close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

РПЗ

код для вставкиСкачать
Представленный проект выполнен на тему «Комплекс подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом» В научно-исследовательской части выполнена разработка алгоритмов формирования достижимых тр
СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ7
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ8
ВВЕДЕНИЕ9
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ10
1.1. Назначение, цель проекта10
1.2. Исходные данные10
1.3. Решаемая задача25
1.4. Вариант решения задачи26
1.5. Логика работы КПИД САУ БПЛА26
2. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ29
2.1. Разработка алгоритмов расстановки ППМ29
2.2. Разработка алгоритмов подготовки данных для формирования эталонов37
2.3. Моделирование43
2.4. Заключение49
3. ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ50
3.1. Программная реализация50
3.2. Техническая реализация64
3.3. Заключение77
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ КОМПЛЕКСА ПОДГОТОВКИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ78
4.1. Введение78
4.2. Объект испытаний78
4.3. Цель испытаний78
4.4. Общие положения79
4.5. Содержание испытаний79
4.6. Разработка алгоритма тестирования СПО КПИД САУ БПЛА79
4.7. Программа проведения испытаний86
4.8. Условия и порядок проведения испытаний87
4.9. Методика проведения испытаний88
4.10. Обработка анализ и оценка результатов испытаний96
4.11. Материально-техническое обеспечение испытаний96
4.12. Отчетность96
4.13. Тестовые данные97
4.14. Заключение98
5. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ КПИД САУ БПЛА99
5.1. Введение99
5.2. Расчет трудоемкости проекта99
5.3. Построение сетевой модели проекта104
5.4. Построение календарного графика выполнения проекта110
5.5. Расчёт затрат111
5.6. Экономическая эффективность115
5.7. Выводы по экономической части117
6. ОХРАНА ТРУДА И ЭКОЛОГИЯ119
6.1. Анализ негативных факторов условий труда при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА119
6.2. Расчет освещения на рабочем месте131
6.3. Заключение136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ138
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ139
ПРИЛОЖЕНИЕ А140
АННОТАЦИЯ
Представленный проект выполнен на тему "Комплекс подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом"
В научно-исследовательской части выполнена разработка алгоритмов формирования достижимых траекторий с учетом положения запретных зон, выбора субоптимальной траектории, определения точек включения радиолокационного канала, выбора опорных участков местности для визирования и определения ракурсов для последующего формирования эталонов.
В конструкторской части разработано специальное программное обеспечение комплекса, в котором реализованы алгоритмы формирования исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом в полном объеме. Сформирован технический облик комплекса.
В технологической части проведен анализ методов тестирования программного обеспечения, разработана методика проведения испытаний комплекса и подготовлен комплект тестовых данных для проведения испытаний комплекса.
В организационно-экономической части определены затраты на разработку специального программного обеспечения комплекса, разработан сетевой план и календарный план выполнения проекта, оценен экономический эффект от реализации. При выполнении расчетов студент продемонстрировал владение основами экономических знаний, необходимых инженеру.
В части "Охрана труда и экология" выполнен анализ негативных факторов условий труда, действующих при проведении испытаний комплекса, а также проведен расчет освещения на рабочем месте оператора комплекса.
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АПСН - аппаратура потребителя спутниковой навигации
АРМ - автоматизированное рабочее место
БПЛА - беспилотный летательный аппарат
БЦВМ - бортовая цифровая вычислительная машина
ВДТ - видеодисплейный терминал
ВК - вычислительный комплекс
ИД - исходные данные
ИНС - инерциальная навигационная система
КПИД - комплекс подготовки исходных данных
НКН - навигационный комплекс носителя
ОС - операционная система
ОУМ - опорный участок местности
ПДК - предельно допустимая концентрация
ППМ - пункт поворота маршрута
ПЗ - полетное задание
САУ - система автоматического управления
СК - система координат
СПО - специальное программное обеспечение
СУД - система управления движением
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время перспективным направлением развития авиационной техники является создание беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эти аппараты могут выполнять очень широкий спектр задач с эффективностью и точностью, которые ранее были доступны лишь пилотируемым самолетам. БПЛА превратились в сложнейший продукт высоких технологий. Они могут быть развернуты там, где это необходимо потребителю, не требуют развитой инфраструктуры для обслуживания и запуска, что обеспечивает максимальную гибкость применения. Затраты на их эксплуатацию минимальны.
Для БПЛА, функционирующих в процессе выполнения задания полностью автономно, важным фактором успешного выполнения поставленной задачи является предполетная подготовка исходных данных полетного задания (ИД ПЗ) для системы автоматического управления (САУ) БПЛА. В настоящее время их подготовка осуществляется высококвалифицированным персоналом с помощью набора программных средств и методик. Данный дипломный проект посвящен созданию единого средства, позволяющего в короткий срок сформировать ИД ПЗ в автоматизированном режиме с учетом предъявляемых требований и осуществить загрузку сформированных данных на борт БПЛА. Данное средство будет располагаться на носителе БПЛА и осуществлять информационный обмен как с БПЛА, так и с навигационным комплексом носителя (НКН). В рамках дипломного проекта осуществлена разработка алгоритмического и программного обеспечения указанного средства и формирование его технического облика.
Программное средство, разработанное в рамках работы над дипломным проектом, было внедрено в стенд математического моделирования систем управления ЛА, разрабатываемый ОАО "ВПК "НПО машиностроения".
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
1.1. Назначение, цель проекта
Комплекс подготовки исходных данных (КПИД) для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом предназначен для формирования исходных данных полетного задания БПЛА, содержащего систему коррекции траектории по радиолокационным изображениям местности. КПИД САУ БПЛА обеспечивает формирование ИД ПЗ, включающих в себя пункты поворота маршрута (ППМ), точки включения радиолокационного канала (РЛК) и эталоны для системы коррекции траектории БПЛА, проверку сформированных траекторий и отправку полученных данных в систему формирования полетного задания.
1.2. Исходные данные
1.2.1. Структурная схема БПЛА
Для расчета программной траектории БПЛА используется его структурная схема, приведенная на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Структурная схема БПЛА
1.2.2. Математическая модель динамики БПЛА
Математическая модель динамики БПЛА включает в себя алгоритм расчета вектора состояния (алгоритм динамики БПЛА) [1].
Входные параметры для модели объекта управления представлены в табл. 1.1., выходные параметры для модели объекта управления представлены в табл. 1.2.
Таблица 1.1. Входные параметры для модели объекта управления
Параметр Обозначение Размерность (тип) Источник
ПоступленияНачальное состояние ЛАрад (веществ.) Файл инициализации
рад (веществ.) рад (веществ.) xрад/c (веществ.) yрад/c (веществ.) zрад/c (веществ.) Xgм (веществ.) Ygм (веществ.) Zgм (веществ.) Vxм/c (веществ.) Vyм/c (веществ.) Vzм/c (веществ.) Начальное состояние
рулевых приводовiрад (веществ.) Файл инициализации
рад/c (веществ.) Проекции скорости ветра на оси
земной системы координатWxgм/c (веществ.) Файл инициализации
Wygм/c (веществ.) Wzgм/c (веществ.) Сигналы управленияuiрад (веществ.) Алгоритм управления
Таблица 1.2. Выходные параметры для модели объекта управления
ПараметрОбозначениеРазмерность
(тип)Где используетсяУглы ориентации рад (веществ.)Алгоритм управления рад (веществ.)рад (веществ.)Угловые скоростиxрад/c (веществ.)yрад/c (веществ.)zрад/c (веществ.)Координаты ЦМ Xgм (веществ.)Ygм (веществ.)Zgм (веществ.)Линейные скорости Vxgм/c (веществ.)Vygм/c (веществ.)Vzgм/c (веществ.)Линейные перегрузкиnx- (веществ.)ny- (веществ.)nz- (веществ.) Алгоритм состоит из следующих шагов:
1) Динамика рулевых приводов описывается уравнением:
,(1.1) ,, , .
где ТРП - постоянная времени, D 1/c - добротность, и - соответственно максимальные угол и угловая скорость отклонения руля (в данной задаче перевести в радианы), - сигналы управления поступающие из БЦВМ.
2) Расчет модуля воздушной скорости и её проекции на связанные оси с учётом стационарного ветра:
,(1.2) ,(1.3) ,(1.4) ,(1.5) ,
,
,
,
,
,
,
,
,(1.6) где , , - проекции вектора скорости ветра на оси земной системы координат,
- матрица перехода от земной к связанной системе координат.
3) Расчет суммарных аэродинамических коэффициентов: ;(1.7)
,(1.8) где - угол атаки в градусах; - угол скольжения в градусах;
, , - проекции воздушной скорости на оси связанной системы координат; (1.9) - пространственный угол атаки в градусах;
- углы отклонения аэродинамических рулей; , , , , , , , - аэродинамические коэффициенты определяются посредством линейной интерполяции таблично заданных функций. 4) Расчет проекций аэродинамической силы и момента на оси связанной системы координат:
,
,
,(1.10) ,
,
,(1.11) где - суммарные аэродинамические коэффициенты;
(1.12) - скоростной напор;
=1.225 кг/м3 - плотность воздуха, - модуль воздушной скорости; S - характерная площадь БПЛА; D - характерный диаметр БПЛА; L - характерная хорда БПЛА. 5) Расчет проекций силы тяжести на оси связанной системы координат при центральном ньютоновском поле тяготении:
,
,
,(1.13) где - ускорение свободного падения.
,
(X,Y,Z - координаты в земной системе координат системе координат)
6) Расчет проекции силы тяги двигателя на связанные оси: ,
,
,(1.14) где - сила тяги двигателя.
7) Расчет математической модели пространственного движения БПЛА, представленной в связанной с БПЛА системе координат:
7.1) Расчет уравнений динамики:
;
;
,(1.15) ,
,
.(1.16) 7.2) Расчет уравнений кинематики при последовательности поворотов :
,
,
,(1.17) где - масса аппарата;
, , - проекции вектора скорости центра масс на связанные оси; , , - углы крена, рыскания и тангажа соответственно; ,, - проекции вектора угловой скорости на связанные оси; , , - осевые моменты инерции;
, , - проекции силы тяги двигателя на связанные оси;
, , - проекции силы тяжести; , , , , , - проекции аэродинамической силы и момента.
Примечание. Масса и моменты инерции ЛА определяются посредством линейной интерполяции таблично заданных функций от времени.
8) Расчет изменения координат центра масс ЛА в земной системе координат:
.(1.18) Для определения координат необходимо проинтегрировать данное выражение.
9) Расчет проекции вектора перегрузки на оси связанной системы координат:
,
,
.(1.19) 1.2.3. Математическая модель системы управления БПЛА
Математическая модель САУ БПЛА включает в себя алгоритм расчета управляющего сигнала (алгоритм приведения) [1].
Алгоритм расчета управляющего сигнала предназначен для расчета управляющих сигналов на основе данных о собственном положении БПЛА и данных целеуказания.
Входные параметры алгоритма представлены в табл. 1.3., выходные параметры алгоритма представлены в табл. 1.4.
Таблица 1.3. Входные параметры алгоритма расчета управляющего сигнала
ПараметрОбозначениеРазмерность (тип)Источник
поступленияУглы ориентации рад (веществ.)Алгоритм расчета динамики ЛАрад (веществ.)рад (веществ.)Угловые скоростиxрад/c (веществ.)yрад/c (веществ.)zрад/c (веществ.)Координаты ЦМ Xgм (веществ.)Ygм (веществ.)Zgм (веществ.)Линейные скорости Vxgм/c (веществ.)Vygм/c (веществ.)Vzgм/c (веществ.)Линейные перегрузкиnx- (веществ.)ny- (веществ.)nz- (веществ.)Начальные (для подвижной) координаты целевой точки или точки приведенияXgсм (веществ.)Точки маршрутаYgсм (веществ.)Zgcм (веществ.)Скорость целевой точкиVcм/c (веществ.)Углы ориентации вектора скорости целевой точкисрад (веществ.)срад (веществ.)Таблица 1.4. Выходные параметры алгоритма расчета управляющего сигнала
ПараметрОбозначениеРазмерность
(тип)Где используетсяСигналы управленияuiрад (веществ.)Алгоритм расчета динамики ЛАДальность до цели (точки приведения)rмАлгоритм расчета траектории (для изменения текущей точки маршрута) Алгоритм состоит из следующих шагов:
1) Расчет проекций линейной скорости цели на оси земной системы координат:
,
,
.(1.20) Координаты цели или точки приведения {Xgс, Ygс, Zgc} определяются интегрированием вышеопределённых проекций линейной скорости.
Скорость изменения элементов матрицы перехода от земной системы координат к связанным осям определяются следующим образом:
,
,
,
,
,
,
,
,
.(1.21) 2) Расчет проекций относительного расстояния "Р-Ц" на оси земной системы координат:
,
,
.(1.22) 3) Расчет скорости изменения проекций относительного расстояния "Р-Ц" в земной системе координат:
,
,
.(1.23) 4) Расчет проекций относительного расстояния "Р-Ц" и скорость их изменения в связанной системе координат:
,
,
.(1.24) .(1.25) 5) Расчет дальности "Р-Ц":
.(1.26) 6) Расчет скорости изменения дальности "Р-Ц" (в данном контексте нижеописанное вычисляется без интегрирования):
.(1.27) 7) Расчет углов ориентации линии визирования и скорости их изменения относительно связанной системы координат:
,
,(1.28) ,
.(1.29) 8) Формирование сигналов управления:
При первом такте управления (смена точки приведения или захват на сопровождение): .(1.30) 8.1) Расчёт углов ориентации линии визирования и скорости их изменения относительно земной системы координат:
,
,
,
,
,
,
.(1.31) Расчёт программных сигналов
Заданы ,,.
,
,
,
.(1.32) Расчёт коэффициентов стабилизации
Заданы ,,,,,
,
,
,
.(1.33) 8.2) Расчёт коэффициентов стабилизации
,
,
.(1.34) 8.3) Расчёт сигналов управления
,
,
,
.(1.35) 1.2.4. Алгоритм формирования эталонов
1.2.4.1. Входные данные:
* данные о рельефе местности - объект, позволяющий получать высоту земной поверхности над уровнем моря в точке по ее координатам в стартовой СК;
* данные об объектовом составе - объект, позволяющий получать код типа поверхности в точке по координатам в стартовой СК;
* массив значений количества зон , на которые разбивается поверхность каждого типа - массив из целых, где - число различных кодов типа поверхности;
* размер выходного эталона ();
* собственные координаты РЛ в стартовой СК: ;
* проекции вектора скорости электрического центра антенного устройства в стартовой СК: ;
* центр визирования в стартовой СК: ;
* полоса визирования по дальности ;
* период повторения сигнала ;
* длина несущей волны .
1.2.4.2. Выходные данные:
эталон - матрица беззнаковых целых (8 бит) размером .
1.2.4.3. Описание алгоритма:
Алгоритм функционирует следующим образом:
1) формируется прогнозное изображение в СК дальность - допплеровское смещение с информацией о типе поверхности;
2) формируется эталон путем разбиения сформированного прогнозного изображения на квазиоднородные зоны.
1.2.4.4. Формирование прогнозного изображения в СК дальность-допплеровское смещение
Элемент прогнозного изображения содержит 2 значения: - значение прогнозной яркости элемента и - код типа поверхности.
Алгоритм функционирует следующим образом:
1) Определяется координатная ось по дальности: разрешение по дальности (шаг между соседними элементами выходного изображения):
,(1.36) центральный элемент по дальности:
,(1.37) допустимый диапазон значений по дальности . Если значение дальности элемента не входит в допустимый диапазон значений - элемент исключается из рассмотрения.
2) Определяется координатная ось по доплеровскому смещению: шаг оси
,(1.38) центральный элемент по доплеровскому смещению:
,(1.39)допустимый диапазон значений по допплеру . Если значение доплеровской частоты элемента не входит в допустимый диапазон значений - элемент исключается из рассмотрения.
3) Рассчитывается анализируемая область земной поверхности - множество элементов, находящихся на расстоянии в пределах (с учетом высоты) от точки .
4) Для каждого элемента множества производится разбиение на треугольники . Считается вектор нормали к поверхности треугольника , считается вектор направления от антенны локатора к центру треугольника . Рассчитывается угол между векторами и . Если больше 180 градусов - треугольник исключается из рассмотрения.
5) Треугольник делится на зоны по дальности до с шагом и допплеру по отношению к вектору скорости с шагом .
6) Для каждой зоны треугольников из находится ее центр , рассчитываются его координаты в СК дальность - допплеровское смещение:
,
.(1.40)7) Рассчитывается значение отклика от данной зоны треугольника:
,(1.41) где - площадь зоны.
8) Заполняются значения элементов яркости:
,(1.42) и кодов типа поверхности:
,(1.43) 1.2.4.5. Разбиение прогнозного изображения на квазиоднородные зоны
1) Инициализировать счетчик номера зон .
2) Для каждого кода типа поверхности проверяется число зон , на которое его требуется разбить:
Если , то элементам эталона, соответствующим элементам прогнозного изображения с кодом поверхности , присваивается значение . После этого увеличивается счетчик номера зон и осуществляется переход к следующему коду поверхности .
Если , для элементов прогнозного изображения с кодом поверхности вычисляется гистограмма яркостей, а по ней КФР яркостей . Элементам эталона, соответствующим элементам прогнозного изображения с кодом поверхности присваиваются значения в соответствии с правилом:
,(1.43) где - значение элемента эталона, - значение яркости элемента прогнозного изображения, - операция взятия целой части числа. После этого увеличивается счетчик номера зон и осуществляется переход к следующему коду поверхности .
