PRACE iNSTYTUTU LOTNiCTWA ISSN 0509-6669231, s. 42-51, Warszawa 2013

OPRACOWANiE SYmULATORA TRENiNgOWEgObEzzAłOgOWEgO 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 symula-

tora bezzałogowego systemu powietrznego. Przedstawiony symulator jest częścią projektu ma-

jącego na celu opracowanie kompletnego systemu bezzałogowego wykorzystującego małe

wiropłaty. Przedstawione zostały wymagania dla symulatora systemu bezzałogowego oraz przy-

jęte w projekcie założenia. Następnie przedstawiono architekturę opracowanego systemu oraz

opisano poszczególne moduły symulatora. W artykule przedstawiono również zastosowane po-

dejście do modelowania wiropłata typu quadrotor na potrzeby symulacji w czasie rzeczywistym.

WPROWAdzENiE

W lotnictwie załogowym od wielu lat bardzo istotną rolę spełniają symulatory lotu. Głów-nym powodem ich stosowania jest zmniejszenie ryzyka oraz kosztów związanych z nauką pi-

lotażu statków powietrz -nych. Symulatory lotu bu-dowane są w bardzo róż-nych konfiguracjach, a od -powiednie przepisy ściśleokreślają wymagania sta-wiane symulatorom wy-korzystywanym w róż -nych etapach szkolenialotniczego (rys. 1, 2).

Rys. 1. Prosty symulator

lotniczy klasy BITD – Basic

Instrument Training De-

vice (Zakład Automatyki i

Osprzętu Lotniczego Poli-

techniki Warszawskiej)

43OPracOWaNIe SymulatOra treNINGOWeGO ...

W systemach bezzałogowych nie istnieje ryzy ko związane z naraża niem życia i zdrowia pi-lotów, lecz wciąż pozostaje czynnik związany z kosztami szkolenia. W tym wypadku nie są totylko koszty eksploatacyjne, które w mniejszych klasach systemów są bardzo niskie, ale chodzigłównie o koszty ewentualnej utraty statku powietrznego przenoszącego kosztowne wyposa-żenie. z tego powodu symulatory są obecnie niezbędnym elementem każdego systemu bezza-łogowego wykorzystywanego przez profesjonalnych użytkowników.

zAłOżENiA dLA OPRACOWANiA SYmULATORA SYSTEmU bEzzAłOgOWEgO

ze względu na specyfikę systemów bezzałogowych, w których sam statek powietrzny sta-nowi jedynie platformę, nośnik dla wyposażenia, inna jest również specyfika symulatorów opra-cowywanych dla nich. W tego typu symulatorach nacisk kładziony jest na kwestię naukii treningu obsługi całego systemu, a nie tylko samej platformy latającej. W związku z tym pod-czas opracowywania takiego symulatora konieczne jest uwzględnienie kwestii takich jak sy-mulacja działania przenoszonego przez platformę wyposażenia (głowice obserwacyjne,systemy radarowe itp.), współpraca pomiędzy operatorem platformy a operatorem wyposaże-nia czy kwestie związane z symulowaniem sytuacji awaryjnych takich, jak np. zerwanie kon-taktu radiowego lub awaria wybranych podsystemów. W wielu obecnie produkowanychi użytkowanych systemach bezzałogowych wciąż istnieje możliwość przejęcia bezpośredniejkontroli przez pilota, czy to na czas startu i lądowania, czy na wypadek wystąpienia sytuacjiawaryjnych. W związku z tym również symulator powinien uwzględniać taką możliwość, coz kolei związane jest z rozwojem funkcjonalności symulatora umożliwiającego prezentowaniewidoku statku powietrznego "z zewnątrz".

Ostateczna struktura symulatora bezzałogowego systemu powietrznego zależeć będzie odwielu 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 awa-

ryjne, 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.

Rys. 2. Symulator lotni-

czy klasy FNPT – Flight

and Navigation Proce-

dure Trainer (Zakład

Automatyki i Osprzętu

Lotniczego Politechniki

Warszawskiej)

W ramach prezentowanego projektu rozwijany jest pojazd bezzałogowy (przez partnera)oraz jego symulator. Wiele symulatorów rozwijanych na świecie jest przeznaczonych do okre-ślonych typów pojazdów bezzałogowych i wykorzystywanych do różnych zastosowań tych kon-kretnych pojazdów. chociaż istnieją rozwiązania uniwersalnych systemów symulacyjnych [1],większość rozwiązań jest przeznaczona dla konkretnego zadania roli, na przykład symulacjaruchu manipulatora robota jeżdżącego [2]. Nieodłącznym elementem każdego symulatora jestmoduł dynamiki obiektu ruchomego. moduł ten jest odpowiedzialny za generowanie fizycz-nych zależności pomiędzy pojazdem i otaczającym go środowiskiem [3].

