PILÓTA NÉLKÜLI REPÜLŐGÉP REPÜLÉSSZABÁLYOZÓ RENDSZEREINEK MINŐSÉGI KÖVETELMÉNYEI I. BEVEZETÉS

Átírás

1 Dr. habil. Szabolcsi Róber 1 Mészáros Görg PILÓTA ÉLKÜLI REPÜLŐGÉP REPÜLÉSSZABÁLYOZÓ REDSZEREIEK MIŐSÉGI KÖVETELMÉYEI I. BEVEZETÉS A pilóa nélküli repülőgépek (Unmanned Aerial Vehicle UAV), vag mai modern elnevezéssel, a pilóa nélküli repülő-rendszerek (Unmanned Aerial Ssems UAS) úg kaonai, min a polgári alkalmazási erüleeken kiválóan alkalmazhaóak információgűjési célból. Mivel a gakorlaban nagon sokszor a vizuális láóávolságon úl kell repülni, ezér felmerül a repülés eges fázisai (pl. felszállás, úvonalrepülés, sülledés, leszállás sb.) auomaizálásának problémája. A legfonosabb kérdés, amel megválaszolása nélkül nem épülhe repülésszabálozó rendszer: milenek az auomaikus repülésszabálozó rendszerrel szemben ámaszo minőségi köveelmének?! A szerzők célja elsőkén bemuani, hog az elmúl időszakban álaluk elvégze végze udomános felmérés, és az abból levon kövekezeések hogan alkalmazhaóak az UAS rendszerek auomaikus repülésszabálozó rendszerei minőségi köveelméneinek meghaározására. II. SZAKIRODALMI ÁTTEKITÉS Az UAV, illeve az UAS rendszerek repülésszabálozó rendszerei mind a mai napig nem rendelkeznek előír minőségi köveelménrendszerrel. Felmerül a kérdés, hog milen módon haározzuk meg az UAS rendszerek minőségi köveelménei?! Magáól kínálkozik eg egszerű elv: a pilóa álal iránío repülőgép auomaikus repülésszabálozó rendszerei rendelkeznek előír minőségi köveelménrendszerrel, íg há alkalmazhajuk azoka. Tekineel eme öbb évizedes szabálozórendszerre, felmerül a kérdés, hog a benne foglal normák hogan alkalmazhaóak az UAS rendszerekre?! Szűkíeni, vag bővíeni kell azoka?! A pilóák álal iránío légi járművekkel szemben ámaszo kormánozhaósági-, és iráníhaósági köveelménrendszer összegezve öbb évized szakmai apaszalaá, és kulúrájá az [1] kaonai szabván adja meg. SZEGEDI [] részleesen foglalkozik UAV repülőgépek repülésszabálozó rendszere szabálozóinak előzees ervezésével. A UAV és az UAS alkalmazások leheőségeivel a [7] irodalom muaja be eg udomános kuaási program főbb elemei. Az UAV és az UAS polgári alkalmazásainak leheőségei a [3,, 9] irodalmak muaják be részleesen, míg a kaonai alkalmazásokkal a [] irodalom foglalkozik, és muaja be eg reprezen- 1 ZME BJKMK Auomaizálási és Roboikai Inéze, egeemi docens, okaási és minőségbizosíási dékánhelees, inézeigazgaó, 151 Budapes, Pf. 15., szabolcsi.rober@zmne.hu ZME BJKMK Kaonai Műszaki Dokori Iskola, PhD hallgaó, 3 Balaonboglár, Móricz Zs. u. /a., qualiprox@exerne.hu

2 aív, udomános felmérés eredménei. A légköri urbulencia szochaszikus, és deerminiszikus maemaikai modelljei a [, 5] irodalmak muaják be. POKORÁDI [1] részleesen foglalkozik a szochaszikus jelek saiszikai leírásával. A repülőgépek földi kiszolgálásának maemaikai modellezésére a Markovi-, és a fél-markovi szochaszikus folamaok leírásá alkalmaza, míg a légijárművek fedélzei műszaki rendszerei diagnoszikai problémáinak leírására, és megoldására szinén a saiszikus módszer alkalmaza. III. KÍSÉRLETI UAS AUTOMATIKUS REPÜLÉSSZABÁLYOZÓ RED- SZEREIEK MIŐSÉGI KÖVETELMÉYEI A pilóa nélküli repülőgépek leheséges