1.2.5. Состав САУ БПЛА
1) Инерциальная навигационная система (ИНС);
2) аппаратура потребителя спутниковой навигации (АПСН);
3) РЛК;
4) бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ).
1.2.6. Требования к сформированным данным
1) БПЛА должен сохранять устойчивость при движении по сформированной траектории ();
2) сформированная траектория должна быть достижимой ();
3) промах не должен превышать допустимое значение ().
1.2.7. Технические особенности
Время расчета ИД ПЗ не должно превышать 5 мин.
1.3. Решаемая задача
Необходимо обеспечить формирование ИД ПЗ (набор ППМ, точек включения РЛК и эталонов), обеспечивающих приведение БПЛА с системой коррекции траектории, включающей РЛК, в положение объекта назначения при заданных начальных условиях с допустимой точностью.
1.4. Вариант решения задачи
Решение поставленной задачи можно обеспечить посредством создания наземного комплекса подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом. Для этого должна быть проведена разработка алгоритмического обеспечения, СПО и технического облика комплекса.
1.5. Логика работы КПИД САУ БПЛА
На основе задач, стоящих перед КПИД САУ БПЛА, была сформирована диаграмма вариантов использования комплекса (см. рис. 1.1.). На ней отражены основные методы взаимодействия оператора с комплексом и функции комплекса их обеспечивающие.
Рис. 1.1. Диаграмма вариантов использования
Далее была сформирована структурная схема КПИД САУ БПЛА, отражающая порядок выполнения расчетов, а также внутренний и внешний информационный обмен комплекса (рис. 1.2.).
Рис. 1.2. Структурная схема КПИД САУ БПЛА
При работе с КПИД САУ БПЛА оператором осуществляется ввод координат точки старта и объекта назначения, запретных зон и опорных участков местности, а также задается список необходимых расчетов. На основании этих данных проводится расстановка ППМ для множества достижимых траекторий БПЛА, обеспечивающих движение БПЛА из стартовой точки в положение объекта назначения без пересечения запретных зон. Расстановка ППМ для каждой из достижимых траекторий производится с учетом динамики БПЛА. Из указанного множества траекторий КПИД САУ БПЛА по критерию оптимальности выбирается одна субоптимальная, обеспечивающая наилучшую динамику БПЛА. Набор ППМ для выбранной траектории используется для дальнейшего расчета.
Далее осуществляется расчет программной траектории. При этом используется упрощенная модель БПЛА как материальной точки и САУ БПЛА. Для каждой точки траектории определяется вектор состояния БПЛА, затем рассчитывается управляющий сигнал, по которому определяется вектор состояния для следующей точки траектории (см. рис. 1.3.).
По окончании расчета производится проверка рассчитанной траектории на предмет соответствия поставленным требованиям. На всем протяжении полета должна обеспечиваться устойчивость БПЛА, сформированная траектория должна быть досягаемой, а обеспечиваемый промах не должен превышать допустимое значение. Если указанные требования не выполняются, то оператору выдается сообщение о том, что рассчитанная траектория является некорректной, то есть движение по ней БПЛА обеспечено быть не может, и прекращается расчет. В таком случае выбранные начальные условия являются недопустимыми для выполнения БПЛА поставленной задачи.
После корректного расчета программной траектории производится определение точек включения РЛК, входящего в состав САУ БПЛА, и выбор опорных участков местности (ОУМ). Определяются точки, в которых должна быть проведена коррекция траектории. В ближней окрестности этих точек определяются точки, в которых коррекция может быть проведена, то есть точки, в которых возможно произвести визированием ОУМ. Эти точки и являются точками включения РЛК. Далее для каждой точки включения выбирается ОУМ, визирование которого будет производиться.
После этого производится формирование радиолокационных эталонов для системы коррекции траектории БПЛА. Для каждой точки включения РЛК определяется множество допустимых ракурсов визирования ОУМ, для каждого из которых формируется прогнозное изображение ОУМ. По сформированным прогнозным изображениям строятся эталоны путем разбиения сформированного изображения на квазиоднородные зоны.
После окончания указанных расчетов проводится формирование ИД ПЗ. При этом рассчитанные на предыдущих этапах данные конвертируются и отправляются в систему формирования ПЗ.
По результатам работы средствами КПИД САУ БПЛА формируются отчетные материалы по каждому этапу работы.
2. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Разработка алгоритмов расстановки ППМ
2.1.1. Анализ требований к расстановке ППМ
На основе характеристик и ограничений по динамики БПЛА были сформированы требования к расстановке ППМ [2].
Соседние ППМ должны удовлетворять условиям:
1) дальности ППМ должны возрастать и находиться в диапазоне от 10км до дальности от стартовой до объекта назначения ():
.(2.1)2) Расстояние между соседними ППМ (i) и (i+1) должно удовлетворять соотношениям:
,(2.2) где
,(2.3) ,(2.4) ,(2.5) (2.6) - поправка к расстоянию между соседними ППМ.
Здесь:
- расстояние между соседними ППМ;
- радиус разворота;
, - углы поворота в соседних ППМ ;
.
После удовлетворения условий (2.1)-(2.6) необходимо провести перенос i-ый ППМ на профиль движения БПЛА в точку сопряжения окружности и прямолинейного участка траектории. Траектория, удовлетворяющая всем приведенным требованиям является достижимой.
Графическая интерпретация движения БПЛА приведена на рис. 2.1. и рис. 2.2.
Рис. 2.1. Интерпретация движения БПЛА
Рис. 2.2. Отображение ППМ
Отображаемый ППМ - предполагаемая точка поворота, отображаемая специальным программным обеспечением (СПО) КПИД САУ БПЛА. Расчетный ППМ - это точка, принадлежащая траектории, по которой проходит БПЛА. Для получения i-ой расчетной точки необходимо перенести отображаемую точку в точку сопряжения окружности () и прямолинейного участка траектории. Перенос осуществляется в сторону (i-1)-ого ППМ.
2.1.2. Разработка алгоритма формирования достижимых траекторий
Блок-схема алгоритма формирования достижимых траекторий приведена на рис. 2.3.
Алгоритм формирования достижимых траекторий заключается в расстановке ППМ для набора траекторий, соответствующих накладываемым ограничениям [2].
Производится поиск ближней к текущему ППМ запретной зоны, которую пересекает траектория, и построения двух огибающих к ней с учетом требований п. 2.1.1. При этом происходит увеличение количества траекторий на 1. После этого проводится повторная проверка на пересечение запретной зоны. В случае пересечения построение огибающей и проверка на пересечение повторяются до тех пор, пока траектория не перестанет пересекать запретные зоны.
Проверка на пересечение траекторией запретной зоны проводится сравнением:
если (i - номер запретной зоны, j - номер угловой точки запретной зоны, Z - координата Z угловой точки в стартовой СК), то траектория пересекает запретную зону.
Для нахождения ближней пересекаемой запретной зоны определяется запретная зона, имеющая ближайшую угловую точку к данной точке. Если выбранная таким зона не пересекается траекторией, то зона исключается из рассмотрения на данном этапе и повторяется нахождение ближней зоны.
Длина траектории рассчитывается по формуле:
,(2.7) где - длина i-ой траектории, - расстояние между соседними ППМ.
Рис. 2.3. Блок-схема алгоритма формирования достижимых траекторий
2.1.3. Разработка алгоритма построения огибающей к запретной зоне
Блок-схема алгоритма расчета ППМ приведена на рис. 5.
Расчет точек огибания опасной зоны производится следующим образом:
1) построение стартовой СК [2] с началом в текущим ППМ и направлением оси X на целевую точку;
2) нахождение точек i-ой опасной зоны k и j, таких, что:
,
.(2.8)3) получаем координаты новых ППМ в стартовой СК:
,
;(2.9) ,
.(2.10) Корректировка траектории производится в соответствии с требованиями, приведенными в п. 2.1. Если угол поворота превышает значение , то вводится дополнительный ППМ таким образом, чтобы в нем поворот осуществлялся на , а затем через минимально допустимое расстояние - на оставшийся угол для приведения в требуемую точку. Если длина прямого участка меньше требуемой, то данный прямой участок продляется до необходимой длины, после чего осуществляется поворот.
Рис. 2.4. Блок-схема алгоритма построения огибающей к запретной зоне
2.1.4. Разработка алгоритма определения субоптимальной траектории
Блок-схема алгоритма выбора субоптимальной траектории приведена на рис. 2.5.
На основе исходных данных и проведенного моделирования, был эмпирически получен критерий оптимальности:
,(2.11) где i - номер траектории;
- количество ППМ i-ой траектории;
(2.12) - минимальное значение количества ППМ траектории;
- длина i-ой траектории;
(2.13) - наименьшая длина траектории;
(2.14) - наибольший угол поворота для i-ой траектории;
(2.15) - наименьшее значение наибольшего угла поворота.
Сравнение влияния параметров траектории проведено в табл. 2.1. Под удачным подразумевается моделирование, при котором БПЛА сохранил устойчивость и был получен требуемый промах. Всего было проведено 20 моделирований с 20 наборами начальных условий.
Таблица 2.1.
КритерийДлина траекторииМаксимальный угол поворотаКоличество ППМСформированный критерий оптимальностиКол-во удачных моделирований1314919 Субоптимальной считается траектория, имеющая наименьшее значение критерия оптимальности.
За счет L в критерии реализуется наименьший расход топлива, за счет и - обеспечение оптимальной динамики БПЛА.
Рис. 2.5. Блок-схема алгоритма выбора субоптимальной траектории
2.2. Разработка алгоритмов подготовки данных для формирования эталонов
2.2.1. Анализ требований к расстановке точек включения РЛК
Точки включения РЛК должны быть расставлены таким образом, чтобы обеспечить минимальную ошибку ИНС при движении БПЛА по траектории.
Первая точка включения РЛК должна располагаться на горизонтальном участке движения БПЛА, то есть на расстоянии большем 82 км от точки старта. Последняя точка включения РЛК должна располагаться до начала участка самонаведения, то есть на расстоянии 30 км от объекта назначения.
Для достижения наибольшей эффективности коррекции траектории минимальное расстояние между точками включения РЛК должно быть 10 км.
Дальность визирования ОУМ составляет 45 км. Углы визирования ±40.
2.2.2. Алгоритм определения точек включения РЛК
Для минимизации ошибки ИНС проведем коррекцию траектории сразу после выхода БПЛА на горизонтальный участок. Для этого выберем несколько подряд идущих точек включения РЛК. Количество точек должно быть достаточным, чтобы уменьшить ошибку ИНС до минимума [3]. Остальные точки включения РЛК должны располагаться таким образом, чтобы поддерживать ошибку ИНС на допустимом уровне.
Каждое визирование ОУМ сокращает ошибку ИНС на 70%, но не менее чем на 30 м (соответствует 1 пикселю на изображении).
С помощью системы коррекции траектории БПЛА компенсируется аддитивная составляющая ошибки ИНС [3], рассчитываемая по формуле:
,(2.16) где - случайная величина, принимающая значения от 0 до 1;
- модуль ускорения БПЛА.
Оценка возрастания ошибки ИНС позволяет установить, что для проведения коррекции достаточно 5-6 точек коррекции. Введение дополнительных точек нецелесообразно, так как если ошибка ИНС меньше 30 м, то коррекция будет неэффективна из-за недостаточной разрешающей способности РЛК. Это может привести к возрастанию ошибки ИНС.
Таким образом, для проведения коррекции траектории и минимизации ошибки ИНС достаточно 5-6 точек включения РЛК.
На основании вышеизложенного сформирован алгоритм определения точек включения РЛК. В качестве исходных данных используется массив точек программной траектории БПЛА и массив ОУМ с указанием координат.
Для каждой точки траектории БПЛА рассчитывается значение ошибки ИНС по формуле (2.16). Далее определяется крайняя точка траектории, в которой должно быть проведено включение РЛК. Для первого включения это точка начала горизонтального участка траектории (82 км от точки старта). После этого последовательным перебором определяется точка, в которой может быть проведено визирование ОУМ. Если в данной точке можно провести визирование нескольких ОУМ, то предпочтение отдается тому, который визируется под большим углом к траектории БПЛА.
Далее совершается пересчет ошибки ИНС и поиск новых точек включения РЛК.
Блок-схема алгоритма приведена на рис. 2.6.-2.7.
Рис. 2.6. Блок-схема алгоритма определения точек включения РЛК
Рис. 2.7. Блок-схема алгоритма определения возможности визирования ОУМ в точке
2.2.3. Разработка алгоритма формирования эталонов
Метод синтеза эталонов представляет собой последовательность действий по формированию эталонных изображений и геопривязки эталонов. Метод представляет собой формирование прогнозных изображений РЛК при движении носителя по траектории. При этом формируются эталоны для разных ракурсов.
В общем случае, метод формирования эталонов можно свести к следующим шагам:
1) для каждой из точек включения РЛК формируется зона неопределенности положения изделия. Параметры зоны неопределенности рассчитываются исходя из параметров точности навигационной системы БПЛА и его динамики движения, а также предполагаемых погрешностей комплексированной навигационной системы, оцененных для точки включения РЛК (см. рис. 2.8).
Рис. 2.8. Зона неопределенности положения БПЛА
2) Производится дискретизация зоны неопределенности. После этого с заданным шагом по осям X, Y, Z определяются точки, в которых будет производиться визирование ОУМ (см. рис. 2.9). Размер шага по каждой из осей обратно пропорционален проекции скорости на данную ось.
Рис. 2.9. Выбор точек визирования в горизонтальной плоскости
3) Для каждой точки визирования определяются возможные значения углов тангажа, курса и крена исходя из допустимого диапазона изменения этих углов при движении БПЛА и угловой скорости изделия по каждой оси.
4) На основании точек визирования и возможных углов ориентации изделия в этих точках формируются ракурсы визирования.
5) Для каждого ракурса формируется прогнозное изображение в СК дальность - доплеровское смещение.
6) Прогнозные изображения разбивает на квазиоднородные зоны и осуществляется формирование эталонов.
7) На основе ракурса визирования, для которого был получен эталон, формируется геопривязка этого эталона.
8) Сформированные таким образом эталоны заносятся в хранилище эталонов, в котором в соответствие с каждым эталоном ставятся время визирования, угловые параметры и координаты изделия на момент визирования. Параллельно создается набор инструкций для алгоритмов, в которых указывается, в какой момент времени выдавать соответствующий эталон на вход алгоритма распознавания.
2.3. Моделирование
2.3.1. Данные для моделирования
Для проверки корректности сформированных КПИД САУ БПЛА данных была проведена серия отработок на стенде математического моделирования систем управления ЛА, в состав которого включен комплекс. Ниже приведен пример моделирования.
В качестве исходных данных использовались ИД ПЗ, рассчитанные с помощью СПО КПИД САУ БПЛА, подробное описание которого приведено в разделе 3. На основе рассчитанного набора ППМ было проведено моделирование движения БПЛА.
В связи со сложностью подготовки модели фоноцелевой обстановки при формировании эталонов вместо прогнозного изображения использовался радиолокационный снимок местности. Корректность формирования эталонов тестировалась по результатам работы зонного алгоритма распознавания, реализованного в стенде.
Координаты угловых точек запретных зон, использовавшихся при формировании достижимых траекторий, приведены в табл. 2.2. Координаты точки старта и объекта назначения приведены в табл. 2.3.
Таблица 2.2. Координаты угловых точек запретных зон
ШиротаДолготаЗапретная зона 153.57946179.82666053.72921779.85412653.93668880.05737353.65440680.23315453.58272380.56823753.44553580.59021053.45207880.238647Запретная зона 254.25880780.28808654.35815780.54077154.23955180.78247154.23634081.06262254.13991581.12304754.04003880.74951254.07550680.55175854.16565080.337524Запретная зона 354.03358681.22741754.07550681.44714453.92375181.51855553.85576781.36474653.81362681.15051353.90757481.117554
Таблица 2.3. Координаты точки старта и объекта назначения
ТочкаШиротаДолготаДальность, мТочка старта52.83264279.310303212056.32Объект назначения54.21707281.507568
2.3.2. Расчет программной траектории
По данным, полученным в результате расстановки ППМ, было проведено моделирование движения БПЛА по сформированной траектории. Ниже указаны начальные данные для моделирования. Единицы измерения соответствуют приведенным в описании соответствующих алгоритмов.
Координаты точек приведения в географической СК приведены в табл. 2.4., в стартовой СК - в табл. 2.5.
Таблица 2.4. Координаты точек приведения в географической СК
ШиротаДолготаH, мКомментарий52.83264279.3103031000точка старта53.43935080.60106710001 точка приведения54.03870081.21484410002 точка приведения54.21707281.5075681000Целевая точка
Таблица 2.5. Координаты точек приведения в стартовой СК
X, мY, мZ, мКомментарий02500точка старта108304.16300017056.46Точка приведения 1184481.263000108.83Точка приведения 2212056.3200Целевая точка
Ниже приведены графики, полученные в результате моделирования. На рис. 2.10.-2.11. приведено движения БПЛА в вертикальной и горизонтально плоскостях соответственно.
Рис. 2.10. График Y(X)
Рис. 2.11. График Z(X)
На рис. 2.12.-2.14. приведены графики проекций вектора перегрузки на оси связанной системы координат.
Рис. 2.12. График nx(X)
Рис. 2.13. График ny(X)
Рис. 2.14. График nz(X)
На рис.16 приведен график угла атаки БПЛА.
Рис. 16. График α(X)
Полученные пиковые значения приведены в табл. 2.6. Время расчета составило 37 с.
Таблица 2.6.