Symulator ma być przeznaczony nie tylko do szkolenia operatorów pojazdów bezzałogo-wych, ale również w celu wsparcia procesu projektowania i rozwoju tych urządzeń. Wsparcieto ma być stosowane na wszystkich etapach tworzenia pojazdu. Skuteczność nowych metodi algorytmów sterowania, nawigacji może być zweryfikowana przed ich wdrożeniem. Informa-cje na temat walidacji modelu można znaleźć w wielu publikacjach, np. w [4]. Symulator możeznaleźć zastosowanie do badania relacji człowiek-maszyna. Badania w tej dziedzinie prowa-dzone 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 doopracowywanego symulatora bezzałogowego systemu powietrznego.– modelowany jest statek powietrzny typu wiropłat wielowirnikowy tzw. quadrotor (rys. 3),

– 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 symulo-

wane,– symulator powinien umożliwiać sterowanie przenoszoną przez platformę kamerą,– ze względu na równoległe rozwijanie systemu oraz jego symulatora powinna istnieć moż-

liwość łatwej rekonfiguracji modelu wiropłata,– symulacja powinna umożliwiać zapoznanie operatorów ze specyfiką operacji w terenie zur-

banizowanym.

44 PrzemySłaW BIBIk, macIej zaSuWa

Rys. 3. Quadrotor

TARKUS firmy WB

Electronics

45OPracOWaNIe SymulatOra treNINGOWeGO ...

ARChiTEkTURA SYTEmU SYmULATORA

Podstawowy schemat logiki systemu symulatora bezzałogowego wiropłata przedstawionyjest na rysunku 4.

elementem podstawowymjest blok systemu informatycz-nego. z tym elementem komu-nikują się stanowiska uczniaoraz instruktora ćwiczenia.Wyjściem z systemu infor ma- tycznego jest sygnał videoprzekazywany do systemu wi-zualizacji. za organizację opro-gramowania systemu informa-tycznego odpowiada tzw. opro-gramowanie szkieletowe. Naprzedstawionym schemaciezaznaczono również miejscemodelu dynamiki symulowa-nego obiektu w strukturze sy-mulatora.

Warstwa sprzętowa symu-latora zorganizowana jest w bardzo podobny sposób. uczeń poprzez stację kierowania komu-nikuje się ze stanowiskiem instruktora oraz z systemem informatycznym. System informatycznygeneruje 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 pozwalana dużą elastyczność symulatora w kontekście wykorzystywanego oprogramowania i sprzętu

Rys. 4. Ogólny schemat organizacji symulatora

oraz na jego łatwe rekonfigurowanie. W opracowanym symulatorze występuje pięć głównychmodułów: moduł zarządzania symulacją, moduł obiektu - wiropłata, moduł instruktora, modułpanelu operatora oraz moduł wizualizacji. Wszystkie moduły komunikowane są za pomocąwspólnej przestrzeni pakietów danych. Niektóre z modułów komunikują się z elementami ze-wnętrznymi, część modułów posiada również w swojej strukturze podmoduły – jak np. modułwiropłata zawiera dwa podmoduły: moduł dynamiki obiektu i moduł autopilota.

Moduł Zarządzanie symulacją

moduł ten zarządza prowadzoną symulacją. jego podstawowym zadaniem jest obsługa po-zostałych modułów, odpowiednie ich wywoływanie oraz zapewnienie działania symulatora wtzw. czasie rzeczywistym. moduł ten również komunikuje ze sobą różne symulatory w przy-padku prowadzenia symulacji z użyciem kilku symulatorów. W tym przypadku w symulatorachzaiOl wykorzystywany jest standardowy, międzynarodowy interfejs Hla (ang. High level ar-chitecture). W takim przypadku możliwe jest symulowanie kilku systemów bezzałogowychoperujących w jednej, wspólnej przestrzeni wirtualnej.