polgári, és kaonai alkalmazásával kapcsolaban SZABOLCSI országos, reprezenaív udomános felmérés végze [3,, 9], és kuaási programo hirdee [7]. E kuaás eredméneképpen, felmérve az alkalmazók elvárásai, az UAS rendszerek, valamin azok auomaikus repülésszabálozó rendszerei számára az alábbi fonosabb megállapíások eheők: 3.1. Kísérlei UAS repülési aromána A felmérés eredméneképpen, a kísérlei UAS rendszer repülési aromána a kövekező paraméerekkel írhaó le (1. ábra) [3,, 7,, 9]: 1 1 Voes Aliude [m] >1 < Oher Voes Airspeed [km/hrs] >15 Oher 1-a. ábra. Repülési magasság [m]. 1-b. ábra. Repülési sebesség [km/h]. Min az az 1-a., és az 1-b. ábrákon is jól láhaó, az UAS elvár ipikus repülési magassága a válaszadók jelenős része szerin a H ( 5 1) m repülési magassági arománban helezkedik el. Az UAS rendszer elvár repülési sebessége a v ( 15) km/h arománba esik Voes Operaional Disance [km],1,,,5, >5 Oher Az UAS rendszerek elvár repülési haóávolsága polgári alkalmazások eseén ipikusan az L ( 15) km arománba esik. Az UAS kaonai alkalmazások eseén a válaszadók eg nag csoporja az L max 5 km, valamin aól nagobb haóávolságo jelöle meg elvár köveelménkén. 1-c. ábra. Haóávolság [km]. Repülésudománi Konferencia 9. április.

3 Tekineel a felmérés sajáosságaira, ami kisméreű, korláozo manőverező képességű UAS rendszerek alkalmazásá jeleni, elmondhajuk ehá, hog az elvár haóávolság maximális éréke L max 5 km. A kísérlei UAS rendszer elvár repülési arománának paraméerei alapján az UAS rendszer sárkánszerkezee, a hajómű rendszere, és más repülő-gépészei ervezése már elvégezheő. 3.. Kísérlei UAS auomaikus repülésszabálozó rendszere erveze normál repülési üzemmódjai A felmérés eredméneképpen, a kísérlei UAS rendszer normál repülési üzemmódjai az alábbiak (. ábra) [3,, 7,, 9]: Take-off Voes 1 Auomaized Regimes Aiude Airspeed Terrain Following Cruise Loier Landing (Flare) La Coordinae (Heading) Aliude Oher. ábra. Kísérlei UAS rendszer normál repülési üzemmódjai. A felmérés eredméneképpen elmondhajuk, hog repülés auomaizálása annak szine összes repülési fázisára kierjed (pl. auomaikus fel, és leszállás; érbeli szöghelze (dőlés, bólinás, irán) sabilizálás; repülési sebesség sabilizálása; kismagasságú repülések auomaizálása repülési magasság sabilizálása, emelkedés, sülledés, egéb más, magasság válozaással járó manőverek; programozo úvonalrepülések a felszállás és a leszállás hele közö; más üzemmódok pl. saikus objekumok megfigelése, adaveszés eseén hazaérés auomaikus végrehajása). A felmérés eredméneképpen elmondhaó, hog a kísérlei UAS rendszerrel szemben ámaszo köveelmének vadászrepülőgép -szerűek. Können beláhaó, hog a kisméreű, korláozo manőverező-képességű UAS rendszer minden felhasználói elvárás egidőben nem eljesíhe, ezér szüksége van eg ésszerű kompromisszumra, ami első közelíésben kielégíi a leheséges alkalmazóka. A kísérlei UAS rendszer koncepcionális ervezése során az alábbi feléelekből indulunk ki: 1. csak és kizárólag polgári alkalmazásokkal foglalkozunk;. az UAS rendszer öbbször is alkalmazhaó; 3. az UAS felszállása, valamin a leszállás elői manőverek, és maga a leszállás kézi iráníású. Repülésudománi Konferencia 9. április.