ПараметрЗначениеОграничениеnx0.6310gny6.0110gnz6.210gα10.4315 град Анализ графиков показал, что рассчитанная траектория является физически реализуемой. Это следует из того, что перегрузки не превышают 10g, угол атаки не превышает 15 градусов. Таким образом, траектория, сформированная СПО КПИД САУ БПЛА является корректной.
Все сформированные эталоны были корректно распознаны на тестовом радиолокационном изображении.
2.4. Заключение
В данной части дипломного проекта было разработано алгоритмическое обеспечение КПИД САУ БПЛА.
Была произведена разработка:
- алгоритма формирования достижимых траекторий;
- критерия оптимальности траекторий и алгоритма выбора субоптимальной траектории;
- алгоритма определения точек включения РЛК, входящего в состав САУ БПЛА;
- алгоритма выбора ОУМ для визирования.
Было проведено моделирования с использованием стенда математического моделирования систем управления ЛА, в состав которого внедрено СПО КПИД САУ БПЛА, для подтверждения корректности формируемых комплексом ИД ПЗ. Моделирование показало, что формируемые данные полностью соответствуют всем налагаемым ограничениям и пригодны для использования в САУ БПЛА.
3. ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ
3.1. Программная реализация
3.1.1. Общие сведения
Для реализации приведенных выше алгоритмов было разработано СПО КПИД САУ БПЛА. Данное ПО было реализовано в среде Visual Studio 2003 .NET на языке C++.
Для удобства разработки, доработки, а также для обеспечения возможности хранения нескольких конфигураций и быстрого выбора одной из них была выбрана модульная структура СПО КПИД САУ БПЛА [4].
Разработанное СПО КПИД САУ БПЛА состоит из модуля ядра СПО (далее, ядра) и расчетных модулей (см. рис. 3.1.). Каждый модуль реализован в виде отдельного класса в отдельном файле. Ядро позволяет осуществить ввод исходных данных для расчетов, передачу их в расчетные модули, выбор и запуск требуемых расчетов, передачу сформированных ИД ПЗ на в систему подготовки ПЗ, визуализацию результатов расчетов и отчета по работе СПО КПИД САУ БПЛА, предоставляет интерфейс пользователя. В расчетных модулях реализованы непосредственно алгоритмы формирования ИД ПЗ.
Рис. 3.1. Структура СПО КПИД САУ БПЛА
Список расчетных модулей:
* модуль формирования траектории;
* модуль расчета программной траектории;
* модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов.
Ввод исходных данных осуществляется как с помощью интерфейса СПО КПИД САУ БПЛА, так и из текстовых файлов. Для каждого типа вводимых данных (координаты точки старта, целевого объекта, запретных зон и ОУМ) используются отдельные текстовые файлы. Координаты в них записываются построчно в порядке широта-долгота.
Для отображения введенных и рассчитанных данных используются спутниковые снимки местности с координатной привязкой (далее, карте). В СПО КПИД САУ БПЛА реализована возможность масштабирования снимков. Поверх карты наложена координатная сетка. При наведении курсора мыши на какую-либо точку на карте производится отображение географических координат данной точки. Путь к карте указан в конфигурационном файле "config.ini", расположенном в папке с исполняемы файлом СПО КПИД САУ БПЛА. Чтение данного файла производится при каждом запуске СПО КПИД САУ БПЛА.
Отображение запретных зон и рассчитанных траекторий на карте осуществляется с помощью цветных линий. Запретные зоны отображаются желтыми линиями, рассчитанные траектории - белыми. Точка старта, объект назначения и введенные ОУМ имеют подпись в белом прямоугольнике над точкой на карте, соответствующей их местоположению. ОУМ, выбранные для визирования отмечаются на карте голубой точкой.
СПО КПИД САУ БПЛА обеспечивает следующие виды отображения на карте упрощенных траекторий, для которых были рассчитаны ППМ:
* все траектории;
* траектория, выбранная в списке траекторий, для которых был произведен расчет;
* субоптимальная траектория, выбранная при расстановке ППМ.
В поле "Порядок расчета" выделяются виды расчетов, которые требуется провести. Нажатие на кнопку "Рассчитать" запускает процесс расчета. При отсутствии требуемых для расчета исходных данных выводится сообщение об ошибке.
В поле "Состояние" отображается текущее состояние, а также сообщения о проведенных действиях.
Ядро СПО КПИД САУ БПЛА также осуществляет загрузку сформированных ИД ПЗ на борт БПЛА. Это осуществляется нажатием на кнопку "Отправка данных". Если ИД ПЗ не сформировано или связь с БЦВМ БПЛА не установлена, то указанная кнопка неактивна.
3.1.2. Модуль формирования траекторий
Задача модуля формирования траекторий заключается в подготовке комплекта ППМ для последующей маршрутной навигации БПЛА, а также для расчета программной траектории и формирования эталонов для системы коррекции траектории БПЛА.
Модуль формирования траекторий обеспечивает формирование исходных данных для решения следующих задач:
* определение точек включения РЛК средствами КПИД САУ БПЛА;
* формирование эталонов для системы коррекции траектории БПЛА средствами КПИД САУ БПЛА;
* маршрутная навигация БПЛА.
Функциональность модуля формирования траекторий, обеспечивающая решение поставленных задач, приведена в табл. 3.1.
Таблица 3.1.
Назначение функцийВыполняемые операцииИнициализация входных данныхПолучение входных данных из ядра.Формирование множества достижимых траекторийРасчет координат массива ППМ достижимых траекторий.Определение субоптимальной траекторииРасчет значения критерия для каждой достижимой траектории.Определение траектории с минимальным значением критерия (определение субоптимальной траектории).Сохранение рассчитанных данных в виде текстовых файлов.
Так как существует бесконечное множество достижимых траекторий БПЛА, обеспечивающих его перемещение из начальной точки к объекту назначения, то расчет ППМ для каждой из них является очень ресурсоемкой и длительной задачей. В соответствии с этим для уменьшения объемов вычислений проводится расчет ППМ только для траекторий, обеспечивающих выполнение всех ограничений, указанных в п. 2.1.1., и отражающих способ построения огибающих к запретным зонам, привеленный в п.2.1.2. Такое множество траекторий далее будет именоваться достижимыми траекториями.
Координаты точки старта, объекта назначения и запретных зон модуль формирования траекторий получает от ядра.
Расстановка ППМ представляет собой последовательный процесс, состоящий из следующих основных этапов:
1. инициализация входных данных;
2. расчет координат ППМ;
3. расчет значения критерия оптимальности;
4. определение субоптимальной траектории;
5. формирование файлов с выходными данными.
На этапе инициализации входных данных производится получение от ядра данных, необходимых для расстановки ППМ достижимых траекторий.
На этапе расстановки ППМ по данным, полученным от ядра, производится расстановка ППМ для набора достижимых траекторий движения изделия с учетом налагаемых ограничений и расположения запретных зон. Рассчитанные наборы ППМ достижимых траекторий хранятся в оперативной памяти в виде массива структур.
На этапе расчета значения критерия для каждой из достижимых траекторий производится расчет значения критерия оптимальности, учитывающего длину и форму полученной траектории. При этом сначала производится определение наилучших для множества достижимых траекторий значений отдельных характеристик, входящих в критерий. Полученные значения используются при расчете значения критерия для каждой из достижимых траекторий.
На этапе определения субоптимальной траектории производится сравнение значений критерия для всех достижимых траекторий и выбора минимального. Соответствующая ему траектория является субоптимальной. Результатом является номер субоптимальной траектории в наборе достижимых траекторий, хранящийся в оперативной памяти. Выбранная траектория обеспечивает наилучшие характеристики динамики БПЛА.
На этапе формирования файлов с выходными данными из сформированных и считанных ранее данных формируется два текстовых файла. Файл "OptTrajPPM.txt" содержит координаты набора ППМ для субоптимальной траектории стартовой СК. Файл "OptTrajPPMgeo.txt" - координаты набора ППМ для субоптимальной траектории в географической СК.
Циклограмма работы модуля расстановки ППМ приведена на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Циклограмма работы модуля расстановки ППМ
3.1.3. Модуль расчета программной траектории
Задачи модуля расчета программной траектории заключаются в расчете параметров для всех точек траектории БПЛА, а также определения корректности расставленных ППМ.
Модуль расчета программной траектории обеспечивает формирование исходных данных для решения следующих задач:
* определение точек включения РЛК средствами КПИД САУ БПЛА;
* формирование эталонов для системы коррекции траектории БПЛА средствами КПИД САУ БПЛА.
Функциональность модуля расчета программной траектории, обеспечивающая решение поставленных задач, приведена в табл. 3.2.
Таблица 3.2.
Назначение функцийВыполняемые операцииИнициализация входных данныхПолучение входных данных из ядра.Циклический расчет параметров точек программной траекторииОпределение сигнала управления.Определения углов поворота рулей.Определение вектора состояния БПЛА.Проверка корректности ППМОпределение величины промаха БПЛА.Сохранение рассчитанных данныхФормирование файла с программной траекторией.
Расчет параметров точек программной траектории представляет собой циклический процесс. Для каждой точки на основе параметров вектора состояния БПЛА рассчитывается сигнал управления, затем производится расчет углов поворота рулей, по которым рассчитывается вектор состояния БПЛА. Параметры вектора состояния БПЛА, рассчитанные для i-ой точки, являются исходными данными для расчета сигнала управления и вектора состояния (i+1)-ой точки.
Под промахом понимается расстояние между последней рассчитанной точкой программной траектории и объектом назначения.
Параметры вектора состояния для точки старта и координаты объекта назначения модуль расчета программной траектории получает от ядра. Набор ППМ модуль расчета программной траектории читает из текстового файла "OptTrajPPM.txt", расположенного в папке с исполняемым файлом СПО КПИД САУ БПЛА.
Расчет программной траектории представляет собой последовательный процесс, состоящий из следующих основных этапов:
1) инициализация входных данных;
2) циклический расчет параметров точек программной траектории:
2.1) определение сигнала управления;
2.2) определение углов поворота рулей;
2.3) определение вектора состояния БПЛА;
3) определение величины промаха БПЛА;
4) формирование файла с программной траекторией.
На этапе инициализации входных данных производится получение от ядра данных, необходимых для расчета программной траектории.
На этапе циклического расчета параметров точек траектория производится последовательный расчет параметров для каждой из точек программной траектории с заданной дискретностью.
На этапе определения сигнала управления производится расчет параметров сигнала управления для текущей точки программной траектории по математической модели, приведенной в п. 1.2.3. Рассчитанные данные хранятся в оперативной памяти в массиве структур точек программной траектории.
На этапе определения углов поворота рулей производится расчет величин углов поворота рулей для текущей точки программной траектории по математической модели, приведенной в п. 1.2.2. Рассчитанные данные хранятся в оперативной памяти в массиве структур точек программной траектории.
На этапе определения вектора состояния БПЛА производится расчет параметров вектора состоянии БПЛА для текущей точки программной траектории по математической модели, приведенной в п. 1.2.2. Рассчитанные данные хранятся в оперативной памяти в массиве структур точек программной траектории.
На этапе определение величины промаха БПЛА производится расчет расстояния между последней точкой рассчитанной программной траектории и объектом назначения и сравнение с допустимым значением промаха. Если полученное расстояние между допустимого значения промаха, то траектория является достижимой и расстановка ППМ для нее произведена корректно. Если полученное расстояние превышает допустимый промах, то используемый набор ППМ является некорректным для данной траектории и не может быть использован. В этом случае повторяется расчет программной траектории и определение промаха для наборов ППМ прочих достижимых траекторий.
На этапе формирование файла с программной траекторией производится создание текстового файла "traject.txt" и запись в него рассчитанных данных. Верхняя строчка файла представляет собой имена параметров, разделенные знаком табуляции. Далее построчно записываются параметры точек программной траектории. Внутри строки параметры разделяются знаком табуляции.
Циклограмма работы модуля расчета программной траектории приведена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Циклограмма работы модуля расчета программной траектории
3.1.4. Модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов
Задача модуля определения точек включения РЛК и формирования эталонов заключается в упрощенном расчете ошибки ИНС БПЛА, определения точек включения РЛК, выборе ОУМ для визирования и формирования эталонов для системы коррекции траектории БПЛА, содержащей РЛК.
Модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов обеспечивает формирование исходных данных для решения задачи коррекции траектории БПЛА.
Функциональность модуля определения точек включения РЛК и формирования эталонов, обеспечивающая решение поставленных задач, приведена в табл. 3.3.
Таблица 3.3.
Назначение функцийВыполняемые операцииИнициализация входных данныхПолучение входных данных из ядраОпределение точек включения РЛКРасчет ошибки ИНСОпределение точек коррекцииВыбор ОУМ для визированияФормирование эталоновРасчет ракурсов визирования ОУМРасчет эталоновСохранение рассчитанных данных в виде текстовых файлов.
Набор ОУМ модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов получает от ядра. Программную траекторию модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов читает из текстового файла "traject.txt", расположенного в папке с исполняемым файлом СПО КПИД САУ БПЛА.
Определения точек включения РЛК и последующее формирования эталонов представляют собой последовательный процесс, состоящий из следующих основных этапов:
1) инициализация входных данных;
2) определения точек включения РЛК;
3) расчет ракурсов визирования ОУМ;
4) расчет эталонов;
5) формирование файлов с выходными данными.
На этапе инициализации входных данных производится получение от ядра данных, необходимых для определения точек включения РЛК и формирования эталонов.
На этапе определения точек включения РЛК производится расчет ошибок ИНС, на основе которого определяются точки, в которых необходимо провести коррекцию. Далее последовательным перебором находятся наиболее близкие к определенным точки, в которых может быть проведено визирование хотя бы одного ОУМ. Эти точки и являются точками включения РЛК. При возможности визирования нескольких ОУМ в данных точках производится выбор того ОУМ, визирование которого производится под большим углом.
На этапе расчета ракурсов визирования ОУМ для каждой точки включения РЛК с заданной дискретностью формируется множество ракурсов визирование с учетом ошибок навигационной системы.
На этапе расчета эталонов для каждого ракурса визирования формируется прогнозное изображение ОУМ, после чего производится формирование эталона путем разбиения изображения на квазиоднородные зоны. Расчет производится в соответствии с математической моделью, приведенной в п. 1.2.4.
На этапе формирования файлов с выходными данными производится сохранение сформированных эталонов в отдельные файлы "etal<порядковый номер эталона>.raw". Кроме непосредственно эталона в каждый файл сохраняются данные о положении и ракурсе визирования для данного эталона. Также формируется общий текстовый файл "etalons.txt" с именами файлов с эталонами и кратким описанием каждого.
Циклограмма работы модуля определения точек включения РЛК и формирования эталонов приведена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Циклограмма работы модуля определения точек включения РЛК и формирования эталонов
3.1.5. Пользовательский интерфейс
Интерфейс СПО КПИД САУ БПЛА имеет следующую функциональность:
1) задание географических координат точки старта и объекта назначения;
2) определение дальности от точки старта до объекта назначения;
3) задание географических координат угловых точек запретных зон;
4) удаление заданных запретных зон;
5) загрузка файла с координатами угловых точек запретных зон в географической СК;
6) загрузка файла с координатами ОУМ в географической СК;
7) выбор одного из 3 режимов отображения упрощенных достижимых траекторий;
8) выбор необходимых расчетов;
9) запуск процесса расчета;
10) отображение спутниковых снимков, географических координат текущего положения курсора на снимке, запретных зон, ОУМ, упрощенных траекторий, точки страта и объекта назначения БПЛА.
Вид главного окна СПО КПИД САУ БПЛА приведен на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Главное окно СПО КПИД САУ БПЛА
Поле "Запретные зоны" служит для ввода и загрузки координат запретных зон. Кнопка "Добавить" активирует ввод координат запретной зоны последовательным вводом координат вершин, кнопка "Закончить" завершает ввод, замыкая текущую запретную зону. Кнопка "Сохранить" служит для записи координат введенных запретных зон в текстовый файл, кнопка "Загрузить" - для чтения координат запретных зон из текстового файла. Кнопка "Удалить" позволяет удалить выбранную в списке запретную зону.
Поле "Дальность" показывает расстояние между точкой старта и объектом назначения.
Поле "Точка старта" служит для ввода координат точки старта. Поля "Широта" и "Долгота" служат для ручного ввода соответствующих координат, кнопка "Ввести" - для загрузки введенных координат в оперативную память и отображение точки на карте. Кнопка "Установить" активирует ввод координат точки старта с помощью карты. Кнопка "Текущее положение" служит для получения текущих координат от НКН.
Поле "Объект назначения" служит для ввода координат объекта назначения. Поля "Широта" и "Долгота" служат для ручного ввода соответствующих координат, кнопка "Ввести" - для загрузки введенных координат в оперативную память и отображение точки на карте. Кнопка "Установить" активирует ввод координат объекта назначения с помощью карты.
Кнопка "Загрузить ОУМ" служит для чтения координат ОУМ из текстового файла.
В поле "Траектории" отображается список траекторий, для которых была произведена расстановка ППМ.
Поле "Отображенные траектории" служит для выбора режима отображения достижимых траекторий. Кнопка "Отобразить" отображает траектории в соответствии с положением переключателя. Переключатель имеет три положения: 1) "Все" - отображаются все траектории, для которых был произведен расчет;
2) "Текущая" - отображается только выделенная в поле "Траектории";
3) "Выбранная" - отображается субоптимальная траектория.
