовые комплексы вертолётов, построенные на вычислителях ВУП-У, прошли все виды испытаний и производятся на предприятии серийно.
Большое внимание на предприятии уделяется развитию стендов наземной отработки алгоритмического и программно-математического обеспечения бортовых комплексов, стендов контроля и сдачи изделий, производственной и испытательной базы.
Одним из важнейших стендов предприятия является универсальный исследовательский пилотажный стенд «Березина», служащий для исследования и отработки алгоритмического обеспечения пилотажных комплексов вертолётов, а также обеспечения сопровождения их в лётных испытаниях.
Данный стенд создавался на предприятии в течение многих лет и находится в постоянном развитии в соответствии с наращиванием функциональных требований, предъявляемых к пилотажным комплексам вертолётов, развитием средств и возможностей вычислительной техники и сетевых решений.

Назначение стенда «Березина» и решаемые им задачи

Вертолётный исследовательский стенд «Березина» предназначен для:

• ускорения разработки законов управления и нового пилотажного оборудования;
• повышения экономической эффективности всего цикла разработки пилотажных комплексов за счёт сокращения сроков и затрат, необходимых для проектирования и отработки пилотажных комплексов вертолётов (ПКВ).

Задачи, решаемые на стенде:

• формирование и отработка принципов и алгоритмов работы пилотажных систем для достижения требуемых лётно-технических характеристик вертолётов;
• исследование алгоритмов повышения устойчивости и управляемости вертолётов;
• исследование директорных режимов;
• исследование отказобезопасности систем управления с лётчиком в контуре управления;
• исследование алгоритмов управления вертолётом с грузом на внешней подвеске;
• исследование систем отображения пилотажной информации;
• формирование методики отработок пилотажных комплексов на стендах наземной отработки;
• сопровождение лётных испытаний с принятием при необходимости оперативных решений по корректировке алгоритмов управления.

Аппаратное обеспечение стенда включает в себя следующие группы оборудования:

• многомашинный вычислительный комплекс с аппаратурой сопряжения;
• кабину стенда с внутрикабинной системой визуализации;
• систему визуализации внекабинной обстановки со сферическим экраном, обеспечивающим сектор обзора в горизонтальной плоскости 160° и вертикальной плоскости 60°;
• систему гидропитания;
• систему электропитания.

Структурная схема универсального вертолётного исследовательского пилотажного стенда «Березина» приведена на рис. 1. 

Кабина стенда

В качестве кабины лётчика-оператора используется кабина тренажёра «Березина», доработанная под исследовательский стенд. Кабина установлена на стационарное основание.
В кабине имеются штатные органы ручного управления: ручка циклического шага (РЦШ), ручка общего шага (РОШ), педали.
Органы ручного управления механически связаны с гидроусилителями КАУ-115, на которые также подаётся управляющий сигнал с модели САУ через сервоусилители. В проводке управления продольного канала установлен триммерный механизм ТРМ-1, в проводке поперечного и путевого каналов установлены электромеханизмы триммирования МГУ-1, которые при исследованиях используются в качестве триммерных рулевых машинок. На загрузочных пружинах установлены датчики, формирующие разовые команды при их обжатии.
На ручке циклического шага имеются:
– кнопка «ТРИММЕР»,
– кнопка «ОТКЛ АП»,
– четырёхпозиционная кнопка управления.
На ручке общего шага имеются:
– четырёхпозиционная кнопка управления,
– кнопка фрикциона.
Педали оборудованы подпедальниками. На правом подлокотнике кресла лёт­чика имеется боковая трёхканальная руч­ка РУС-Д1 разработки ОАО НИИАО. Есть возможность подключения имитатора левой боковой ручки (джойстик Thrustmaster Hotas Cougar).
Необходимая для исследований конфигурация органов управления определяется программно.
Внутрикабинная система визуализации включает:

• универсальную приборную доску для отображения лётчику пилотажно-навигаци­онной и другой информации (приборная доска реализована на 30" сенсорном мониторе NEC MultiSync LCD 3090 WQXi компьютера Intel Сore i5). Пример изображения на мониторе приборной доски приведён на рис. 2; 
  
  
• универсальный пульт управления, предназначенный для имитации бортовых пультов управления пилотажными комплексами (пульт реализован на 10" планшетном компьютере Fujitsu Lifebook T580 c экраном multi-touch). Пример изображения на экране пульта управления пилотажного комплекса приведён на рис. 3; 
  
  
• пульт индикации и управления, используемый для оперативной настройки лётчиком систем внекабинной и внутрикабинной визуализации (пульт реализован на компьютере Intel Сore i3 c сенсорным дисплеем 12" ELO).