4 Mindezen megfonolások alapján az UAS rendszer alábbi repülési üzemmódjainak auomaizálása szükséges: érbeli szöghelze sabilizálás; repülési sebesség sabilizálása; repülési magasság sabilizálása. E repülési üzemmódokon a pilóa álal iránío légijárművek eseén a minőségi köveelméneke az [1] szabván adja meg részleesen. Tekineel az UAS rendszer sajáosságaira, a fen felsorol repülési üzemmódokon az auomaikus repülésszabálozó rendszer megfelelő ámenei függvénein érelmeze fonosabb minőségi köveelménei legenek az alábbiak: Minőségi jellemzők Üzem mód Túlszabálozás, [%] x z Csillapíási énező, x z Tranziens idő, ss [sec] ( 1% ) xss ss zss Lengésszám, x z Erősíési aralék,, [db] x z Fázisaralék,, [fok] x z 3%,, Tábláza. A kísérlei UAS rendszer csillapíó auomaájának minőségi köveelménei. Üzem mód sabilizálás sabilizálás sabilizálás Csillapíó auomaa Túlszabálozás, [%] Csillapíási énező, Minőségi jellemzők Tranziens idő, ss [sec] ( 1% ), 3, 3 Lengésszám, Erősíési aralék,, [db] 3 5 3, Fázisaralék,, [fok] Tábláza. A kísérlei UAS rendszer robopilóájának minőségi köveelménei. Minőségi jellemzők Üzem mód Túlszabálozás, [%] Csillapíási énező, Tranziens idő, [sec] ss Lengésszám, Erősíési aralék,, [db] Fázisaralék,, [fok] V sabilizálás H sabilizálás a 5 1, Tábláza. A kísérlei UAS rendszer pálavezérlő rendszerének minőségi köveelménei. Repülésudománi Konferencia 9. április.

5 A feni áblázaokban (1-3) foglal minőségi köveelmének nem eljes körűek, azoka csak és kizárólag a kísérlei repülőgép rövidperiodikus mozgására íruk fel. Magáól éreődik, hog a későbbiekben a hosszúperiodikus mozgás minőségi jellemzői is definiálni szükséges. Mivel az [1] kaonai szabván pilóa álal vezee repülőgépre állíoák össze, ezér mérlegelés árgá képezi, hog az abban foglalak mel részé fogadjuk el. Eges részei (pl. az auomaikus repülésszabálozó rendszer alapja a csillapíó auomaa, amel csökkeni a es-koordináa rendszer engelei körül a lengéseke), eljes egészében elfogadhajuk. A szabván eges részei (pl. az uasok komfor érzeé bizosíó köveelmének, erhelési öbbszörösök nagmérékű korláozása sb.) eljes egészében elvejük el, És végezeül, a szabván eges fejezeei és normái (pl. öbb előjelváló lengés is megengede), módosíással, az UAS rendszerre örén adapálás uán elfogadhajuk. ilvánvaló, hog a feni módszeran csak és kizárólag vonalvezeő ad a kísérlei UAS komplex minőségi köveelménrendszerének meghaározásához. Könnű beláni, hog az UAS rendszerrel szemben ámaszo funkcionális-, sabiliási-, klimaikus-, és egéb feléelek meghaározása eseén a fedélzei auomaikus repülésszabálozó rendszerrel szemben ámaszo köveelmének a rendelkezésre álló szabvánok segíségével, illeve a ervező dönéseivel egérelműen meghaározhaóak Kísérlei UAS auomaikus repülésszabálozó rendszere erveze vészhelze-kezelő repülési üzemmódjai A kísérlei UAS rendszer felhasználók álal elvár, és a veszéles repülési üzemmódoka kezelő auomaizál üzemmódjai a 3. ábra foglalja össze [3,, 7,, 9]. Auo Leveling Voes Auomaized Emergenc Regimes Go-Around Emergenc Landing Obsacle Avoidance - Fl Above Obsacle Avoidance - Flb Oher 3. ábra. Kísérlei UAS rendszer vészhelze-kezelő auomaikus repülési üzemmódjai. A 3. ábrán jól láhaó, a legöbb leheséges felhasználó a vízszines repülési helzebe örénő kivezeés, a kénszerleszállás, valamin a erepárgakkal örénő üközés elkerülésé arja a legfonosabbnak. Repülésudománi Konferencia 9. április.