Moduł Instruktor

moduł ten zajmuje się obsługą stanowiska instruktora symulowanego ćwiczenia. Instruk-tor za pomocą panelu graficznego (rys. 6) sprawuje kontrolę nad ćwiczeniem. W tym panelukonfiguruje się ćwiczenie – ustala się warunki otoczenia (mapę terenu, warunki środowiskowe)oraz stan wiropłata (jego położenie w otoczeniu wirtualnym. Instruktor uruchamia równieżsymulację, może ją zatrzymać oraz nagrywać, a następnie odtwarzać. W trakcie ćwiczenia in-struktor na panelu graficznym obserwuje podstawowe parametry stanu wiropłata (wysokość,prędkość, orientację przestrzenną, poziom naładowania akumulatora itp.), ma również możli-wość wprowadzenia zdefiniowanych i obsługiwanych przez model obiektu awarii.

Rys. 6. Przykładowa panel graficzny stanowiska instruktora

46 PrzemySłaW BIBIk, macIej zaSuWa

Moduł Panel operatora

jednym z założeń przyjętych przy opracowywaniu opisywanego symulatora było zapew-nienie możliwości podłączenia typowej konsoli operatora (rys. 7). moduł „Panel operatora” od-powiada za zrealizowanie tej możliwości pozwalając na podłączenie konsoli operatora dosymulatora poprzez interfejs sieciowy.

Rys. 7. Przykład konsoli operatora systemu bezzałogowego

Obsługa symulatora przez ucznia/operatora odbywa się na takiej samej zasadzie jak ob-sługa rzeczywistego systemu. W wybranych stanach lotu można sterować wiropłatem w trybiepółautomatycznym, wykorzystując drążki sterowe umieszczone na konsoli operatora i obser-wując na ekranie zachowanie wiropłata (tryb widoku z zewnątrz), lub sterować w sposóbw pełni automatyczny określając na konsoli zadania dla systemu. Sygnały sterujące przesyłanesą z konsoli operatora do modułu dynamiki obiektu.

Moduł Wizualizacja

moduł ten odpowiedzialny jest za wyświetlanie środowiska wirtualnego. W tym celu modułWizualizacja odczytuje bazę danych terenu a z modułu Wiropłat otrzymuje informacje o pozy-cji i orientacji przestrzennej symulowanego obiektu i wyświetla widok odpowiadający tej po-zycji. Wizualizacja opracowanego symulatora pozwala na pracę w dwóch trybach: widokuz zewnątrz (rys. 8) oraz prezentowania obrazu z przenoszonej kamery (tryb FPV – First PersonView). W najprostszym przypadku, system wizualizacji, to ekran komputera wyświetlającyobraz z jednego kanału video. W przypadkach bardziej złożonych w skład systemu wizualiza-cji może wchodzić komputer obsługujący rzutniki pozwalające na prezentowanie wielokana-łowego obrazu na jednym lub wielu ekranach.

47OPracOWaNIe SymulatOra treNINGOWeGO ...

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 wejściumoduł obiektu otrzymuje zmienne sterujące pochodzące z konsoli operatora systemu orazzmienne określające parametry środowiskowe (m.in. temperatura, prędkość i kierunek wiatru)pochodzące w panelu instruktora. Wyjściem z modułu obiektu jest są zmienne określające po-łożenie i orientację obiektu w wirtualnej przestrzeni przekazywane do modułu wizualizacji.

W opisywanym module dokonano podziału pomiędzy modelem obiektu oraz modelemukładu automatycznego sterowania. Podmoduł układu automatycznego sterowania funkcjo-nalnie odpowiada układowi automatycznego sterowania rzeczywistego wiropłata. W zależno-ści od wybranych przez operatora opcji zapewnia możliwość sterowania w trybiepółautomatycznym lub w pełni automatycznym. Podmoduł obiektu opisuje reakcje wiropłatana zadane sterowania w określonych warunkach otoczenia. Oba te podmoduły komunikują sięza pomocą określonych interfejsów, co pozwala na ich niezależną wymianę. zastosowanie ta-kiego rozwiązania było konieczne ze względu na to, iż w prezentowanym projekcie wszystkieelementy, tj. platforma latająca, jej układ automatycznego sterowania oraz symulator, były roz-wijane równolegle.

ze względu na charakter projektu moduł układu automatycznego sterowania nie może byćszczegółowo zaprezentowany w niniejszym referacie. elementem, który może być zaprezen-towany jest przyjęta metodyka modelowania ruchu symulowanego wiropłata.