Поле "Порядок расчета" служит для формирования списка расчетов, которые надо провести, и запуска процесса расчета. Для проведения расчетов должен быть поставлен минимум один флаг. Для проведения полного расчета ИД ПЗ должны быть установлены все флаги. Кнопка "Рассчитать" запускает процесс расчета.
Поле "Состояние" отображает текущее состояние СПО КПИД САУ БПЛА и сообщения о завершении этапов расчета.
Кнопка "Отправка данных" служит для формирования ИД ПЗ из рассчитанных данных и загрузки сформированных данных в систему подготовки ПЗ. При отсутствии полного набора данных или, если связь с системой подготовки ПЗ не была установлена, кнопка неактивна.
Правую часть главного окна СПО КПИД САУ БПЛА занимает поле для отображения карты. Оно представляет собой прямоугольник, на который наложена координатная сетка. По краям приведены значения координат. В центре производится отображение карты (спутникового снимка с координатной привязкой). При невозможности загрузки карты фон будет отрисован белым цветом.
3.2. Техническая реализация
3.2.1. Общие положения
В рамках данного дипломного проекта был проведен упрощенный анализ вычислительной сложности алгоритмов, реализованных в СПО КПИД САУ БПЛА. На основе данного анализа были определены требования к техническим средствам комплекса и сформирован его технический облик.
Была выбрана реализация КПИД САУ БПЛА в виде АРМ оператора, представляющего собой ПЭВМ в промышленном исполнении. Данная ПЭВМ оборудуется контроллерами интерфейсов, обеспечивающими внешний информационный обмен комплекса.
При выборе технических средств для реализации комплекса был проведен анализ доступных вычислительных средств российского производства и интерфейсов для организации информационного обмена КПИД САУ БПЛА с НКН и БЦВМ БПЛА.
Выбор процессора производился из серии процессоров МЦСТ-R, основанной на архитектуре SPARC, российской фирмы МЦСТ. Данная фирма была выбрана, так как имеет опыт производства вычислительных средств для встроенных решений и микропроцессорных модулей, в том числе и для Министерства обороны Российской Федерации.
3.2.2. Формирование требований к вычислительной системе комплекса
Вычислительную систему КПИД САУ БПЛА была выбрана с учетом функционирования СПО комплекса под управлением ОС МСВС 3.0.
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к вычислительным средствам ОС МСВС 3.0, были сформированы требования к вычислительной системе комплекса:
- тактовая частота > 450 МГц;
- оперативная память > 512Мбайт;
- дисковое пространство > 2 Гбайт.
3.2.3. Обзор процессоров
3.2.3.1. МЦСТ R-150 (1891ВМ1)
Микропроцессор МЦСТ R-150 (1891ВМ1) российской фирмы МЦСТ из серии процессоров МЦСТ-R, основанной на архитектуре SPARC, изначально разработанной в 1985 году компанией Sun Microsystems. Полностью программно совместим с архитектурой SPARC V8. Изготавливается с 2001 года. Кремниевые пластины производятся в Израиле на фабрике Tower Semiconductor, а корпусированием и тестированием процессоров занимается компания ASE(Тайвань).
Представляет собой одноядерную систему на кристалле с встроенным кэшем первого уровня. Для связи процессоров друг с другом, с модулями памяти и устройствами ввода/вывода в архитектуре SPARC предусмотрена шина МBus - высокоскоростная шина, обеспечивающая когерентность кэш-памяти процессоров в многопроцессорных структурах. Микросхема разработана по технологическим нормам 0,35 мкм с использованием библиотек стандартных элементов.
Микропроцессор R-150 предназначен для создания ЭВМ для стационарных и встроенных решений, а также может размещаться в мезонинных микропроцессорных модулях. Используется главным образом по заказам Министерства обороны Российской Федерации.
3.2.3.2. МЦСТ R-500 (1891ВМ2)
Микропроцессор МЦСТ R-500 (1891ВМ2) российской фирмы МЦСТ из серии процессоров МЦСТ-R, основанной на архитектуре SPARC, изначально разработанной в 1985 году компанией Sun Microsystems. Полностью программно совместим с архитектурой SPARC v8.
Представляет собой одноядерную систему на кристалле с встроенным кэшем первого уровня. Для связи процессоров друг с другом, с модулями памяти и устройствами ввода/вывода в архитектуре SPARC предусмотрена шина МBus - высокоскоростная шина, обеспечивающая когерентность кэш-памяти процессоров в многопроцессорных структурах. Микросхема разработана по технологическим нормам 0,13 мкм с использованием библиотек стандартных элементов.
Микропроцессор R-500 предназначен для создания ЭВМ для мобильных и встроенных решений, а также может размещаться в мезонинных микропроцессорных модулях. Используется главным образом по заказам Министерства обороны Российской Федерации. Изготавливается с 2004 года.
3.2.3.3. МЦСТ-R500S
Микропроцессор МЦСТ R-500S (1891ВМ3) российской фирмы МЦСТ из серии процессоров МЦСТ-R основанной на архитектуре SPARC изначально разработанной в 1985 году компанией Sun Microsystems и является наиболее производительным российским микропроцессором архитектуры SPARC на начало 2009 года. Полностью программно совместим с архитектурой SPARC v8.
Представляет собой двухъядерную систему на кристалле с встроенными кэшем второго уровня, контроллером оперативной памяти и контроллерами периферийных каналов. Микросхема разработана по технологическим нормам 0,13 мкм с использованием библиотек стандартных элементов.
Микропроцессор R-500S предназначен для создания одноплатных ЭВМ для носимых и встроенных решений. Главным образом по заказу Министерства обороны Российской Федерации.
Сравнительная характеристика процессоров МЦСТ приведена в табл. 3.4.
ХарактеристикиЗначенияR150R500R500S1Технологический процессКМОП 0,35 мкмКМОП 0,13 мкмКМОП 0,13 мкм2Рабочая тактовая частота150 МГц500 МГц500 МГц3Размер слов:32/6432/6432/644Кэш-память команд 1-го уровня8 Кбайт
(2 way)16 Кбайт
(4 way)16 Кбайт
(4 way)5Кэш-память данных 1-го уровня16 Кбайт
(4 way)32 Кбайт
(8 way)32 Кбайт
(8 way)6Внешняя кэш-память 2-го уровня1 Мбайт4 Мбайт512 Кбайт (встроенная)7Пропускная способность шин связи с кэш памятью 2-го уровня1,2 Гбайт/с1,6 Гбайт/с2,667 Гбайт/с8Пропускная способность шины MBus0,4 Гбайт/с0,8 Гбайт/с-9Площадь кристалла100 мм²25 мм²81 мм²10Количество транзисторов2,8 млн4,9 млн51 млн11Количество слоев металла48812Тип корпуса / количество выводовBGA / 480BGA / 376HFC BGA / 90013Напряжение питания3,3 В1/2,5 В1,05/2,5/3,3 В14Рассеиваемая мощность<4 Вт<1 Вт< 5 ВтТаблица 3.4. Сравнительная характеристика процессоров
Таким образом, мы видим, что подходящую тактовую частоту имеют 2 процессора: МЦСТ-R500 и МЦСТ-R500S. МЦСТ-R500S имеет более высокую производительность, но и более высокое напряжение питания, а также более высокую рассеиваемую мощность, превышающую таковую у процессора МЦСТ-R500 в 5 раз. Учитывая условия эксплуатации комплекса, более предпочтительным является использование многопроцессорной системы на процессорах МЦСТ-R500.
3.2.4. Обзор интерфейсов
3.2.4.1. Описание интерфейса MIL STD-1553В.
Основным интерфейсом, используемым в магистралях командно-информационного обмена на борту изделия, является MIL STD-1553В (Манчестер). Впервые появился в США как стандарт ВВС в 1973 году, применён на истребителе F-16. Особенностью интерфейса является двойная избыточная линия передачи информации, полудуплексный протокол "команда-ответ" и до 31 удалённого абонента (оконечного устройства). Каждая линия управляется своим контроллером канала.
На одной шине предусмотрен всего один контроллер в любой момент времени. Он является инициатором всех сообщений по этой шине.
Контроллер выполняет следующие функции:
* оперирует командами из списка в своей внутренней памяти;
* посылает команды оконечным устройствам послать или принять сообщения;
* обслуживает запросы, получаемые от оконечных устройств;
* фиксирует и восстанавливает ошибки;
* поддерживает историю ошибок.
Оконечные устройства служат для организации взаимодействия шины и подключаемой подсистемы и организации моста между двумя шинами.
Пропускная способность интерфейса MIL STD-1553В не превышает 1Мбит/с.
MIL-STD-1553 это детерминированная надежная шина передачи данных, предназначенная для подключения датчиков и контроллеров реального времени к вычислительным модулям ответственных систем. За последние 20 лет она превратилась в самую широко используемую магистраль военных систем, включая самолёты, наземный транспорт и морские суда. 3.2.4.2. Описание интерфейса CAN.
RS-232 - используемый в телекоммуникациях, стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между терминалом и коммуникационным устройством.
RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 15 метров. Информация передается по проводам цифровым сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому "0" соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической "1" отрицательное (от -5 до -15 В для передатчика). Асинхронная передача данных осуществляется с фиксированной скоростью при самосинхронизации фронтом стартового бита.
Интерфейс RS-232-C был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: "Интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду".
Чаще всего используется в промышленном и узкоспециальном оборудовании, встраиваемых устройствах.
По структуре это обычный асинхронный последовательный протокол, то есть передающая сторона по очереди выдает в линию 0 и 1, а принимающая отслеживает их и запоминает.
Данные передаются пакетами по одному байту (обычно 8 бит).
Вначале передаётся стартовый бит, противоположной полярности состоянию незанятой линии, после чего передаётся непосредственно кадр полезной информации, от 5 до 8 бит.
Увидев стартовый бит, приемник выжидает интервал T1 и считывает первый бит, потом через интервалы T2 считывает остальные информационные биты. Последний бит - стоповый бит (состояние незанятой линии), говорящий о том, что передача завершена. Возможно 1, 1,5 или 2 стоповых бита.
В конце байта, перед стоп битом, может передаваться бит чётности для контроля качества передачи. Он позволяет выявить ошибку в нечетное число бит (используется, так как наиболее вероятна ошибка в 1 бит).
3.2.4.3. Описание интерфейса SpaceWire.
Интерфейс SpaceWire разработан для использования в бортовых системах управления данными. Интерфейс обеспечивает высокую скорость обмена, высокую помехозащищённость, возможность подключения удалённых устройств. Линии связи SpaceWire являются дуплексными, последовательными, обеспечивают связь "точка - точка". SpaceWire основан на двух коммерческих стандартах IEEE 1355 и LVDS, которые были скомбинированы для использованиия в бортовой аппаратуре.
Стандарт SpaceWire выделяет несколько уровней протокола этого интерфейса:
* физический уровень (определяет соединители и кабели);
* сигнальный уровень (определяет кодирование сигналов, уровни напряжений, скорость передачи данных и др.);
* символьный уровень (определяет структуру данных и команд для передачи по линии связи);
* пакетный уровень (определяет порядок передачи данных в виде пакетов);
* сетевой уровень (определяет структуру сети SpaceWire, путь передачи пакетов в сети, контроль ошибок).
Основные особенности SpaceWire:
* скорость передачи данных - свыше 100 Мбит/с;
* расстояние - не более 10 м;
* расширяемость - для увеличения скорости передачи имеется возможность организации нескольких параллельных линий связи;
* коэффициент ошибок - не более 10-12 при обычной линии связи и не более 10-14 в линии, защищённой протоколом обнаружения ошибок;
* низкая потребляемая мощность;
* надёжность - холодное резервирование (наличие резервного канала);
* защищённость - электрическая, электромагнитная, радиационная.
В спецификации предъявляется ряд требований к кабелю для достижения высокой скорости при большой длине.
3.2.4.4. Описание интерфейса Fibre Channel.
Fibre Channel начали разрабатывать в 1988г. в качестве интерфейса периферийных устройств в сетях хранения данных. Впоследствии стало ясно, что Fibre Channel можно использовать и в качестве сетевого интерфейса общего назначения. К настоящему времени этот интерфейс широко применяется в компьютерной промышленности. Он используется и в военных приложениях, в том числе авиационных.
Fibre Channel или FC -промышленный стандарт высокоскоростного последовательного интерфейса, современный вариант которого поддерживает соединение серверов и систем хранения на расстоянии до 100 км при скорости передачи данных до 2 Гбит/с.
Наряду со скоростными характеристиками и возможностью работы на столь большом удалении, одним из ключевых преимуществ Fibre Channel является гибкость топологии подключения устройств, которую он позаимствовал у сетевых технологий. Интерфейс Fibre Channel позволяет реализовать различные топологии соединения: "точка-точка" (Point-to-Point), "петля" (FC-AL), "коммутируемое подключение" (Fabric). Подключение "точка-точка" применяется для организации взаимодействия двух устройств. Эту схему можно считать частным случаем топологии "петля", предусматривающей последовательную передачу данных от одного устройства к другому по замкнутому каналу. В свою очередь, "коммутируемое подключение" предназначено для передачи данных непосредственно от источника информации к любому потребителю.
Топологии подключения FC-AL и Fabric помогают создавать выделенную высокоскоростную сеть хранения данных (SAN), в рамках которой обеспечивается соединение устройств хранения различных типов с серверами и серверов между собой. Использование при построении сетей хранения интерфейса Fibre Channel делает возможным обмен информацией не только между любым сервером и системой хранения, но и между разными устройствами хранения без участия серверов (serverless backup). Таким образом, Fibre Channel позволяет уменьшить нагрузку на локальную сеть предприятия (lanfree backup), а резервное копирование и восстановление информации осуществляются гораздо быстрее, чем в случае применения традиционных методов.
Благодаря достигаемой гибкости вследствие использования интерфейса Fibre Channel, сети хранения позволяют реализовать еще одну очень важную возможность, а именно построение отказоустойчивых систем. Бесперебойное функционирование сети хранения данных на базе Fibre Channel обеспечивается резервированием каналов передачи информации и коммуникационного оборудования, а также построением географически распределенных систем.
Распространенность Fibre Channel в коммерческом секторе служит гарантией поддержки и развития этого интерфейса в будущем и позволяет снизить стоимость авиационных изделий за счет использования результатов коммерческих разработок.
Проблемой является отсутствие в настоящее время коммерческих компонентов Fibre Channel (переключателей, концентраторов), соответствующих жестким авиационным требованиям. Из-за этого пока невозможно строить разветвленные сети и приходится ограничиваться радиальными связями "точка-точка".
Сравнительная характеристика интерфейсов приведена в табл. 3.5.
Название интерфейсаСкорость передачиРасстояниеПримечанияRS-232230,4 Кбит/cДо 15мИнтерфейс между терминальным и связным оборудованиемМанчестер MIL-STD-1553B1 Мбит/сДо 100м (магистраль)
До 1м (между точками отводов магистрали)Хорошая помехозащищенность, резервированиеSpace Wire2 Мбит/с-400 Мбит/сДо 10 м (между узлами)Разрабатывался специально для использования в ракетах, спутниках и др.Fibre Channel133 Мбит/с-4Гбит/с
1.0625 Гбит/с между узламидо 10 км (оптоволокно)Отсутствие коммерческих компонентов (переключателей, концентраторов)Таблица 3.5. Сравнительная характеристика интерфейсов
Основным критерием выбора подходящего интерфейса для информационного обмена АРМ оператора КПИД САУ БПЛА с системой подготовки ПЗ является пропускная способность интерфейса. Поэтому из вышеперечисленных интерфейсов подходящим является SpaceWire. Для связи с НКН выберем RS-232, как специально адаптированный для организации такого рода информационного обмена.
3.2.5. Технический облик комплекса
Было выбрано исполнение АРМ оператора КПИД САУ БПЛА в виде вычислительного комплекса (ВК) "Эльбрус-90микро" в конструктиве "Евромеханика". Этот ВК является высокопроизводительной многопроцессорной вычислительной системой, обеспечивающей многопользовательский, многозадачный режим вычислений в реальном масштабе времени. Он предназначен для использования в системах управления и обработки информации, ориентирован на применение в системах с жесткими условиями эксплуатации.
Корпус ВК представлен во встраиваемом исполнении. Комплектация ВК приведена в табл. 3.6. В ВК дополнительно устанавливается контроллер интерфейса SpaceWire.
Таблица 3.6.
ПараметрЗначениеЦентральный процессор - отечественный микропроцессор"МЦСТ-R500"Количество центральных процессоров4Тактовая частота микропроцессора (МГц)500Объем оперативной памяти (Мбайт)1024Внутрипроцессорная кэш-память, Кбайт48Внешняя кэш-память одного процессора, Мбайт4Объем дисковой памяти(Гбайт)36Периферийные шиныcPCI8 слотовSBusподключение модулей расширенияПроизводительность ВК ("МЦСТ-R500") в полной комплектации (SPECint95/SPECfp95)35/28Время реакции на прерывание (мкс)13Средняя наработка на отказ (час)9300Среднее время восстановления (мин)20Первичная сеть27 В пост. Ток или 220В/50ГцМаксимальная потребляемая мощность в момент включения (Вт)1250Габаритные размеры (мм):Исполнение483х296х266Видеомонитор плоскопанельный с разрешениемдо 1280х1024Полная функциональная совместимость с архитектурой SPARC2-й класс защищенности от несанкционированного доступа2-й уровень контроля недекларированных возможностейВК обеспечивает возможность работы под управлением ОС МСВС Данный вычислительный комплекс полностью удовлетворяет требованиям для КПИД САУ БПЛА, как по характеристикам, так и по условиям эксплуатации.