Многомашинный вычислительный комплекс

Многомашинный вычислительный комплекс представляет собой объединённые в сеть тринадцать компьютеров. Функциональное назначение компьютеров показано на рис. 1. Обмен информацией между компьютерами производится по линиям Ethernet со скоростью до 1 Гбит/с. Стыковку с реальной аппаратурой обеспечивает компьютер на базе промышленного шасси Advantech IPC-610 с соответствующими интерфейсными модулями.

Система визуализации внекабинной обстановки

Система внекабинной визуализации (СВ) разработана и поставлена на стенд «Березина» ООО «Компания «Терсис» и представляет собой жёсткий сферический экран ЭК-5С (разработан и изготовлен ООО «АэроСтайл»), на котором с помощью пяти проекторов средствами компьютерной графики лётчику выводится единое слитное изображение внекабинной обстановки. Проекторы уста­новлены на ферме, которая крепится к потолку помещения. В составе системы визуализации используются проекторы F22 1080 Wide VizSim фирмы Projectiondesign.
Изображение создаётся в вы­числительном комплексе системы визуализации (ВКСВ). Управление ВКСВ осуществляется от вычислительного комплекса стенда по локальной сети.
Вычислительный комплекс системы визуализации включает в себя:

• шкаф 42U (рис. 4);
• 5 компьютеров генерации изображения (рис. 5);
• блок коррекции изображения;
• консоль KVM;
• концентратор ЛВС;
• два источника бесперебойного питания.

Принцип работы СВ состоит в том, что компьютеры ВКСВ в реальном времени получают по ЛВС от вычислительного комплекса стенда необходимые данные, на основании которых генерируют изображение соответствующих областей пространства, которое проекторами отображается на сферическом экране (рис. 6). 

Программно-математическое обеспечение стенда

Программно-математическое обеспечение стенда, разработанное специалистами предприятия, поддерживает его работу на этапе подготовки стенда к моделированию, при проведении работ с лётчиком в контуре управления и на этапе обработки результатов экспериментов.
Программное обеспечение исследовательского стенда, применяющееся на этапах, предваряющих полёты с лётчиком, разработано с учётом необходимости проведения расчётов и математического моделирования для проверки выполнения требований не только ТЗ на конкретное изделие, но и стандарта ADS-33 (Aeronautical Design Standard – стандарт авиационного проектирования). Основная часть этих требований базируется на анализе частотных характеристик, нулей и полюсов передаточных функций и переходных процессов.
В состав программного обеспечения входят:

• САПР «ЭКСПАНСИЯ» для проведения анализа, синтеза и моделирования в классе линейных систем. Эта система автоматизированного проектирования, разработанная в ОАО КБПА, позволяет решать следующие задачи:

– проводить анализ линейной системы путём расчёта нулей и полюсов, построения частотных характеристик, областей устойчивости с линиями равного демпфирования и равного быстродействия, корневых годографов;
– выполнять синтез регуляторов заданной структуры;
– проводить моделирование линейных систем с синтезированными линейными законами управления, а также моделировать работу непрерывных и цифровых фильтров. 

• Программы для выполнения математического моделирования на нелинейных моделях. К ним относятся:

– библиотеки нелинейных моделей вертолётов;
– программы, реализующие нелинейные модели приводов, датчиков и турбулентной атмосферы;
– библиотека программ для реализации пилотажных законов управления;
– программы для регистрации параметров моделирования и отображения графической информации на экране. 

• Программы для обработки результатов моделирования (просмотр и сравнение графиков, их статистическая обработка, оформление и печать осциллограмм). Здесь используются те же программы, что и при обработке стендовых экспериментов, что позволяет сопоставлять результаты математического и стендового моделирования.

При подготовке стенда к моделированию программное обеспечение выполняет следующие задачи.

• Тестирование аппаратуры стенда. Тест-программы позволяют проверять работоспособность аппаратной части стенда (линий связи, индикаторов, датчиков, рулевых агрегатов), регистрировать в динамике необходимые параметры, снимать частотные характеристики рулевых машин и т.п.

