Принципы комплексирования технических измерительных систем.

Принцип действия пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) основан на моделировании движения ЛА относительно базовой системы отсчета под действием совокуп­ности сил тяги двигателей, сопротивления атмосферы и тяготения Земли. Пространственное положение ЛА, как управляемого объекта, характеризуется вектором состояния, который включает две совокупности составляющих: динамическую и кинемати­ческую.

Динамическая часть вектора включает параметры движения ЛА как твердого тела от­носительно базовой системы координат: по три составляющих векторов уско­рения, скорости и местонахождения, три составляющих вектора угловой скорости и три угла поворота ЛА относительно базовой системы отсчета.

Кинематическая часть вектора содержит составляющие векторов местопо­ложения и скорости движения ЛА относительно ориентиров.

Таким образом, весь состав комплекса – совокупность измерителей, системы связей, вычислительные устройства и исполнительные механизмы и его структура должны воспроизво­дить динамику движения ЛА как твердого тела и кинематику его движений относительно ориентиров. Совместная обработка ин­фор­мации измерителей, осуществляемая в ПНК, обеспечивает получение всех параметров вектора состояния ЛА с необходимой точностью и на­дежностью.

Базовое ядро ПНК. В состав ПНК входит множество источников измерительной информации, однако они не являются равнозначными. Среди измерителей ПНК можно выделить два важнейших компо­нента, во­круг которых группируются весь остальной состав комплекса.

Первый компонент - инерциальные измерители, которые непрерывно и автономно вос­производят динамику ЛА, то есть в течение всего полета в каждый момент времени выдают все динамические составляющие вектора состояния ЛА. В состав этой группы входят система счисления пути, курсовер­тикаль и ДУС. Благодаря их непрерывному функционированию создаются воз­можности для работы всех других измерителей: облегчается поиск, обнаруже­ние и опоз­навание ориентиров, осуществляется предварительное наведение на цель, обеспечивается режим памяти при временном прекращении изме­рений по ориентирам и т.п. Однако инерциальная система счисления пути вследствие информационной недостаточности обладает динамической неустойчивостью и накапливает по­грешности в измерении скорости и координат местонахождения.

Второй компонент - ОСС, которая обеспечивает непрерывное воспроизведе­ние на борту ЛА изображений картины пролетаемой мест­ности и множества ориентиров на ней. Эта система получает большой объем информации, доста­точный для определения всех кинематических составляющих вектора состоя­ния ЛА. Достоинствами ОСС являются возможность обнаружения как по­движных, так и неподвижных ориентиров, определения их физических свойств, осуществления всех режимов измерения, высокая достоверность и точность измерений, отсутствие на­капливающихся погрешностей и высокий уровень избыточности измерений. Однако ОСС обладает существенным недостатком – её работа зависит от состояния атмо­сферы и наличия ориентиров на пролетаемой местности.

Инерциальные измерители и ОСС являются наиболее информативными ком­понен­тами ПНК ЛА, обладают взаимно исключающими недостатками и ограни­чениями, и поэтому из них формируется базовое ядро комплекса. Остальные измерители обеспечивают информационную избыточность, необходимую для повышения точности и надежности измерения и решения специальных задач управления.

Обобщенная модель ПНК ЛА. Для того, чтобы измерительный комплекс мог обеспечить свое целевое назначение, в нем необходимо выполнять следующие функции:

· полное информационное обеспечение потребностей управляемого объекта;

· непрерывное измерение динамических и кинематических параметров объекта;

· моделирование базовой системы отсчета

· преобразование измерительной информации из связанных систем координат в базовую;

· воспроизведение модели пространственного состояния объекта в базовой системе отсчета;

· оценивание пространственного состояния объекта;

· реализация трех режимов измерений: ориентации, прицеливания и разведывания;

· вычисление функционалов измерений;

· синхронизация процессов измерения, обработки информации и управления;

· хранение априорной информации;

· решение задач регулировки и настройки средств измерения, контроля, обучения, адаптации и энергообеспечения;

· получение избыточной информации для обеспечения точности и надежности функционирования.

Каждая из этих функций реализуется определенными функциональными компонентами, наличие которых в ПНК является необходимым для решения задач управления движе­ниями объекта.

Рассмотренные свойства ПНК являются общими для всех видов летательных аппаратов, поэтому могут быть использованы для идентификации биологических аналогов.

Идентификация биологического измерительного комплекса.

Конечно, между ПНК ЛА и биологическим измерительным комплексом (биоИК) существуют опреде­ленные отличия, обусловленные принципиальной разницей в физи­ческой сущности ЛА и живых организмов. Биологические ИК созданы природой для жизнедеятельности в различных сферах: на поверхности Земли, в воздухе, в воде. Они надежно функционируют при сво­бодном движении животного. Кроме решения задач пространственной ориентации и управления дви­жениями, органы чувств живых существ слу­жат для изучения ареала обитания, связи друг с другом и выполне­ния других функций.

Несмотря на принципиальные различия между ПНК ЛА и биоИК в силу общ­ности решаемых ими задач они должны обладать существенными призна­ками, которые обеспечивают им выполнение целевого назначения.