АРМ оператора комплекса осуществляет обмен данными с системой подготовки ПЗ по интерфейсу SpaceWire, с НКН - по интерфейсу RS-232.
3.3. Заключение
В данном разделе дипломного проекта была произведена разработка СПО КПИД САУ БПЛА, в котором полностью реализовано алгоритмическое обеспечение КПИД САУ БПЛА. Для удобства разработки и доработки была выбрана модульная структура ПО.
Были реализованы все модули СПО:
- ядро;
- модуль формирования траектории;
- модуль расчета программной траектории;
- модуль определения точек включения РЛК и формирования эталонов.
Были сформированы требования к вычислительной системе комплекса. Проведен обзор процессоров и интерфейсов передачи данных. По результатам сформирован технический облик КПИД САУ БПЛА и выбраны интерфейсы для осуществления внешнего информационного обмена комплекса.
4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ КОМПЛЕКСА ПОДГОТОВКИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
4.1. Введение
Конечным этапом разработки комплекса подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (КПИД САУ БПЛА) является проведения испытаний для подтверждения корректности функционирования комплекса. При успешном прохождении комплексом всех испытаний он считается готовым для поставки заказчику.
4.2. Объект испытаний
Испытаниям по проверке корректности функционирования подвергаются:
* аппаратура КПИД САУ БПЛА;
* программное обеспечение КПИД САУ БПЛА.
Комплекс поставляется на испытания в комплектности согласно конструкторской документации на него.
4.3. Цель испытаний
Испытания проводят с целью проверки корректности функционирования КПИД САУ БПЛА и определения его готовности для поставки заказчику. При выявлении неисправностей в работе комплекса по результатам испытаний определяются объем и порядок необходимых наладок и доработок КПИД САУ БПЛА.
4.4. Общие положения
Испытания по проверке корректности функционирования КПИД САУ БПЛА проводят по настоящей методике.
Испытания по проверке корректности функционирования КПИД САУ БПЛА проводят на территории эксплуатирующей организации.
В проведении испытаний участвуют:
* представители предприятия-изготовителя комплекса;
* представители заказчика комплекса.
На испытания предъявляется образец изделия, прошедший входной контроль на территории предприятия-изготовителя.
4.5. Содержание испытаний
Испытания КПИД САУ БПЛА включают в себя:
- проверку корректности функционирования аппаратуры и ОПО комплекса;
- тестирование работы СПО комплекса.
4.6. Разработка алгоритма тестирования СПО КПИД САУ БПЛА
4.6.1. Общие положения
Тестирование - это процесс выполнения программы, целью которого является выявление ошибок в программе. Никакое тестирование не может доказать отсутствие ошибок в сложном программном обеспечении. Для доказательства отсутствия ошибок посредством тестирования программы необходимо проводить полное тестирование, то есть выполнение программы со всеми возможными комбинациями типов и значений входных данных. Количество таких комбинаций может быть настолько велико, что проведение полного тестирования становится невозможным.
Особенностью тестирования СПО КПИД САУ БПЛА является то, что оно включает ряд функций, тестирование которых можно проводить по отдельности, независимо друг от друга. Тем не менее, нужно учитывать, что выходные данные одних функций являются входными данными для других. Следовательно, ошибки в первых функциях могут приводить к неверной работе вторых.
4.6.2. Стадии тестирования программной системы
Процесс тестирования программного обеспечения предполагает три стадии тестирования:
1) автономное тестирование компонентов программного обеспечения;
2) комплексное тестирование разработанного программного обеспечения;
3) системное или оценочное тестирование на соответствие основным критериям качества.
Для повышения качества тестирования необходимо, чтобы предполагаемый результат был известен до тестирования. Необходимо досконально изучать результаты каждого теста. 4.6.3. Автономное тестирование
Целью автономного тестирования является выявления ошибок допущенных при реализации отдельных функций программной системы. При автономном тестировании применяют два подхода: структурный и функциональный.
При структурном тестировании (тестировании по "маршрутам"), формирование тестовых наборов путем анализа маршрутов предусмотренных алгоритмом. Структурное тестирование предусматривает формирования тестовых наборов, по следующим критериям: покрытие операторов, покрытие решений, покрытие условий, покрытие решений/условий, комбинаторное покрытие условий.
Критерий покрытия операторов подразумевает такой подбор тестов, чтобы каждый оператор программы выполнялся, по крайней мере, один раз. Это необходимое, но недостаточное условие для приемлемого тестирования. Критерий покрытия решений подразумевает формирование такого количества состава тестов, чтобы результат проверки каждого условия принимал значение либо "истина" либо "ложь" по крайней мере, один раз. Критерий покрытия условий подразумевает формирование такого количества тестов, достаточное для того, чтобы все возможные результаты каждого условия в решении были выполнены, по крайней мере, один раз. По критерию покрытия решений/условий тесты должны составляться так, чтобы, по крайней мере, один раз выполнялись все возможные результаты каждого условия и все результаты каждого решения, и каждому оператору управление передавалось, по крайней мере, один раз. По критерию комбинаторного покрытия условий создается такое количество тестов, чтобы все возможные комбинации результатов условий в каждом решении и все операторы выполнялись, по крайней мере, один раз.
Функциональное тестирование использует принцип управления по данным (принцип "черного ящика"). При функциональном тестировании используют следующие методы формирования тестовых наборов: эквивалентное разбиение, анализ граничных значений, анализ причинно-следственных связей, предположение об ошибке.
В методе эквивалентного разбиения область всех возможных наборов входных данных программы по каждому параметру разбивается на конечное число групп (классов эквивалентности), которые объединяются по принципу обнаружения одних и тех же ошибок. В методе анализа граничных значений проверяются значения на границах классов эквивалентности входных значений или около них. Анализ показывает, что в этих местах резко увеличивается возможность обнаружения ошибок. Анализ причинно-следственных связей позволяет системно выбирать высокорезультативные тесты. Причиной называется отдельное входное условие или класс эквивалентности, следствием - выходное условие или преобразование системы, сущность метода заключается в отнесении всех следствий к причинам. Метод предположения об ошибке основан на личном опыте программиста и его интуиции. Программист составляет список с возможными ошибками, и на основе этого списка составляются тесты.
В связи с тем, что в конструкторской части была определена структура компонентов СПО КПИД САУ БПЛА, а также известна логика работы всех используемых в ней алгоритмов, тестирование программной системы с целью выявления логических ошибок целесообразно выполнять с использованием структурного подхода.
Для обнаружения ошибок связанных с обрабатываемыми данными целесообразно применить функциональный подход ("черный ящик"). Подобные ошибки могут возникнуть при вводе неправильных данных оператором программной подсистемы.
4.6.4. Комплексное тестирование программной системы
Тестирование модулей программной подсистемы возможно с использованием восходящего и нисходящего подходов.
При восходящем тестировании каждый модуль программной подсистемы тестируется отдельно на соответствие имеющимся спецификациям, затем собирают оттестированные модули в модули более высокой степени интеграции и тестируют их. Восходящий подход обеспечивает полностью автономное тестирование, при котором тестовые наборы передаются непосредственно в тестируемый модуль программной подсистемы.
При нисходящем тестировании автономно тестируется основной модуль, а все вызываемые им модули заменяются модулями, которые в той или иной степени имитируют поведение вызываемых модулей ("заглушки"). После тестирования основного модуля к нему подключаются модули, непосредственно им вызываемые, и необходимые заглушки, а затем проводят их совместное тестирование. Таким образом, последовательно подключают следующие модули, пока не будет собранна вся система. Нисходящий подход позволяет выполнить раннюю проверку основных решений и качественное многократное тестирование сопряжения модулей в контексте программного обеспечения. Основной недостаток такого тестирования отсутствие автономного тестирования модулей.
Учитывая достоинства и недостатки обоих методов, на практике обычно применяют комбинированный подход, когда модули верхних уровней тестируются нисходящим способом, а модули нижних уровней - восходящим. Такой подход позволяет начать с тестирования интерфейса, при этом обеспечив качественное автономное тестирование.
4.6.5. Системное тестирование
Системное тестирование ПО - это тестирование ПО, выполняемое на полной, интегрированной системе, с целью проверки соответствия системы исходным требованиям. Системное тестирование относится к методам тестирования чёрного ящика, и, тем самым, не требует знаний о внутреннем устройстве системы.
Основной задачей системного тестирования является проверка как функциональных, так и не функциональных требований к системе в целом. При этом выявляются дефекты, такие как неверное использование ресурсов системы, непредусмотренные комбинации данных пользовательского уровня, несовместимость с окружением, непредусмотренные сценарии использования, отсутствующая или неверная функциональность, неудобство использования и т.д. Для минимизации рисков, связанных с особенностями поведения системы в той или иной среде, во время тестирования рекомендуется использовать окружение максимально приближенное к тому, на которое будет установлен продукт после выдачи.
Можно выделить два подхода к системному тестированию:
- на базе требований (для каждого требования пишутся тестовые случаи, проверяющие выполнение данного требования);
- на базе случаев использования.
4.6.6. Критерии завершения тестирования
Для того чтобы определить, когда стоит завершить тестирование. Все критерии можно разделить на группы:
1) основанные на методологиях проектирования тестов - определенное количество тестов, полученных по методам анализа причинно-следственных связей, анализа граничных значений и предложения об ошибке, перестают выявлять ошибки;
2) основанные на оценке возможного количества ошибок - возможное количество ошибок оценивают экспертно, или по специальным методикам, а затем завершают тестирование при нахождении примерно 93 - 95 % ошибок;
3) основанные на исследовании результатов тестирования - строят график зависимости количества обнаруженных ошибок от времени тестирования, и если со временем количество найденных ошибок значительно сокращается, то тестировании можно завершать.
Для тестирования программного обеспечения часто отводится короткое время, поэтому, ограничиваются минимальным набором тестов. Для тестирования СПО КПИД САУ БПЛА достаточно использовать критерии, основанные на методике проектирования тестов и исследовании результатов тестирования.
4.6.7. Алгоритм тестирования
Так как разрабатываемый в данном разделе алгоритм тестирования СПО КПИД САУ БПЛА будет выполняться при проведении испытаний при сдаче комплекса заказчику после прохождения входного контроля на предприятии-изготовителе, то нет необходимости выполнения всех стадий тестирования. Обязательной является только стадия системного или оценочного тестирования. В соответствии с вышеизложенным сформируем алгоритм проведения тестирования СПО КПИД САУ БПЛА (см. рис. 4.1).
Рис. 4.1. Алгоритм тестирования СПО КПИД САУ БПЛА
4.7. Программа проведения испытаний
Испытания по проверке корректности функционирования КПИД САУ БПЛА проводят в объеме и последовательности в соответствии с табл. 4.1.
Таблица 4.1
Наименование проверокНомер пунктаПроверка корректности функционирования аппаратуры и ОПО автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора комплекса4.9.1.1.Проверка корректности сопряжения комплекса с НКН4.9.1.2.Автономное тестирование ПО комплекса4.9.2.1.Системное тестирование ПО комплекса4.9.2.2. 4.8. Условия и порядок проведения испытаний
4.8.1. Испытания проводят в естественных климатических условиях.
4.8.2. К проведению испытаний допускается персонал, знающий устройство, принцип действия изделия и его составных частей и прошедший инструктаж по соблюдению мер безопасности и правилам пользования индивидуальными средствами защиты от поражения электрическим током и имеющий квалификационную группу не ниже ІІІ.
4.8.3. Назначается администратор КПИД САУ БПЛА, отвечающий за обслуживание комплекса. Администратор хранит у себя логины и пароли, используемые для входа в операционную систему АРМ оператора комплекса. Логины и пароли выдаются по требованию с регистрацией в специальном журнале, где указывается, кто и для проведения каких работ получил доступ к комплексу.
4.8.4. Функциональное (автономное) тестирование компонентов СПО КПИД САУ БПЛА включает в себя:
* тестирование функций ввода начальных данных;
* тестирование алгоритма загрузки и отображения картографической информации;
* тестирование алгоритма построения множества допустимых траекторий и выбора из них субоптимальной;
* тестирования алгоритма расчета программной траектории;
* тестирование алгоритма выбора ОУМ;
* тестирование алгоритма формирования эталонов.
4.8.5. Подготовку КПИД САУ БПЛА к испытаниям проводят следующим образом:
1) собрать комплекс в соответствии со схемой подключения;
2) установить органы управления аппаратуры комплекса в состояние "Выключено";
3) подключить АРМ к внешнему источнику переменного трехфазного тока напряжением 240 В, частотой 50 Гц;
4) установить органы управления комплекса в состояние "Включено";
5) загрузки операционной системы на АРМ оператора, комплекс является включенным и готовым к работе.
4.8.6. Для проверки корректности работы алгоритма расчета программной траектории применяют математическую модель БПЛА, реализованную в среде MatLab (возможно использование других расчетных математических пакетов). В качестве исходных данных для тестовой модели используются те же значения, что и в СПО КПИД САУ БПЛА.
4.8.7. Для построения графиков по данным, полученным при расчете программной траектории, используется тот же математический пакет, в котором реализована тестовая модель (по-умолчанию, MatLab).
4.9. Методика проведения испытаний
4.9.1. Проверка корректности функционирования аппаратуры и ОПО КПИД САУ БПЛА
4.9.1.1. Проверка корректности функционирования АРМ оператора и ОПО комплекса
Для проверки корректности функционирования АРМ оператора КПИД САУ БПЛА проводят следующие действия:
1) подготовить комплекс к испытаниям в соответствии с п. 4.6.4.;
2) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
3) осуществить запуск СПО комплекса, используя ярлык на рабочем столе;
4) убедиться, что оно запустилось и появилось главное окно СПО комплекса (см. рис. 4.2.);
5) закрыть СПО комплекса;
6) осуществить перезагрузку АРМ.
Рис. 4.2. Основное окно СПО КПИД САУ БПЛА
При выполнении указанных действий время отклика на команды оператора не должно превышать 10 с. Отображение информации на мониторе должно производиться четко, без размытий и битых пикселей. На мониторе должны быть выставлены яркость и контрастность, при которых комфортно работать глазу оператора. Время перезагрузки АРМ оператора не должно превышать 3 мин. Ввод данных с помощью клавиатуры и мышки должен осуществляться корректно. Время запуска СПО не должно превышать 3 мин.
При невыполнении одного или нескольких требований, указанных выше, АРМ оператора КПИД САУ БПЛА требует проведения дополнительной настройки и проверки. При невозможности устранить неисправности, возникающие при работе, с помощью настройки должен быть проведен ремонт оборудования в установленном порядке.
4.9.1.2. Проверка корректности сопряжения комплекса с НКН
Для проверки корректности сопряжения КПИД САУ БПЛА с НКН проводят следующие действия:
1) подготовить комплекс к испытаниям в соответствии с п. 4.6.4.;
2) осуществить включение НКН;
3) на АРМ оператора КПИД САУ БПЛА осуществить вход в операционную систему, используя логин и пароль, полученные у администратора комплекса;
4) осуществить запуск ПО комплекса, используя ярлык на рабочем столе;
5) в появившемся окне нажать кнопку "Текущее положение";
6) проверить корректность данных, полученных от НКН, и корректность их отображения в СПО КПИД САУ БПЛА.
4.9.2. Тестирование работы СПО КПИД САУ БПЛА
4.9.2.1. Автономное тестирование СПО комплекса
Для проведения автономного тестирования СПО КПИД САУ БПЛА требуется осуществить подготовку комплекса к испытаниям в соответствии с п. 4.6.4. Тестовые данные для проведения тестирования СПО КПИД САУ БПЛА приведены в подразделе 4.13.
Для тестирования функций ввода начальных данных требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) ввести координаты начальной точки;
4) ввести координаты целевой точки;
5) задать запретные зоны с помощью карты;
6) выбрать пункт "Расстановка ППМ" в поле "Порядок расчета";
7) нажать кнопку "Расчет";
8) удостовериться, что расчет проведен, сообщений о некорректном вводе данных не получено;
9) сохранить созданные зоны;
10) удостовериться, что координаты в созданном файле с опасными зонами соответствуют введенным;
11) загрузить файл с запретными зонами;
12) удостовериться, что они отображаются на карте корректно;
13) загрузить файл с ОУМ;
14) удостовериться, что они отображаются на карте корректно.
При возникновении ошибок требуется осуществить проверку на допустимость вводимых данных и повторить тестирование.
Для тестирования алгоритма загрузки и отображения картографической информации требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) в конфигурационном файле модуля расстановки опорных точек траектории задать путь к файлам карты;
3) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
4) проверить корректность отображения карты, возможность масштабирования и перемещения;
5) изменить в конфигурационном файле модуля расстановки опорных точек путь к файлам карты;
6) перезапустить СПО комплекса;
7) повторить п. 4).
Для тестирования алгоритма построения множества допустимых траекторий и выбора из них субоптимальной требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) ввести координаты точки старта;
4) ввести координаты объекта назначения;
5) задать запретные зоны с помощью карты;
6) выбрать пункт "Расстановка ППМ" в поле "Порядок расчета";
7) нажать кнопку "Расчет";
8) дождаться окончания расчета (в поле "Состояние" должно появиться сообщение "Расчет произведен");
9) убедиться, что расчет проведен, появились результаты, рассчитанные траектории отображены на карте;
10) убедиться, что рассчитанные траектории не пересекают запретные зоны;
11) осуществить вывод каждой траектории по отдельности и убедиться, что они соответствуют накладываемым ограничениям (по длине прямых участков и углам поворота);
12) проверить выбранную субоптимальную траекторию на соответствие условиям выбора;
13) проверить корректность сохраненной в файл траектории.