W symulatorach lotu systemów bezzałogowych, ze względu na opisaną wcześniej specy-fikę, dotyczącą głównie symulowania całego systemu, ruch obiektu opisuje się prostymi mo-delami kinematycznymi. tego typu podejście jest w pełni akceptowalne, jeśli np. symuluje sięprowadzenie obserwacji z pokładu samolotu lecącego na dużej wysokości. jednak w przypadku,gdy rozważany jest lot małego wiropłata w terenie zurbanizowanym, tego typu podejście prze-staje być uzasadnione. W warunkach miejskich pojawiają się bardzo specyficzne czynniki, takiejak podmuch wiatru, lub wpływ przeszkód na opływ obiektu, które wymuszają koniecznośćstosowania w symulacji modeli dynamicznych.

Do zastosowania w prezentowanym symulatorze został opracowany model dynamiczny wi-ropłata typu quadrotor. model ten uwzględnia ruch przestrzenny bryły sztywnej pod wpływemobciążeń grawitacyjnych, bezwładnościowych i aerodynamicznych. z punktu widzenia mode-lowania matematycznego najtrudniejsze zadanie to wierne odwzorowanie obciążeń aerody-namicznych kadłuba i śmigieł wiropłata przy zapewnieniu działania modelu w czasierzeczywistym. jest to zagadnienie kluczowe w technice symulatorowej i musi być uwzględnianena każdym etapie opracowywania nowego systemu symulacyjnego. W prezentowanym symu-latorze, ze względu na wymóg symulacji lotów w terenie miejskim, a nawet wewnątrz budyn-ków, szczególna uwaga została poświęcona modelowaniu obciążeń aerodynamicznych śmigieł[8].

ze względu na konieczność skrócenia czasu obliczeń dynamiki obiektu nie jest możliwe za-stosowanie w symulatorze pełnego, szczegółowego modelu wiropłata z obciążeniami śmigiełobliczanymi np. metodą pasową, jak w dotychczas opracowanych w zaiOl modelach [9]. abyzapewnić jednak dużą wiarygodność symulacji w opracowaniu modelu zastosowano podejściekilkuetapowe. W pierwszym etapie śmigła stosowane na rzeczywistym wiropłacie zostały prze-badane w tunelu aerodynamicznym. Badanie te pozwoliły na poznanie charakterystyk obroto-wych śmigieł, tj. ciągu i momentu oporowego śmigła w funkcji prędkości obrotowej. Badania tezostały przeprowadzone dla różnych prędkości opływu śmigła zarówno w opływie osiowym jaki opływie skośnym. Następnie charakterystyki te posłużyły do zwalidowania szczegółowegomodelu numerycznego obciążeń śmigła. model ten uwzględnia rzeczywiste parametry geo-metryczne (cięciwa, skręcenie, profile aerodynamiczne) łopat śmigła oraz prędkość induko-waną obliczaną z modelu Glauert'a. Sześć składowych obciążeń śmigła (trzy siły i trzymomenty) obliczane są metodą elementu łopaty dla zadanych parametrów opływu. Walidacjamodelu sprowadziła się do modyfikacji współczynników aerodynamicznych przekrojów łopatw taki sposób, aby uzyskać najlepsze dopasowanie charakterystyk doświadczalnych z charak-terystykami obliczeniowymi. Następnie model numeryczny posłużył do wygenerowania tzw.map obciążeń, czyli sześciu składowych obciążeń aerodynamicznych w funkcji prędkości obro-towej śmigła, dla różnych prędkości opływu, od opływu osiowego do opływu w płaszczyźnieśmigła. charakterystyki te zapisane w pamięci symulatora są w trakcie symulacji aproksymo-wane dla aktualnych warunków pracy każdego śmigła. W ocenie autorów pracy, podejście takiepozwala zminimalizować czas obliczeń, pozwalając równocześnie wiarygodnie odzwiercied-lać zachowanie obiektu. Indywidualne obliczanie obciążeń każdego śmigła jest istotne zewzględu na możliwość lokalnego uwzględniania zmian warunków pracy quadrotora (np. pod-czas niskiego przelotu jednym śmigłem nad przeszkodą).

POdSUmOWANiE

W ramach prezentowanej pracy opracowano symulator bezzałogowego systemu powietrz-nego bazującego na wiropłacie typu quadrotor (rys. 9).

49OPracOWaNIe SymulatOra treNINGOWeGO ...