6 Felmerül a kérdés, hog a veszéles repülési üzemmódokon hogan fogalmazzuk meg az UAS rendszerrel szemben ámaszo sabiliási-, kormánozhaósági-, és iráníhaósági minőségi köveelméneke?! Tekineel arra, hog az UAS öbbször is alkalmazhaó, a vészhelzei algorimusok egenek elege a kövekező feléeleknek: 1. egék leheővé a veszéles repülési helzeek elkerülésé (pl. árepülés erepárgak fele);. ha nem sikerül elkerülni a veszéles repülési helzee, akkor ege leheővé a bizonságos, minimális sérüléssel járó leszállás. A vészhelzei repülési pálák megervezése uán a sabiliási-, kormánozhaósági-, és iráníhaósági minőségi köveelméneke már meghaározhaóak. E köveelménrendszer felállíásához segísége nújha a normál repülési helzeekre megado minőségi köveelménrendszer. 3.. Kísérlei UAS repülési feléelei Az UAS rendszerek koncepcionális-, és előzees ervezése során elengedheelen a repülési körneze néhán fonos paraméerének ismeree. A korábban is hivakozo felmérés adaai a. ábra foglalja össze [3,, 7,, 9]. 5 Voes, >1 3 Voes 1, >1 Head Wind [m/s] Cross Wind [m/s] -a. ábra. Repülés ellenszélben. -b. ábra. Repülés oldalszélben. 1 Voes Tail Wind [m/s], >1 Voes Temperaure [ºC] (-5) (-3) (-3) () () (+) (+) (+) -c. ábra. Repülés hászélben. -d. ábra. A repülés körnezei hőmérséklee. A -d. ábra alapján elmondhaó, hog a kísérlei UAS erveze alkalmazásai szélsőséges hőmérséklei arománban arják szükségesnek. Más szóval, a hazánkban mérheő legalacsonabb hőmérsékle melle is bizosíani szükséges az UAS rendszer repülésé. A felhasználói igének csapadékos időben, és megleheősen nag erősségű szélben is szükségesnek (-a. -c. ábra) arják az UAS rendszer repülésé. E probléma megoldásá segíik, és nagban ámogaják a [, 5] irodalmak, amelek részleesen aglalják a deerminiszikus és a szochaszikus légköri urbulencia modellek jellemzői, és azok meghaározásá, majd számíógépes szimuláció segíségével a repülésszabálozó rendszer sza- Repülésudománi Konferencia 9. április.