Для тестирование алгоритма расчета программной траектории требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) осуществить ввод координат точки старта, объекта назначения и запретных зон и нажать кнопку "Расчет";
4) выбрать пункты "Расстановка ППМ" и "Расчет программной траектории" в поле "Порядок расчета"
5) нажать кнопку "Расчет";
6) дождаться окончания расчета;
7) открыть файл "traject.txt", расположенный в папке с исполняемым файлом СПО комплекса;
8) убедиться в наличии в нем данных;
9) построить графики для координат, скоростей, угловых координат, угловых скоростей по рассчитанным данным;
10) сравнить полученные графики с графиками, построенными для тестовой модели.
Для тестирование алгоритма выбора ОУМ требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) осуществить ввод координат точки старта, объекта назначения, запретных зон и ОУМ;
4) выбрать пункты "Расстановка ППМ", "Расчет программной траектории" и "Выбор ОУМ" в поле "Порядок расчета";
5) нажать кнопку "Расчет";
6) дождаться окончания расчета;
7) открыть файл "traject.txt", расположенный в папке с исполняемым файлом СПО комплекса;
8) убедиться в наличии в нем данных;
9) построить графики для координат, скоростей, угловых координат, угловых скоростей по рассчитанным данным;
10) сравнить полученные графики с графиками, построенными для модели, созданной в среде MatLab.
Для тестирование алгоритма формирования эталонов требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) осуществить ввод координат точки старта, объекта назначения, запретных зон и ОУМ;
4) выбрать пункты "Расстановка ППМ", "Расчет программной траектории", "Выбор ОУМ" и "Формирование эталонов" в поле "Порядок расчета";
5) нажать кнопку "Расчет";
6) дождаться окончания расчета;
7) проверить наличие графических файлов в папке с исполняемым файлом СПО комплекса.
4.9.2.2. Системное тестирование СПО комплекса
При проведении системного тестирования аппаратура КПИД САУ БПЛА должна быть собрана в соответствии со схемой подключения. Должно быть подведено питание и осуществлено включение всех элементов КПИД САУ БПЛА.
Для проведения системного тестирования требуется выполнить следующие действия:
1) войти в операционную систему, используя логин и пароль, выданные администратором комплекса;
2) выполнить запуск СПО комплекса с помощью ярлыка на рабочем столе;
3) осуществить ввод координат точки старта, объекта назначения, запретных зон и ОУМ;
4) осуществить сохранение введенных запретных зон;
5) проверить корректность создания файла с координатами запретных зон;
6) удалить запретные зоны;
7) произвести загрузку запретных зон из файла;
8) проверить корректность загрузки запретных зон;
9) выбрать пункты "Расстановка ППМ", "Расчет программной траектории", "Выбор ОУМ" и "Формирование эталонов" в поле "Порядок расчета";
10) нажать кнопку "Расчет";
11) дождаться окончания расчета;
12) осуществить отправку данных в модуль ответа;
13) проверить, что в окне "Состояние" появилось сообщение "Данные успешно переданы, сообщение об успешном приеме получено";
14) проверить корректность расстановки ППМ;
15) проверить корректность отображения траекторий с расставленными ППМ;
16) проверить корректность созданного файла с ППМ;
17) проверить корректность созданного файла с рассчитанной программной траекторией;
18) проверить корректность выбранных ОУМ;
19) проверить корректность созданного файла с выбранными ОУМ;
20) проверить наличие графических файлов в папке с исполняемым файлом СПО комплекса;
21) провести моделирование с помощью тестовой модели;
22) построить графики для координат, скоростей, угловых координат, угловых скоростей для рассчитанной траектории;
23) сравнить полученные графики с графиками, полученными для тестовой модели.
Методика считается выполненной, если все испытания были проведены, не было обнаружено неисправностей или, в случае обнаружения неисправностей, была произведена их первоначальная оценка и документирование.
4.10. Обработка анализ и оценка результатов испытаний
По результатам проверок делается анализ по каждому пункту табл. 4.1, дается оценка их выполнения и дается заключение о выполнении настоящей методики.
4.11. Материально-техническое обеспечение испытаний
4.11.1. Средства измерений, контроля и испытаний, применяемые при проведении испытаний, должны быть поверенными и аттестованными. 4.11.2. ЗАПРЕЩАЕТСЯ применять средства измерений и средства испытаний, срок обязательных поверок которых истек.
4.12. Отчетность
По результатам испытаний составляется акт о проведении испытаний и формируется подробный отчет, в котором указывается перечень проведенных испытания, условия проведения и результаты испытаний. В случае выявления неисправностей КПИД САУ БПЛА каждая неисправность должна быть задокументирована, должны быть описаны условия ее возникновения и регулярность (возникает ли при проведении того же испытания с теми же исходными данными). Так же в отчете указывается степень готовности КПИД САУ БПЛА к штатной работе и приводится список мер, проведение которых необходимо для корректного функционирования комплекса.
На основании отчета сборной комиссией из представителей предприятия-разработчика КПИД САУ БПЛА и представителей заказчика при наличии неисправностей принимается решение о проведении необходимых работ по месту эксплуатации комплекса или о возвращении его на доработку на предприятие-разработчик. При отсутствии неисправностей комиссия принимает решение о постановке комплекса на службу.
4.13. Тестовые данные
Координаты точки старта и объекта назначения приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1.
Точка Широта Долгота Точка старта 56.609398 35.514679 Объект назначения 56.926243 36.085968 Координаты запретных зон приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2.
Номер запретной зоны Номер точки Широта Долгота 1 Точка 1 56.647167 35.689087 Точка 2 56.695412 35.634812 Точка 3 56.742934 35.595703 Точка 4 56.771543 35.641249 Точка 5 56.754982 35.680847 Точка 6 56.671320 35.757751 2 Точка 1 56.878999 35.684967 Точка 2 56.854932 35.743198 Точка 3 56.847470 35.803070 Точка 4 56.894316 35.831584 Точка 5 56.787341 35.793457 Точка 6 56.812156 35.653381 3 Точка 1 56.670566 35.985718 Точка 2 56.723698 35.941268 Точка 3 56.768531 35.893707 Точка 4 56.823641 35.851368 Точка 5 56.770036 35.984344 Точка 6 56.714305 36.046143 Координаты ОУМ приведены в табл. 4.3.
Таблица 4.3.
Номер ОУМ Широта Долгота ОУМ 1 56.735489 35.786492ОУМ 2 56.541367 36.123648ОУМ 3 56.987461 35.942139ОУМ 4 56.665009 35.769344ОУМ 5 56.590873 36.412369ОУМ 6 56.854321 35.843129ОУМ 7 56.924561 35.675431ОУМ 8 56.841234 36.348456ОУМ 9 56.621894 36.242134ОУМ 10 56.745321 35.694123ОУМ 11 56.894561 36.043165ОУМ 12 56.713694 36.324886 4.14. Заключение
В этом разделе дипломного проекта была произведена разработка методики проведения испытаний КПИД САУ БПЛА. Данная методика включает проведение испытаний аппаратуры и программного обеспечения комплекса.
Алгоритм тестирования СПО КПИД САУ БПЛА был разработан на основе произведенного анализа методов тестирования программного обеспечения. Данный алгоритм включает проведение автономного тестирования алгоритмов СПО КПИД САУ БПЛА и системного тестирования данного ПО.
5. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА РАЗРАБОТКУ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА ДЛЯ КПИД САУ БПЛА
5.1. Введение
Современная инженерная деятельность предполагает не только разработку современных конструкций и технологий, но также и концентрацию усилий специалиста, позволяющую заранее определить возможный рынок реализации разработки, оценить ожидаемую прибыль. Поэтому важной составляющей любого инженерного проекта является раздел, посвященной анализу экономических характеристик и определению экономических параметров, позволяющих сделать вывод о возможности реализации инженерной мысли.
5.2. Расчет трудоемкости проекта
Планирование длительности этапов и содержания работ осуществляется в соответствии с ЕСПД ГОСТ 34.603-92 и предполагает распределение работ по этапам:
* подготовительный этап (ПЭ);
* проектирование системы (ПС);
* реализация системы (РС);
* тестирование системы (ТС);
* подготовка эксплуатационной документации (ЭД).
Таким образом, затраты труда на разработку и внедрение ПО комплекса подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом (ПО комплекса ПИД для САУ БПЛА) определяются по формуле:
(5.1) Перечень работ с группировкой по этапам представлен в таблице 5.1.
Трудоемкость процесса разработки можно оценить на основе трудоемкости разработки аналогичного ПО с учетом отличительных особенностей данной разработки. Отличительные особенности отражаются введением поправочных коэффициентов.
Коэффициент сложности программы характеризует относительную сложность разрабатываемой программы к программе-аналогу, сложность которой принимается за единицу.
Коэффициент квалификации разработчика отражает степень его подготовленности к выполнению порученной ему работы. Коэффициент квалификации исполнителя определяется в зависимости от стажа работы: для работающих до 2-х лет - 0,8; от 2 до 3 лет - 1,0; от 3 до 5 лет - 1,1 - 1,2.
Таблица 5.1. Перечень работ по созданию системы
Этап№ работыРабота1. Подготовительный этап (ПЭ)1Анализ требований ТЗ2Планирование итерации3. Проектирование системы (ПС)1Разработка структуры системы2Разработка алгоритмов работы системы3Разработка алгоритмов модулей расчета4Проектирование интерфейса пользователя4. Реализация системы (РС)1Реализация алгоритмов модулей расчета2Реализация интерфейса пользователя3Реализация системы5. Тестирование системы (ТС)1Составление документации на тестирование2Проведение тестирования3Внесение исправлений4Оформление отчетной документации6. Подготовка эксплуатационной документации (ЭС)1Разработка эксплуатационной документации Следовательно, трудоемкость разработки программы можно рассчитать по следующей формуле:
(5.2) где - трудоемкость разработки программы-аналога;
- коэффициент сложности разработки;
- коэффициент квалификации разработчика.
На разработку программного комплекса, близкого по функциональным возможностям и характеристикам к подсистеме, должно быть затрачено не менее 6000 человеко-часов. Коэффициент сложности системы относительно программ-аналогов составляет , а коэффициент квалификации программистов . Таким образом, по формуле (6.2), трудозатраты на разработку программы составляют:
(5.3) В эти трудозатраты входят затраты на все работы:
(5.4) Коэффициент затрат на подготовительный этап, включающий анализ требований ТЗ и планирование итерации, составляет . При расчете предполагается, что система будет разработана за одну итерацию, поэтому данная работа представляет собой начальное планирование работ по созданию системы.
Затраты труда на проектирование системы и затраты на реализацию можно соотнести между собой введением коэффициента затрат на проектирование, отражающего трудоемкость разработки алгоритмов и спецификаций по отношению к трудоемкости реализации при программировании. Значение коэффициента затрат на проектирование принимается равным .
Затраты труда на проведение тестирования, внесения изменений и написание сопроводительной документации складываются из затрат труда на выполнение каждого этапа:
(5.5) где - затраты труда на составление документации на тестирование;
- затраты труда на проведение тестирования;
- затраты труда на оформление отчетной тестирования;
- затраты труда на внесение исправлений.
Затраты труда на проведение тестирования, внесения изменений и написание документации выражаются через затраты труда на разработку программы через соответствующие коэффициенты.
Коэффициент затрат на проведение тестирования отражает отношение затрат труда на тестирование программы по отношению к затратам труда на ее разработку и может достигать значения 50%. Для данной задачи коэффициент затрат на проведение тестирования .
Коэффициент коррекции программы при ее разработке отражает увеличение объема работ при внесении изменений в алгоритм или в текст программы по результатам уточнения постановки и описания задачи, изменения состава и структуры входной и выводимой информации, а также в процессе улучшения качества программы без изменения ее алгоритмов. На практике, при разработке программы в среднем вносится 3 - 5 коррекции, каждая из которых ведет к переработке 5 - 10 % программы. Для данной задачи коэффициент коррекции равен .
Коэффициент затрат на оформление документации на проведение тестирования и отчетной документации отражает отношение затрат труда на создание документации по отношению к затратам труда на разработку программы и может составить до 75%. Для данной задачи коэффициент затрат на написание документации составляет: , .
Коэффициент затрат на составление эксплуатационных документов (руководство пользователя и руководство системного программиста) данной задачи составляет: .
В соответствии с формулой (5.3) затраты труда на выполнение этапа проведения тестирования определяются следующим образом:
(5.6) где - затраты труда на написание программы;
- коэффициент затрат труда на составление документации на тестирование;
- коэффициент затрат труда на проведение тестирования;
- коэффициент затрат труда на написание отчетной документации;
- коэффициент коррекции программы.
Тогда с учетом формул (5.3) и (5.4), затраты труда на разработку программы записываются в виде выражения: (5.7) Затраты труда на написание программы находятся из формулы:
(5.8) Подставляя значения коэффициентов, находим значение затрат труда на написание программы:
Тогда остальные затраты труда составляют:
Продолжительность отдельных работ при одновременном выполнении их несколькими исполнителями определяется по формуле:
(5.9) где - расчетная продолжительность работы;
- количество исполнителей;
- коэффициент выполнения нормы.
Продолжительность работ рассчитывается исходя из того, что над одной работой работает одновременно один исполнитель, при этом коэффициент выполнения нормы принимается равным единице, так как отсутствует замедление выполнения работ в связи с необходимостью обмена информацией между исполнителями.
Распределение затрат труда по этапам работ представлено в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Распределение затрат труда по работам
№РаботаТрудоемкостьчел-часчел-дней1Анализ требований ТЗ10312.8752Планирование итерации20725.8753Разработка структуры системы18122.6254Разработка алгоритмов работы системы18122.6255Разработка алгоритмов модулей расчета18122.6256Проектирование интерфейса пользователя18122.6257Реализация алгоритмов модулей расчета41451.758Реализация интерфейса пользователя20625.759Реализация системы41451.7510Составление документации на тестирование1041311Проведение тестирования20725.87512Внесение исправлений31038.7513Оформление отчетной документации20725.87514Разработка эксплуатационной документации10413
5.3. Построение сетевой модели проекта
Для определения временных затрат и трудоемкости разработки программного обеспечения используется метод сетевого планирования. Метод сетевого планирования позволяет установить единой схемой связь между всеми работами в виде наглядного и удобного для восприятия изображения, представляющего собой информационно-динамическую модель, определить продолжительность и трудоемкость как отдельных этапов, так и всего комплекса работ в целом. Построение сетевой модели включает в себя оценку степени детализации комплекса работ и определения логической связи между отдельными работами. С этой целью составляется перечень всех основных событий и работ (табл. 5.3.). В перечне указываются кодовые номера событий, наименование событий в последовательности от исходного к завершающему, перечень всех работ, причем подряд указываются все работы, которые начинаются после наступления данного события.
Таблица 5.3. Основные события и работы
№Наименование событияКод РаботаТрудоемкостьчел-часчел-дней0Начало работ0-1Анализ требований ТЗ 10312.8751Определены требования1-2Начальное планирование20725.8752Планирование завершено2-3Разработка структуры системы18122.6253Структура системы разработана3-4Разработка алгоритмов работы системы18122.6253-5Разработка алгоритмов модулей расчета18122.6253-6Проектирование интерфейса пользователя18122.6254Алгоритмы системы разработаны4-7Фиктивная работа005Алгоритмы модулей расчета спроектированы5-7Реализация алгоритмов модулей расчета41451.756Интерфейс пользователя спроектирован6-7Реализация интерфейса пользователя20625.757Составные части системы реализованы7-8Реализация системы41451.758Система реализована8-9Составление документации на тестирование104139Документация на тестирование составлена9-10Проведение тестирования20725.87510Проведено тестирование10-11Внесение изменений31038.7510-12Оформление отчетной документации20725.87511Исправления внесены11-13Разработка эксплуатационной документации1041312Отчетная документация составлена12-13Фиктивная работа0013Документация разработана--
События на сетевом графике изображается в виде окружностей, разделенных на четыре сектора, а работы - в виде векторов. Реальные работы изображаются сплошной линией, фиктивные - штриховой, а работы, лежащие на критическом пути - утолщенной сплошной.
Рис. 5.1. Обозначения на сетевом графике
, - номер события;
- ранний срок наступления события ;
- поздний срок наступления события - резерв времени события ;
- продолжительность работы ;
- полный резерв времени работы ;
- свободный резерв времени работы .
Ранний срок совершения события определяет минимальное время, необходимое для выполнения всех работ, предшествующих данному событию и равен продолжительности наибольшего из путей, ведущих от исходного события (0) к рассматриваемому и рассчитывается по соотношению:
(5.10) Поздний срок совершения события - максимально допустимое время наступления данного события, при котором сохраняется возможность соблюдения ранних сроков наступления последующих событий. Поздние сроки вычисляются, начиная с последнего события - завершения проекта, по критическому пути (т.е. справа налево по графику). Они равны разности между поздним сроком совершения j-го события и продолжительностью i-j работы. Поздний срок определяется соотношением:
(5.11) Резерв времени события определяется по формуле:
(5.12) Полный резерв времени событий определяется по формуле:
(5.13) Свободный резерв времени можно определить, применяя соотношение:
(5.14) По формулам (5.11) - (5.14) вычислим сроки наступления событий и резервы времени для проекта разработки ПО комплекса ПИД для САУ БПЛА. Результаты вычислений представлены на рис. 5.2. согласно введенным условным обозначениям рис. 5.1.
Критический путь - максимальный путь от исходного события (0) до завершения проекта. Его определение позволяет обратить внимание на перечень событий, совокупность которых имеет нулевой резерв времени. В данном случае критический путь отмечен стрелками с двойной толщиной.