Живое существо, как любой управляемый объект, движется под воздей­ствием внешних сил и усилий, создаваемых собственными мышцами. Характер его движения однозначно определяется совокупностью параметров, которые по аналогии с техническими измерениями можно называть вектором состоя­ния. Задачей биоИК яв­ляется обеспечение систем управления организма информацией такого объема и со­держания, чтобы возможно было целена­правленно управлять движением тела (рис. 32).

Животное обладает несколькими органами чувств, работа которых основана на каком-либо одном физическом процессе восприятия. Каждый из них воспринимает параметры, связанные с одним или несколькими составляющими вектора состояния. По­скольку живые существа обладают способностью к управляемому перемеще­нию, это означает, что в совокупности все эти органы полностью измеряют все составляющие этого век­тора.

Функции первого компонента базового ядра – ССП – в зависимости от условий обитания могут выполнять инерциальные, аэро- или гидродинамические органы чувств, воспринимающие линейные и угловые ускорения и скорости движения.

Функцию ОСС выполняет орган чувств, воспринимающий внешние излучения или геофизические поля и доминирующий по информационным возможностям в дан­ных условиях оби­тания. Вид используемого для обзора излучения также зависит от среды и условий обитания животного.

Для моделирования базовой системы координат в организме животного должны быть: инерци­альные органы чувств, которые физически воспроизводят вертикальное направление и какое-либо направление в горизонтальной плоскости. Это объясняется тем, что на Земле для всех животных базовой является горизонтальная, свобод­ная в азимуте система координат, так как силовое воздействие Земли непрерывно, неизменно по направлению для данной местности и должно учитываться во время движений. Все живые существа, включая растительный мир, ориентируются по направ­лению силового воздействия Земли, которое совпадает с на­правлением вертикали места и используется в качестве оси базовой системы координат.

Рис. 32. Состав измерительного комплекса живого существа.

Остальные органы чувств, воспринимающие внешние излучения, удовлетворяют потребность животного в ин­формации о разнообразных физических свойствах окру­жающих объектах жи­вой и неживой природы, которая используется также для контроля и коррекции базового ядра.

Подавляющее большинство динамических и кинематических параметров движения объекта измеряется косвенно, поэтому в биоИК, также как и в технических ПНК, возникает необходимость в специальных вычисли­телях, решающих алгоритмы методов измерения. У живых существ все логические и математические операции выполняются нейрон­ными структурами в узлах, яд­рах и отделах мозга, которые фор­мально можно трактовать как нейронные вычислители.

В биоИК, как и в ПНК, необходимы координатные пре­образования измерительной информации. Органы чувств располагаются на голове, теле и ко­нечностях животного. Измерительные оси парных органов повернуты зер­кально-симметрично относительно плоскости симметрии тела. Обзорно-срав­нительные измерители меняют ориентацию своих пеленгаторов путем пово­рота глаз, ушных раковин (у зве­рей), движений головы, на которой, как на стабилизированной платформе, сосредоточены важнейшие для простран­ственной ориентации органы чувств. О том, что в живых организмах осуществляются координатные преобразования свидетельствует такой факт: независимо от положения головы или оптических осей глаз все люди на Земле восприни­мают внешний мир в горизонтальной системе координат.

Для реализации координатных преобразований в биоИК должны быть:

² отдел головного мозга, выполняющий ко­орди­натные преобразования;

² органы чувств, воспроизводящие горизонтальную систему координат;

² датчики, определяющие угловую ориентацию измерительных осей органов чувств относительно головы (тела) и положение головы (тела) в горизонтальной системе координат.

Для выработки воздействий, управляющих движениями жи­вотного, необходимо, чтобы в его биоИК существовал центр, обра­батывающий всю совокупность измерительной и априорной информации и воспроизводящий модель его пространственного состояния. О том, что в живых организмах моделируется окружающая ситуация, анализируется и оценивается по многим критериям свидетельствует поведение животных, которые совершают длительные передвижения в пределах ареала обитания, сезонные миграции, осваивают новые территории, отыскивают до­рогу к “дому”, распознают врагов и добычу, преследуют движущиеся объ­екты, охраняют потомство и территорию обитания. Выполнение всех этих функций не возможно без наличия специального органа, способного решать задачи пространственной ориентации, разведывания и прицеливания, и вырабатывать соответствующие управляющие воздействия.

Для распознавания ориентиров, ориентации по ним, при решении алгоритмов измерений, формировании модели пространственного состояния и принятии управляющих решений необ­ходим большой объем априорной информации о начальных условиях дви­жения, режимах функционирования, законах управления, физических константах, признаках, свойствах и расположении множества объ­ектов живой и неживой природы. Потребность в апри­орной информации обусловливает наличие в биоИК системы памяти, содержимое которой используется всеми компонентами комплекса.

Также как и в технических ПНК, в живых ор­ганизмах необходимо обеспечивать синхронное взаимодействие функцио­нальных органов. Поэтому в биоИК должны существовать датчики времени.