• Реализация диалогового интерфейса с пользователем в процессе настройки параметров стенда. С помощью этой программы перед началом моделирования инженер-исследователь выбирает нужную модель вертолёта, задаёт начальные условия параметров полёта, вид и параметры внешних возмущений, список сигналов и разовых команд для регистрации. Интерфейс с пользователем выполнен в виде системы многоуровневого меню и диалоговых окон (пример приведён на рис. 7). 
  
  

При имитации полётов с лётчиком в контуре управления программное обеспечение выполняет следующие функции. 

• Организация работы стенда в реальном времени. Всё стендовое моделирование осуществляется с шагом дис­кретизации Т0=0,01с, временнаˆя диаграмма выдерживается с точностью
• до 1 мкс.
• Стыковка вычислительного комплекса с аналоговой аппаратурой стенда. Обрабатываются 44 выходных сигнала ЦАП и 37 входных сигналов АЦП, а также 50 входных и 45 выходных разовых команд.
• Обмен данными между компьютерами вычислительно-моделирующего комплекса. Используются разработанные в ОАО КБПА программы для обмена данными через сетевой интерфейс по протоколу UDP.
• Расчёт моделей ЛА, датчиков, турбулентной атмосферы, навигационной обстановки. Программное обеспечение стенда позволяет оперативно выбирать нужную модель летательного аппарата, состав датчиков, вид и параметры ветра, а также начальные условия полёта.
• Имитация работы бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ). Рассчитываются алгоритмы управления, и реализуется логика пульта управления пилотажного комплекса. Программирование выполняется на языке С, что в дальнейшем позволяет использовать отработанные на стенде программы пилотажных алгоритмов в качестве завершённых и протестированных модулей бортового программного обеспечения.
• Регистрация параметров моделирования. На жёсткий диск компьютера в процессе моделирования записывается одновременно до 300 параметров. Максимальная частота регистрации 200 Гц.
• Отображение параметров моделирования на экране. В процессе моделирования на экран компьютера для инженера-исследователя в реальном времени выводятся графики параметров полёта и разовых команд.
• Расчёт и отображение внекабинной обстановки. Изображение системы внекабинной визуализации формируют генераторы изображений окружающей обстановки, программное обеспечение которых разработано с использованием текущей версии библиотеки Microsoft DirectX SDK. Кроме того, на отдельных компьютерах реализована программа, синхронизирующая работу пяти каналов системы визуализации, и система, формирующая итоговое изображение для корректного отображения на сферическом экране. На текущий момент в системе внекабинной визуализации реализованы четыре сцены:

– аэродром с двухкилометровой взлётно-посадочной полосой;
– полигон для отработки типовых манёвров в соответствии со стандартом ADS-33 (рис. 8); 
– морская сцена с возможностью отработки посадки на буровую платформу или качающуюся палубу корабля (рис. 9);
– аэродром, имеющий реальный прототип. 

• Внекабинная визуализация (вид с земли). Работа этой программы осуществляется на тех же аппаратных средствах, что и отображение внекабинной обстановки для лётчика, и позволяет инженеру-исследователю наблюдать за поведением вертолёта из любой точки пространства (рис. 10). 
  Местоположение точки наблюдения может меняться в процессе полёта. 
  
  
• Расчёт и отображение внутрикабинной обстановки. Программное обеспечение универсальной приборной доски и пульта позволяет отображать вид реальной приборной доски и пульта исследуемого летательного аппарата. Изображения на экранах компьютеров, имитирующих приборные доски и пульты, приведены на рис. 2 и 3.

Заключение

За годы эксплуатации стенда на нём прошли исследования и отработку алгоритмы систем автоматического управления практически для всех разработанных в ОАО КБПА пилотажных комплексов вертолётов. На этапе лётных испытаний стенд позволял оперативно корректировать алгоритмическое и программное обеспечение САУ. В процессе разработки бортовых комплексов на стенде «Березина» проводили исследования с выдачей предварительных рекомендаций и лётных оценок многие лётчики-испытатели фирм ОАО «Камов», ОАО «МВЗ
им. М.Л. Миля», ЛИИ им. М.М. Громова, ОАО «КВЗ», Центра боевой подготовки вертолётов армейской авиации.
Таким образом, созданный в ОАО КБПА уникальный вертолётный пилотажный исследовательский стенд «Березина» позволяет внедрять в разработки современное бортовое алгоритмическое и программно-математическое обеспечение, существенно повышает качество отрабатываемых бортовых систем, снижая при этом затраты на проведение лётных испытаний и эксплуатацию. ●