Рис. 5.2. Сетевой график работ
5.4. Построение календарного графика выполнения проекта
Для иллюстрации последовательности проводимых работ проекта применяют ленточный график (календарно-сетевой график, диаграмму Ганта). На диаграмме Ганта на оси Х показывают календарные дни (по рабочим неделям) от начала проекта до его завершения. По оси Y - выполняемые этапы работ.
Рис. 5.3. Вариант изображения диаграммы Ганта
Отдельные этапы проекта могут выполняться параллельно различными исполнителями, что отображается в виде номерованных отрезков (или прямоугольников), размещенных на временных интервалах, как показано на рис. 5.3. Общий срок проведения работ в соответствии с диаграммой Ганта составляет 278 рабочих дней, т.е. 56 недель или 13 месяцев.
В соответствии с табл. 5.3, а также с приведённой на рис. 5.2 сетевой моделью, строится диаграмма Ганта для проекта разработки модели. Из диаграммы Ганта видно, что численность исполнителей , то необходимо определить специальности работников для распределения их по работам соответствующего вида. Принимаем, что над проектом работают: 3 инженера, 2 инженера-программиста и 1 тестировщик ПО. В зависимости от квалификации исполнителей им поручено выполнение работ определенной сложности. Список исполнителей приведен в табл. 5.4.
Таблица 5.4. Список исполнителей№ДолжностьНомера работ1Инженер0-1, 1-2, 2-3, 3-4, 3-5, 3-62Инженер-программист5-7, 6-7, 7-8, 8-9, 10-11, 10-12, 11-133Тестировщик ПО9-10 5.5. Расчёт затрат
Затраты на разработку и внедрение программы определяются по следующей формуле:
(5.15) где КП - затраты на разработку программы;
КВ - затраты на внедрение программы.
Затраты на разработку состоят из затрат на заработную плату исполнителям, затрат на закупку или аренду оборудования, затрат на организацию рабочих мест и затрат на накладные расходы.
(5.16) где СЗАРП - заработная плата исполнителей;
СОБ - затраты на обеспечение необходимым оборудованием;
СОРГ - затраты на организацию рабочих мест;
СНАКЛ - накладные расходы.
Затраты на выплату исполнителям заработной платы определяется следующим соотношением:
(5.17) где СЗ.ОСН - основная заработанная плата;
СЗ.ДОП - дополнительная заработная плата;
СЗ.ОТЧ - отчисление с заработанной платы.
Расчет основной заработанной платы при дневной оплате труда следует проводить на основе данных по окладам и графику занятости исполнителей (см. рис. 5.3):
(5.18) где ТЗАН - число дней, отработанных исполнителем проекта;
ОДН - дневной оклад исполнителя.
При восьмичасовом рабочем дне дневной оклад рассчитывается по формуле (5.19):
(5.19) где ОМЕС - месячный оклад;
FM - месячный фонд рабочего времени (FM =165 часам).
По данным кадровых агентств большинство специалистов требуемой квалификации согласны работать, получая в месяц на руки не менее, чем:
Инженер - 51000 рублей;
Инженер-программист - 51000 рублей;
Тестировщик ПО - 34000 рублей.
Месячный оклад можно рассчитать по формуле (5.20):
(5.20) где О - сумма, за которую согласен работать исполнитель;
НДФЛ - налог на доходы с физических лиц.
Ставка налога составляет 13% от начисленной к выплате суммы. Таким образом, с учетом формулы (5.20) месячные оклады будут составлять:
Перечень исполнителей с указанием их месячных окладов, а также времени участия в проекте и рассчитанной основной заработной платой, приведен в табл. 5.5.
Таблица 5.5. Перечень исполнителей
№ДолжностьОклад руб/месОклад руб/деньТрудозатратыЗаработная плата, руб1Инженер5100025501293289502Инженер-программист5100025502205599803Тестировщик ПО3400017002643860
Таким образом, основная заработная плата составляет:
Дополнительная заработная плата составляет 20% от размера основной:
(5.21) Дополнительная заработная плата составляет:
Отчисления с заработной платы состоят в уплате единого социального налога, составляющего 35,6% от выплаченной суммы:
(5.22) По формуле (5.22) общая сумма отчислений составляет:
Таким образом, затраты на выплату заработной платы составляют:
Учитывая длительность разработки целесообразно брать оборудование в аренду. Для обеспечения перечисленному выше составу разработчиков возможности эффективной работы без задержек, связанных с занятостью требуемого технического ресурса, потребуется оборудование, сведения о котором приведены в табл. 5.5.
Средняя стоимость аренды рабочей станции класса Pentium IV составляет при аренде сроком до двух лет 300 руб. в неделю. Средняя стоимость аренды лазерного принтера класса HP 1200 составляет 150 руб. в неделю. Общая стоимость аренды компьютерного оборудования рассчитывается о формуле:
(5.23) где N- количество наименований оборудования, взятого в аренду;
KI - количество единиц оборудования i-го наименования;
СI - стоимость аренды;
TI - длительность аренды i-го оборудования.
Время и стоимость аренды оборудования приведены в табл. 5.6.
Таблица 5.6. Время использования оборудования
НаименованиеКол-воВремя использования, недельСтоимость использованияРабочая станция35650400Принтер1568400
По формуле (5.23), сумма затрат на обеспечение разработки необходимым оборудованием составляет:
Расчет затрат на аренду помещения для размещения штата сотрудников и оборудования производится исходя их стоимости годичной аренды помещения Расчет затрат на аренду помещения для размещения штата сотрудников и оборудования производится исходя их стоимости годичной аренды помещения требуемого класса.
Учитывая требования к помещению, необходимому для размещения штата сотрудников и оборудования его площадь должна составлять порядка 20 м2. Стоимость аренды офиса требуемого класса составляет 30000 рублей в месяц. Так как разработка проекта будет вестись 278 рабочих дней, что составляет 56 недель или 13 месяцев, то стоимость аренды офиса составит:
Накладные расходы на разработку программы вычисляют в расчете 60% от расходов на основную заработную плату;
(5.24) Накладные расходы составляют:
Таким образом, суммарные затраты на разработку программы, рассчитанные по формуле (5.19), составляют:
Структура затрат на разработку изображена на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Структура затрат на разработку
5.6. Экономическая эффективность
Применение разработанного ПО комплекса ПИД для САУ БПЛА позволяет уменьшить требования к квалификации обслуживающего персонала, а также его численность. В настоящее время для подготовки комплекта ИД для САУ БПЛА и загрузки его на борт БПЛА требуется минимум 2 инженера высокой квалификации. ПО комплекса ПИД для САУ БПЛА позволяет выполнить расчет и загрузку ИД на борт БПЛА силами 1 техника.
Рассчитаем сколько позволит сэкономить внедрение комплекса за 1 год его эксплуатации.
Оклад инженера, выполняющего расчет ИД для САУ БПЛА, составляет 75000 руб. Дневной оклад составит 3750 руб. Количество рабочих дней в 2012 году составляет 233.
Тогда основная заработная плата составляет:
Дополнительная заработная плата:
Отчисления с заработной платы состоят в уплате единого социального налога, составляющего 35,6% от выплаченной суммы:
Затраты на выплату заработной платы составляют:
Накладные расходы:
Для расчета и загрузки комплекта ИД для САУ БПЛА на борт БПЛА требуется 2 ПЭВМ в промышленном исполнении, стоимостью 500000 руб. каждая.
Таким образом, суммарные затраты за 1 год без использования комплекса ПИД для САУ БПЛА составляют:
Рассчитаем затраты за 1 год эксплуатации комплекса ПИД для САУ БПЛА.
Оклад техника, выполняющего расчет ИД для САУ БПЛА, составляет 30000 руб. Дневной оклад составит 2000 руб. Количество рабочих дней в 2012 году составляет 233.
Тогда основная заработная плата составляет:
Дополнительная заработная плата:
Отчисления с заработной платы состоят в уплате единого социального налога, составляющего 35,6% от выплаченной суммы:
Затраты на выплату заработной платы составляют:
Накладные расходы:
Стоимостью аппаратуры комплекса ПИД для САУ БПЛА 600000 руб.
Таким образом, суммарные затраты за 1 год без использования комплекса ПИД для САУ БПЛА составляют:
Тогда за год эксплуатации мы сэкономим:
То есть за 1 год эксплуатации 1 экземпляра комплекса мы полностью окупаем его затраты на разработку и получаем дополнительную выгоду размером 208909,32 руб. При использовании нескольких экземпляров комплекса выгода будет увеличиваться.
5.7. Выводы по экономической части
В этой главе дипломного было выполнено технико-экономическое обоснование разработки СПО КПИД для САУ БПЛА.
Были решены следующие задачи:
определены этапы работ по выполнению проекта;
построен сетевой график выполнения работ;
разработан календарный график работ;
рассчитаны затраты на выполнение работ.
Результаты расчета сетевого план графика и построение диаграммы Ганта показали, что при текущей организации работ срок выполнения проекта составит 278 рабочих дней, т.е. 56 недель или 13 месяцев.
Трудоёмкость разработки СПО КПИД САУ БПЛА составила 375 чел. дней.
Себестоимость разработки 2414309,88 руб.
За 1 год эксплуатации 1 экземпляра комплекса все затраты на разработку СПО будут возмещены и получена экономическая выгода 208909,32 руб.
6. ОХРАНА ТРУДА И ЭКОЛОГИЯ
6.1. Анализ негативных факторов условий труда при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА
6.1.1. Введение
Основным источником опасности при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА является АРМ оператора, выполнение работ на котором осуществляется с использованием ПЭВМ.
При выполнении работ, связанных с ПЭВМ, на сотрудников могут воздействовать вредные и опасные производственные факторы. К вредным производственным факторам относятся факторы среды и трудового процесса, воздействие которых на работающего при определенных условиях (интенсивность, длительность и др.) может вызвать профессиональное заболевание, временное или стойкое снижение работоспособности, повысить частоту соматических и инфекционных заболеваний, привести к нарушению здоровья потомства.
Непосредственно на инженера работающего с ПЭВМ воздействуют следующие неблагоприятные факторы:
* уровень шума и вибрации на рабочем месте;
* уровень статического электричества;
* уровень электромагнитных излучений;
* тепловыделение от оборудования;
* освещенность помещения и рабочего места;
* пульсация светового потока;
* психофизиологические факторы включают в себя нервно-психические перегрузки:
* умственное и эмоциональное перенапряжение;
* перенапряжение анализаторов (напряжение зрения и внимания);
* монотонность труда;
* эмоциональные перегрузки;
* длительные статические нагрузки;
* большой объем информации, обрабатываемый в единицу времени;
Поэтому рабочее место должно быть правильно организовано и соответствовать эргономическим требованиям, а условия труда должны соответствовать санитарно-гигиеническим нормам. Основные требования к факторам рабочей среды заключаются в следующем:
* факторы рабочей среды при их комплексном воздействии на человека не должны оказывать отрицательного влияния на его здоровье при профессиональной деятельности в течение длительного времени;
* факторы рабочей среды не должны вызывать снижения надежности и качества деятельности оператора при действии их в течение рабочего дня.
Перечисленные неблагоприятные факторы, несоблюдение режима и организации рабочих мест отрицательно сказываются на функциональном состоянии высшей нервной деятельности, сердечно-сосудистой, дыхательной, ренальной системах, а при продолжительной работе могут вызвать отклонения в иммунной, эндокринной, воспроизводительной системах и заболевании крови. Таким образом становится очевидна необходимость проведения мероприятий для уменьшения перечисленных вредных факторов, а так же мероприятий для удовлетворения требованиям эргономики, пожаро- и электробезопасности. В настоящее время действуют Санитарные правила и нормы "Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы" СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Требования СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 направлены на предотвращение неблагоприятного влияния на здоровье человека вредных факторов производственной среды и трудового процесса при работе с ПЭВМ.
Далее будет проведен подробный анализ отдельных вредных факторов, оказывающих воздействие на организм инженера при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА.
6.1.2. Параметры помещения
Испытания КПИД САУ БПЛА производятся в помещении, предназначенном для эксплуатации комплекса. При отсутствии в указанном помещении естественного освещения проведение работы возможно при предоставлении специального обоснования и проведении санитарно-эпидемиологической экспертизы с вынесенным положительным заключением.
Так как в КПИД САУ БПЛА используется видеодисплейный терминал (ВДТ) на базе плоского дискретного экрана, то выделяемая на АРМ оператора площадь должна составлять не менее 4,5 м2.
Для внутренней отделки интерьера помещений, где расположены ПЭВМ, должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0,7 - 0,8; для стен - 0,5 - 0,6; для пола - 0,3 - 0,5. Использование полимерных материалов для внутренней отделки интерьера помещений базирования КПИД САУ БПЛА возможно только при наличии санитарно-эпидемиологического заключения.
6.1.3. Микроклимат и содержание аэроионов и вредных химических веществ в воздухе помещения
Проведение испытаний КПИД САУ БПЛА осуществляется в помещении, специально подготовленном для эксплуатации комплекса, то есть в таком помещении работа с использованием ПЭВМ является основной и связана с нервно-эмоциональным напряжением. Таким образом, в указанном помещении должны обеспечиваться оптимальные параметры микроклимата для категории работ 1а в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами микроклимата производственных помещений. Характер труда относится к категории 1а, так как работы производятся сидя и не требуют физического напряжения. Оптимальные параметры микроклимата в помещении приведены в табл. 6.1. (СанПиН 2.2.4.548-96).
ПЭВМ оказывает влияние на температуру рабочего помещения и подвижность воздуха, но оно незначительно.
Таблица 6.1. Допустимые и оптимальные нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зоне
Показатели микроклиматаПериод годаТемпература воздуха, °СТемпература поверхностей,
°СОтносительная влажность воздуха, %Скорость движения воздуха, м/сДопустимыеТеплый21-2820-2915-750,1Холодный20-2519-2615-750,1ОптимальныеТеплый23-2522-2640-600,1Холодный22-2421-2540-600,1 Согласно СанПиН 2.2.4.1294-03, определяющим гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений, уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе помещений с ВДТ и ПЭВМ должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 6.2.
Таблица 6.2. Уровни положительных и отрицательных аэроионов в воздухе помещений с ВДТ и ПЭВМ
Число ионов в 1см3 воздухаN+N-Минимально необходимые400600Оптимальные1500-30003000-5000Максимально допустимые5000050000 Требования санитарных правил направлены на предотвращение неблагоприятного влияния на здоровье человека аэроионной недостаточности и избыточного содержания аэроионов в воздухе на рабочих местах. Наибольшее число жалоб, предъявляемых в условиях аэроионной недостаточности: неудовлетворительное самочувствие, повышенная утомляемость, частые головные боли, повышенное давление. Также негативно сказывается преобладание положительных аэроионов, которое может приводить к ухудшению самочувствия людей, бессоннице, утомлению, снижению работоспособности.
В помещении, в котором будут проводиться испытания КПИД САУ БПЛА, должна проводиться ежедневная влажная уборка и систематическое проветривание после каждого часа работы на ПЭВМ.
Помещение оборудовано естественной вентиляцией и системой климат контроля для поддержания оптимальной температуры. В зимнее время дополнительно используется система отопления.
Содержание вредных химических веществ в помещении не должно превышать среднесуточных ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест в соответствии с действующими гигиеническими нормативами ГН 2.1.6.1338-03. Всё оборудование КПИД САУ БПЛА соответствует сертификату ТСО-03, таким образом, оно удовлетворяет требованиям по содержанию вредных веществ (табл. 6.3).
Таблица 6.3. ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
№Наименование
ВеществаРегистрационный номерФормула веществаПДК, мг/м3Лимитирующий
ПоказательКласс опасностиМаксимально разоваяСреднесуточная1Этенилбензол
(стирол)100-42-5С8Н80,040,02рефлекторно-резорбтивный22Бензол 71-43-2С6Н60,30,1резорбтивный23Метилбензол
(толуол)108-88-3С7Н80,6-рефлекторный34Этилбензол100-41-4С8Н100,02-рефлекторный35Формальдегид50-00-0СН2О0,0350,003рефлекторно-резорбтивный262-Пропенонитрил
(акрилонитрил)107-13-1С3Н3N-0,03рефлекторный2 6.1.4. Уровень шума и вибрации
Шум наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека и снижая производительность труда. Поэтому борьба с шумом является важной задачей.
В зависимости от уровня и характера шума, его продолжительности, а также от индивидуальных особенностей человека шум может оказывать на него различное действие. Под воздействием шума, в первую очередь, снижается слуховая чувствительность. Шум оказывает вредное воздействие на центральную нервную систему, вызывая переутомление и истощение клеток коры головного мозга. Возникает бессонница, развивается утомление, снижается работоспособность. Шум оказывает вредное влияние на зрительный и вестибулярный анализаторы, которое может привести к нарушению координации движений и равновесия тела.
Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и уровня звука, создаваемого ПЭВМ, не должны превышать значений, представленных в СанПиН 2.2.2/2.4. 1340-03 (табл. 6.4.).
Основным источником шума в АРМ оператора КПИД САУ БПЛА являются вентиляторы, предназначенные для охлаждения процессора и блока питания. Производимый ими шум соответствует допустимым уровням.
Таблица 6.4. Уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах
Уровни звукового давления, дБУровни звука, эквивалентные уровни звука, дБАСреднегеометрические частоты октавных полос, Гц31,563125250500100020004000800086716154494542403850 Уровень вибрации в помещении, в котором проводятся испытания КПИД САУ БПЛА, не должен превышать допустимых значений вибрации для рабочих мест (категория 3, тип "в") в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4. 1340-03. Допустимые значения уровня вибрации для указанной категории рабочих мест приведены в санитарных нормах СН 2.2.4/2.1.8.566-96.