7 bálozóinak előzees ervezése során is jól alkalmazhaó idősoroka hozak lére kismagasságú urbulencia-modellekre. A szeles időben örénő UAS alkalmazások előre veíik, hog a zár szabálozási rendszerek kellő robuszussággal kell, hog rendelkezzenek ellenkező eseben a repülés alapveő célja sem eljesülhe [, 5]. IV. ÖSSZEFOGLALÁS Az UAS rendszerek polgári, és kaonai alkalmazásáról készíe felmérés jó alapo ad eg kísérlei UAS rendszer koncepcionális, és előzees ervezéséhez. A felmérés számos erülee fed le. A szerzők e erüleek közül kiválaszoák eg hipoeikus, kísérlei UAS rendszer, amel néhán normál-, és vészhelzei repülési üzemmódján megadák a fedélzei auomaikus repülésszabálozó rendszer rövidperiodikus mozgásra vonakozao minőségi köveelménei. A köveelmének megfogalmazása során csak részben ámaszkodak a léező, de nem eljesen áveheő szabvánokra. A hiános erüleeken sajá ervezői apaszalauk alapján maguk fogalmazák meg a minőségi köveelméneke. A normál repülési üzemmódokra a minőségi jellemzők köveelmén-rendszere nagrész megfogalmazo, míg a vészhelzei repülési üzemmódokra a szerzők megfogalmazák az elvi köveelméneke. Eme elvi köveelmének alapján a vészhelzei repülési páláka megervezni szükséges, ezuán pedig az eges pálaszakaszokhoz a minőségi köveelméneke már hozzá udjuk rendelni. E feladaok megoldása ovábbi vizsgálaoka, és ovábbi udomános kuaómunká igénel, és a közeljövőben a szerzők kuaási erüleeinek fonos részé képezik. OPUS CITATUM [1] MIL-STD-1797A, oice 3, Fling Qualiies of Piloed Aircraf, Deparmen of Defense, Inerface Sandard,. [] SZEGEDI Péer: Repülésszabálozó rendszerek szabálozóinak számíógépes analízise és szinézise, PhD érekezés, Zríni Miklós emzevédelmi Egeem, Kaonai Műszaki Dokori Iskola, Budapes, 5. [3] DR. HABIL. SZABOLCSI Róber: Pilóa nélküli repülőgépek polgári alkalmazási leheőségeinek vizsgálaa. Elekronikus Műszaki Füzeek IV, MTA Debreceni Terülei Bizoság, Debreceni Akadémiai Bizoság, Műszaki Szakbizosága, pp (59 5), Debrecen, 7. [] Dr. habil. SZABOLCSI Róber: Mahemaical Models for Gus Modeling Applied in Auomaic Fligh Conrol Ssems Design, CD-ROM Proceedings of he 5 h Inernaional Conference in he Field of Miliar Sciences 7, 13-1 ovember 7, Budapes, Hungar. [5] SZABOLCSI Róber MÉSZÁROS Görg: Compuer Aided Simulaion of he Random Amospheric Turbulences, CD-ROM Proceedings of he h Inernaional Conference on Crisis Managemen, ISB , pp(3-379), 1-15 Ma, Brno, Czech Republic. [] DR. HABIL. SZABOLCSI Róber MÉSZÁROS Görg: Pilóa nélküli repülőgépek polgári alkalmazási leheőségeinek vizsgálaa. 7 éves a légierő udomános konferencia CD-ROM kiadvána, Repülésudománi Közlemének, Különszám,. április 11. [7] DR. HABIL. SZABOLCSI Róber MÉSZÁROS Görg: A new iniiaive a new scienific research program compuer aided design and analsis of he vehicle ssems, CD-ROM Proceedings of he V h Inernaional Smposium on Defense Technolog,, HU ISS 11-13, 1- April, Budapes, Hungar. [] DR. HABIL. SZABOLCSI Róber: Some Thoughs on he Concepual Design of he Unmanned Aerial Vehicle Ssems Used for Miliar Applicaions, XVI. Magar Repülésudománi apok, BME,. november 13-1, (megjelenés ala). [9] DR. HABIL. SZABOLCSI Róber: Concepual Design of he Unmanned Aerial Vehicle Ssems for on-miliar Applicaions, Proceedings of he 11 h MII Conference on Vehicle Ssem Dnamics, Idenificaion and Anomalies, VSDIA, BUTE, 1-1 ovember (in prin). [1] PROF. DR. POKORÁDI László: Rendszerek és folamaok modellezése, ISB , Campus Kiadó, Debrecen,. Repülésudománi Konferencia 9. április.