Rys. 9. Stanowisko operatora, konsola oraz system wizualizacji symulatora systemu bezzałogowego

W prezentowanej wersji system informatyczny uruchomiony jest na dwóch komputerachklasy Pc. Instruktor ćwiczenia ma do dyspozycji monitory lcD, na których prezentowane sąinformacje o ćwiczeniu w formie panelu graficznego. ze względu na ciągły rozwój opracowy-wanego systemu symulatora w obecnym rozwiązaniu ekrany te służą również do nadzorowa-nia stanu całego systemu informatycznego.

Środowisko wirtualne wyświetlane jest na dwóch ekranach telewizyjnych o dużej przekąt-nej, pozwalając na prezentację zarówno widoku z zewnątrz jak i widoku z kamery pokładowej.Widok z kamery pokładowej można również prezentować na konsoli operatora systemu – takjak w rzeczywistym rozwiązaniu.

Opracowany symulator w obecnej postaci jest symulatorem badawczym, umożliwiającymłatwe wprowadzania zmian zarówno w symulowanym obiekcie, jak i w obsługiwanym sprzę-cie. Symulator ten stanowi bazę, na której można będzie w przyszłości, po zamrożeniu wyma-gań technicznych, opracować w pełni funkcjonalny symulator - trenażer dla powietrznegosystemu bezzałogowego.

POdziękOWANiA

Przedstawione prace zostały wykonane w ramach projektu badawczego NcBir pt. „Opra-cowanie małego Bezpilotowego Wiropłata” nr 0032/r/ID1/2011/01 we współpracy z firmąWB electronics S.a.

50 PrzemySłaW BIBIk, macIej zaSuWa

BIBlIOGraFIa

[1] Balaguer, B., Balakirsky, S., carpin, S., lewis, m., Scrapper ch. (2008). uSarSim: a validatedsimulator for research in robotics and automation. International conference on Intelligentrobots and Systems. Ieee/rSj 2008, Nicea, Francja 22–26.09.2008.

[2] Schoor, W., Nikolisin, H., radetzky, a. (2010). training Simulation of the manipulator Ve-hicle teODor for explosive Ordnance Disposal and Improvised explosive Device Disposal.Publications of european aeronautic Defence and Space company (eaDS). In Proceedingsof Itec2010.

[3] craighead, j., murphy, r., Burke, j., Goldiez, B. (2007). a Survey of commercial & OpenSource unmanned Vehicle Simulators. 12th Ieee International conference on robotics andautomation, 10–14 april, pp. 852–857, ISSN: 1050-4729, DOI: 10.1109/rOBOt.2007.363092.

[4] Pepper, c., Balakirsky, S., Scrapper c. (2007). robot Simulation Physics Validation.Proceedings of the 2007 Workshop on Performance metrics for Intelligent Systems, pp.97–104, New york, Ny, uSa, 2007, acm.

[5] Hess, r. a., marchesi, F. (2009). analytical assessment of Flight Simulator Fidelity usingPilot models. Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 32, No. 3, pp. 760–770.

[6] lewis, m., Wang, j., Hughes, S. (2007). uSarSim: Simulation for the Study of Human-robotInteraction. Journal of Cognitive Engineering and Decision Making. Vol. 1, No. 1, Spring 2007,pp. 98–120. DOI: 10.1177/155534340700100105.

[7] Bartoszek j., Narkiewicz j. and zasuwa m. (2011). Innovative, reconfigurable Simulator ofmobile robots to Support anti-crisis Operations in 16th International conference on meth-ods and models in automation and robotics (mmar), miedzyzdroje, Poland, august 22-25,pp. 122-126.

[8] Hoffmann G.m., Huang H., Waslander S.l., and tomlin c.j. (2007). Quadrotor HelicopterFlight Dynamics and control: theory and experiment in aIaa Guidance, Navigation andcontrol conference and exhibit, 20-23 august 2007, Hilton Head, South carolina.

[9] Bibik P., and Narkiewicz j. (2012). Helicopter Optimal control after Power Failure usingcomprehensive Dynamic model. Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 35, no. 4,july-august 2012, pp. 1354-1361, DOI: 10.2514/1.51371.

dEvELOPmENT Of A TRAiNiNg SimULATOR fOR AN UNmANNEdAERiAL 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 dif-

ferent modules of the simulator are presented. The paper presents also the approach applied to

modeling a quadrotor rotorcraft for real-time simulation.

51OPracOWaNIe SymulatOra treNINGOWeGO ...