Воздействие вибрации на организм человека характеризуется как сильный стресс-фактор, оказывающий отрицательное влияние на психомоторную работоспособность, эмоциональную сферу и умственную деятельность человека и повышающий вероятность возникновения несчастных случаев. Длительное влияние вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме человека: при этом особенно часто страдает вестибулярный аппарат, появляются головные боли, головокружения.
При проведении испытаний КПИД САУ БПЛА основным источником вибрации являются вентиляторы, предназначенные для охлаждения АРМ оператора. Производимая ими вибрация соответствует принятым допустимым нормам (табл. 6.5.).
Таблица 6.5. Допустимые нормы вибрации для категории 3 "в" Среднегеометрические частоты октавных полос Гц Допустимые значения оси X, Y по виброускорению по виброскорости мс-2 дБ мс-1 дБ 2 5,3x10254,5x10 79 4 5,3x10252,2x10 73 8 5,3x10251,1x10 67 16 1,0x10311,1x10 67 31,5 2,1x10371,1x10 67 63 4,2x10431,1x10 67 Корректированные значения и их уровни 9,3x10302,0x10 72 6.1.5. Освещение
Требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ, предъявляются СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Размер пикселя на экране (наименьший размер объекта различения) составляет около 0,35 мм, цвет фона меняется от светлого до темного, контраст объекта с фоном меняется от малого до большого. Таким образом, в соответствии с СНиП 23-05-95 работа с ПЭВМ относится к работам высокой точности (разряд III, подразряд "в") и требуемая освещенность составляет 200 лк (показатель ослепленности не должен превышать 20).
Освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана. Соотношение яркости между рабочими поверхностями не должно превышать 3:1 - 5:1, а между рабочими поверхностями и поверхностями стен и оборудования 10:1.
При недостатке естественного освещения необходимо использование искусственного освещения. В обратном же случае глаза работника будут сильно напрягаться, темп работы снижаться, утомляемость работников увеличиваться, качество работы снижаться. Недостаточное освещение рабочих мест отрицательно влияет на хрусталик глаза, что может привести к близорукости.
Чрезмерно яркое освещение раздражает сетчатую оболочку глаза, вызывает ослепление, резь в глазах. Глаза работников сильно устают, зрительное восприятие ухудшается, растет производственный травматизм, производительность труда падает. Поэтому яркость светильников общего освещения в зоне углов излучения от 50 до 90 градусов с вертикалью в продольной и поперечной плоскостях должна составлять не более 200 кд/м2, защитный угол светильников должен быть не менее 40 градусов. Нельзя допускать, чтобы солнечный свет падал прямо на экран.
В качестве источников света используются светильники ЛПО 16 с лампами ЛБ40 (16 светильников по 2 лампы в каждом), что соответствует требованиям СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. КЕО (коэффициент естественного освещения) при боковом освещении равен 1,2%. Размеры светильника ЛПО 16: 1250x141x61 мм. Размеры лампы ЛБ40: 1200x38 мм.
6.1.6. Электромагнитные поля
Воздействием, оказываемым электромагнитными полями, нельзя пренебрегать. С физической точки зрения ткани человека - парамагнитный материал: то есть они способны "намагничиваться", воспринимать магнитные поля. Медицинские исследования показывают, что воздействие таких полей вызывает изменение обмена веществ на клеточном уровне. По обобщенным данным, у работающих за монитором от 2 до 6 часов в сутки функциональные нарушения центральной нервной системы происходят в среднем в 4, 6 раза чаще, чем в контрольных группах, болезни сердечно-сосудистой системы - в 2 раза чаще, болезни верхних дыхательных путей - в 1,9 раза чаще, болезни опорно-двигательного аппарата - в 3,1 раза чаще. С увеличением продолжительности работы на компьютере соотношение больных и здоровых среди пользователей резко возрастает. Результаты свидетельствуют, что среди прочих нарушений в функциональном состоянии организма наиболее ярко выражены нарушения со стороны гормональной и иммунной систем. Допустимые уровни напряженности электростатических полей установлены ГОСТ 12.1.045-84 "Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля".
Так как все используемое в процессе проведения испытаний КПИД САУ БПЛА оборудование соответствует сертификату ТСО-03, то уровни ЭМП, создаваемых им, не превышают значений, приведенных в СанПиН 2.2.2/2.4. 1340-03 (табл. 6.6.).
Таблица 6.6. Временные допустимые уровни ЭМП, создаваемых ПЭВМ
Наименование параметровВДУ ЭМП Напряженность электрического поля в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц 25 В/м в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц 2,5 В/м Плотность магнитного потокав диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц 250 нТл в диапазоне частот 2 кГц - 400 кГц 25 нТл Электростатический потенциал экрана видеомонитора 500 В Напряженность элктростатического поля15 кВ/м 6.1.7. Пожарная безопасность
Согласно НПБ 105-03 "Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности" рассматриваемое помещение относится к категории "Д" и должно удовлетворять требованиям по предотвращению и тушению пожара по ГОСТ 12.1.004-91. Обязательно наличие телефонной связи и пожарной сигнализации. По функциональной пожарной опасности помещение относится к классу 5.1 как лабораторное помещение.
Согласно ППБ 01-03 "Правила пожарной безопасности в Российской Федерации" запрещается какой-либо ремонт блоков ЭВМ непосредственно в машинных залах. Не разрешается оставлять без наблюдения включенную в сеть радиоэлектронную аппаратуру, используемую для испытаний и контроля ПЭВМ.
Наиболее вероятной причиной пожара является неисправность электрооборудования, находящегося в помещении, и электросетей. При эксплуатации ПЭВМ возможны возникновения следующих аварийных ситуаций: короткие замыкания, перегрузки, повышение переходных сопротивлений в электрических контактах, перенапряжение, возникновение токов утечки. При возникновении аварийных ситуаций происходит резкое выделение тепловой энергии, которая может явиться причиной возникновения пожара. Требования к пожаробезопасности зданий и сооружений определяются согласно СНиП 21-01-97.
Материалы, применяемые для ограждающих конструкций и отделки помещения, должны быть огнестойкими. Для борьбы с возгоранием в зоне расположения ПЭВМ обычных горючих материалов (бумага) и электрооборудования могут быть использованы углекислотные огнетушители типов ОУ-2, ОУ-5 или ОУ-8. Согласно типовым правилам пожарной безопасности на каждые 100 м2 площади помещения должен приходиться один огнетушитель. В качестве вспомогательного средства тушения пожара могут использоваться гидрант или устройства с гибкими шлангами.
Пользователи допускаются к работе на персональных ЭВМ только после прохождения инструктажа по безопасности труда и пожарной безопасности в помещении в целом и на каждом рабочем месте.
6.1.8. Электробезопасность
В ПЭВМ источником опасности является электрическая часть, а именно входные цепи блока питания, который может быть подключен к сети промышленного тока напряжением 240 В частотой 50 Гц, с изолированной нейтралью. Выходные цепи блока питания составляют ± 15, ± 5 В. Таким образом, согласно ПУЭ 1.1.3 устройство относится к установкам с рабочим напряжением до 1000 В.
В помещении, в котором проводятся испытания КПИД САУ БПЛА, должны быть непроводящие полы, а также должны отсутствовать токопроводящая пыль, электрически активная среда, возможность одновременного прикосновения к металлическим частям прибора и заземляющему устройству, высокая температура и сырость (ПУЭ 1.1.13).
Для защиты от поражения электрическим током все токоведущие части должны быть защищены от случайных прикосновений кожухами (ПУЭ 1.1.32). Питание ПЭВМ должно осуществляться от силового щита через автоматический предохранитель, срабатывающий при коротком замыкании нагрузки.
АРМ оператора должно быть расположено вдали от высоковольтных трансформаторов, создающих помехи в работе ПЭВМ. Должна быть исключена возможность случайного соприкосновения людей с токонесущими частями оборудования.
Работы с АРМ оператора должны производиться персоналом, имеющим квалификацию по ТБ III (согласно ПТЭ). Работы по устранению неисправностей и наладке должны производиться персоналом с квалификационной группой по ТБ не ниже III (согласно ПТЭ) и только после снятия напряжения питания с устройства.
Необходимо соблюдать требования техники электробезопасности при работе с высоким напряжением и следующие меры предосторожности:
* проводить внешний осмотр состояния электропроводки, предохранительных щитов, шнуров, с помощью которых включаются в электросеть компьютеры, осветительные приборы, другие электроприборы;
* исключить прикосновения к токоведущим частям ПЭВМ при поданном на устройство напряжении (уведомление персонала о включении питания, правильная планировка рабочего места);
* исключить подключение дополнительных приборов и оборудования с включенным электропитанием, для чего должна использоваться система уведомления о включении питания (световые индикаторы);
* не оставлять ПЭВМ и другое оборудование под напряжением без наблюдения персонала.
Данное помещение, согласно ПУЭ, относится к I классу по опасности поражения электрическим током (помещение без повышенной опасности).
Помещение, в котором осуществляется проведение испытаний КПИД САУ БПЛА, оборудовано защитным занулением в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81.
6.2. Расчет освещения на рабочем месте
Проведение испытаний КПИД САУ БПЛА осуществляется в условиях, когда естественное освещение недостаточно или отсутствует. Исходя из этого, проведем расчет искусственного освещения. При этом будем учитывать принятые нормы, указанные в СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и в СНиП 23-05-95. Расчет будет производиться методом коэффициента использования светового потока. Параметры помещения выбраны при проведении испытаний комплекса в стационарном помещении.
6.2.1. Исходные данные
Параметры помещения и рабочего места:
Ширина
Длина
Высота
Площадь помещения ()
Высота рабочей поверхности от пола
Высота свеса светильника от основного потолка
Нормированная минимальная освещенность
(согласно СНиП 23-05-95)Ен=200лк
Светоотражающие характеристики отделочных материалов помещения (согласно СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03):
Коэффициент отражения от потолка ()
Коэффициент отражения от стен ()
Коэффициент отражения от пола ()
Прочие характеристики:
Отношение средней освещенности к минимальной (z) z = 1,1
Коэффициент запаса (СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03) k=1,4
6.2.2. Выбор системы освещения
В практике проектирования осветительных установок используются следующие системы освещения:
* общего освещения;
* комбинированного освещения (к общему освещения добавляется местное, световой поток которого направлен непосредственно на рабочие места).
Так как основным процессом при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА является работа с ПЭВМ, то в соответствии с СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 искусственное освещение в помещении должно осуществляться системой общего равномерного освещения. В качестве источников света при искусственном освещении должны применяться преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ.
С учетом требований СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 в качестве светильника выберем ПВЛ-1 (на 2 лампы по 40 Вт). Расчет ведется для рекомендованного типа светильника.
6.2.3. Размещение осветительных приборов
При выборе расположения светильников необходимо руководствоваться двумя критериями:
* обеспечение высокого качества освещения, ограничение ослепленности и необходимой направленности света на рабочее место;
* наиболее экономичное создание нормированной освещенности.
Для равномерного общего освещения светильники могут располагаться рядами параллельно стенам (для люминесцентных ламп).
Светильники с люминесцентными лампами рекомендуется размещать сплошными рядами с небольшими разрывами.
Как показатели исследования, в зависимости от типа светильников существует наивыгоднейшее относительное расстояние между светильниками:
,
где L - расстояние между соседними светильниками, h-высота подвеса светильника над рабочей поверхностью.
Различают наивыгоднейшее светотехническое расположение светильников , при котором достигается наибольшая равномерность освещенности по площади помещения, и энергетически наивыгоднейшее расположение , когда обеспечивается нормируемая освещенность при наименьших энергетических затратах.
Для светильников типа ПВЛ-1 .
Расчетная высота подвеса лампы:
.
Светильники расположим параллельно рядами, симметрично. Расстояние между рядами:
.
Расстояние от стен помещения до крайних светильников рекомендуется равным L/3:
.
Расположим светильники в два ряда.
Габариты светильника типа ПВЛ-1: 1230х266 мм.
Ширина помещения 7 м, тогда расстояние между рядами светильников:
.
Длина помещения 12 м, приблизительное количество светильников:
;
разрывы между светильниками 20см (0,20м),
,
- количество светильников в ряду,
- общее количество светильников по предварительному расчету.
6.2.4. Расчет освещения
Индекс помещения выражает геометрические соотношения в помещении и определяется как ,
где - высота подвеса светильника над рабочей поверхностью;
и - характерные размеры помещения;
Для рассматриваемого помещения индекс помещения имеет следующее значение:
.
Для освещения помещения были выбраны люминесцентные лампы типа ЛБ40, световой поток которых (Fл) составляет 3000 лм.
Исходя из значений , , , , а также типа светильника по таблице можно определить значение коэффициента использования, который выражает отношение светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп.
Величина коэффициента использования η зависит от длины и ширины помещения, высоты подвеса светильника, коэффициентов отражения потолка и стен, от характера кривой светораспределения и коэффициента полезного действия светильника.
Для каждого типа светильника значения коэффициента использования (в процентах) вычислены заранее в зависимости от размеров помещения и коэффициентов отражения стен и потолка и приведены в светотехнических справочниках в виде таблиц.
Световой поток двух ламп светильника в люменах рассчитывается по формуле:
, где(6.1)
световой поток F -часть лучистого потока, воспринимаемая человеком как свет; характеризует мощность светового излучения, измеряется в люменах (лм);
- выбранная нормируемая освещенность по СНиП 23-05-95 (лк);
- площадь помещения ();
- коэффициент запаса;
- отношение средней освещенности к минимальной, принимается ;
- коэффициент использования светового потока ламп, зависящий от типа светильника, коэффициентов отражения потолка , стен и индекса помещения (для выбранного типа светильников ПВЛ-1 при , и получаем , в формулу подставим в долях единицы);
- число светильников.
Определим число светильников преобразовав формулу (6.1) следующим образом (с учетом того, что в светильнике ПВЛ-1 используется 2 лампы):
Рассчитаем обеспечиваемую освещенность рабочего места:
.
Рассчитаем световой поток по формуле:
.
, разница между расчетным и стандартным световым потоком не превышает 10% ( (9%)).
Выбранная лампа ЛБ40 Fл=3000лм. Рассчитанное количество светильников 14.
Габаритные размеры светильника ПВЛ-1: 1230х266 мм, расстояние между параллельными рядами светильников 3,5 м, расстояние между светильниками в ряду составляет 0,1 м. Схема размещения светильников приведена на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Схема размещения светильников
6.3. Заключение
В данном разделе дипломного проекта были решены следующие задачи:
* проведен анализ опасных и вредных факторов при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА;
* проведен расчет системы освещения на рабочем месте инженера.
При анализе опасных и вредных факторов были исследованы такие факторы как:
1) микроклимат и содержания аэроионов и вредных веществ в воздухе помещения;
2) уровень шума и вибрации;
3) освещение;
4) электромагнитные поля;
5) пожарная безопасность;
6) электробезопасность.
При расчете системы освещения были выбраны тип освещения, типы светильников и ламп, рассчитано их необходимое количество, при котором обеспечиваемая освещенность рабочего места и световой поток находятся в допустимых пределах. На основании полученных данных построена схема размещения светильников в помещении.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном дипломном проекте была проведена разработка комплекса подготовки исходных данных для системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом.
В ходе выполнения дипломного проекта были получены следующие результаты:
1. Разработано алгоритмическое обеспечение КПИД САУ БПЛА:
- алгоритм определения точек включения РЛК;
- алгоритм выбора ОУМ;
- алгоритм формирования траектории;
- алгоритм выбора субоптимальной траектории.
2. Разработано специальное программное обеспечение КПИД САУ БПЛА:
- ядро;
- модуль определения точек включения РЛК и расчета эталонов;
- модуль расчета программной траектории;
- модуль формирования траектории.
3. Проведено моделирование для подтверждения корректности формируемых комплексом ИД ПЗ.
4. Сформирован технический облик КПИД САУ БПЛА.
5. Разработана методика проведения испытаний комплекса.
6. Проведен расчет затрат на разработку СПО КПИД САУ БПЛА.
7. Проведен анализ опасных и вредных факторов при проведении испытаний КПИД САУ БПЛА и расчет освещения на рабочем месте оператора комплекса.
Разработанный комплекс полностью удовлетворяет требованиям технического задания. Проведенное моделирование подтвердило корректность функционирования комплекса и соответствие формируемых данных предъявляемым требованиям.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. В.Л. Лисицын Управление движением ЛА в атмосфере. - Реутов, 2007.
2. В.Л. Лисицын, А.Е. Лукьянович Метод управления траекторией движения сверхзвукового ЛА в атмосфере. Х., Вестник ХПИ, вып. 70, 1999.
3. Бромберг П.В. Теория инерциальных систем навигации. - М.: Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы, 1979. - 296 с.
4. Керниган Б., Ритчи Д. Язык программирования Си. - СПб.: "Невский диалект", 2001. - 352 с.: ил..
5. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы. 2003.
6. СНиП 23-05-95 "Естественное и искусственное освещение".
7. Бадиков Г.А., Лекции по курсу "Организация и планирования производства", 2010.
8. Гапонюк Н.А., Лекции по курсу "Охрана труда и промышленная экология" 2008.
Приложение А
10
5
69
10
117
10
138
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
748
Размер файла
134 706 Кб
Теги
диплом, дипломный проект, рпз
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа