O systemie automatycznej kontroli lotu FCS-1 pisaliśmy już w dziale „nowości” w kwietniu br. Tym razem nadarzyła się znakomita okazja, by temu interesującemu urządzeniu, a także jego twórcy, poświęcić trochę więcej miejsca. Niniejszym przedstawiamy kolejnego kandydata do tytułu „Konstruktora Roku”...
WIDOK ogólny systemu FCS-1
Na spotkanie pojechałem do założonej w 1991 roku firmy ACS, której siedziba znajduje się na terenie należącym do Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, przy ul. Hery w Warszawie. Dlaczego właśnie tam? Firma została założona przez byłych pracowników naukowych wspomnianego instytutu. I to właśnie w niej inż. Ryszard Arendzikowski zakończył prace nad systemem automatycznego pilotażu.
– Szereg rzeczy, którymi się zajmujemy w tej chwili, jako ACS, związanych jest z wdrażaniem technologii i budową urządzeń pomiarowych. W pewnym stopniu jest to naturalna kontynuacja badań prowadzonych przez nas w Instytucie – powiedział Jerzy Wyzgał, wiceprezes zarządu i dyrektor ds. technicznych ACS, obecny na spotkaniu.
W czasach PRL zajmowano się – w pewnym stopniu – praktycznie wszystkimi dziedzinami nauki. Wspomniany Instytut miał kilkuset pracowników naukowych. Przez pewien czas był częścią Wojskowej Akademii Technicznej. Jego pracownicy zajmowali się badaniami nad kontrolowaną syntezą termojądrową.
– Instytut cały czas kontynuuje te badania – dodaje Jerzy Wyzgał. – Po 1989 roku Instytut współpracował w obszarze wielu dziedzin z ośrodkami rosyjskimi. Realizowaliśmy szereg zamówień, związanych m.in. z urządzeniami do kontrolowanej syntezy termojądrowej serii „Tokamak”. Potrzebne były systemy detekcji i rejestracji różnych rodzajów promieniowania, czyli obsługa różnego rodzaju eksperymentów, zestawy diagnostyczne dla wszystkich zakresów promieniowania. Szczególnie zainteresowani byliśmy promieniowaniem neutronowym, rejestracją zakresów szybkich zjawisk, o czasach charakterystycznych nanosekundowych. Niestety, wszystko to zostało przerwane, nie tylko w tym instytucie, ale i w wielu placówkach w kraju, m.in. ze względu na brak finansowania, na zerwanie umów o współpracy itp.
Część spośród byłych pracowników zdecydowała się na założenie własnych firm. Przykładem może być firma VIGO – produkująca m.in. detektory podczerwieni.
– Takich w firm jest w kraju kilka. My jesteśmy jedną z nich, przy czym odeszliśmy z Instytutu późno, i zajmujemy się dziedzinami, które trudniej się sprzedają, np. detekcją neutronów – w Polsce nie ma na to zapotrzebowania – wspomina dyrektor Wyzgał.
Jednym z przykładów obecnej działalności firmy jest opisywany tutaj projekt, na który zapotrzebowanie może okazać się znaczące, a nad którym prace zaczęły się już jakiś czas temu…
– Wtedy byłem jeszcze pracownikiem WAT. Czynione były wówczas starania o zdobycie funduszy na realizację planów budowy polskiego samolotu bezpilotowego. Współpracą z WAT-em w tej dziedzinie interesowała się firma Bumar. Niestety, funduszy nie udało się zdobyć i sprawa upadła. Zacząłem wówczas poważnie rozważać ewentualność skonstruowania systemu automatycznego pilotażu na własną rękę i oczywiście na własny koszt – stwierdził Ryszard Arendzikowski, konstruktor systemu FCS-1. Zapytany o to, skąd narodził się pomysł opracowania systemu autopilota dla bezzałogowych urządzeń latających, opowiedział o swoich... zamiłowaniach do modelarstwa.
Od dziecka pasjonowałem się modelarstwem lotniczym. Pasja ta została mi do dziś. Mam w tej dziedzinie duże doświadczenie, co jest niezmiernie ważne dla pomyślnej realizacji tego zamierzenia.
– Z zawodu jestem elektronikiem. Projektowałem aparaturę elektroniczną na potrzeby wspomnianych wcześniej eksperymentów prowadzonych w Instytucie Fizyki Plazmy, m.in. szybkie kamery elektrooptyczne, kamery CCD itd. Wiedza elektroniczna oraz informatyczna w zestawieniu z doświadczeniem modelarskim dawały spore gwarancje skonstruowania dobrze działającego systemu. Był to czas reorganizacji w wojsku. Wielu oficerów chcąc nie chcąc odeszło do cywila. W tej grupie znalazłem się i ja. Jeszcze jakiś czas pracowałem w WAT na pół etatu – jako pracownik cywilny. Pozostały czas mogłem więc przeznaczyć na pracę nad systemem. Kiedy do moich zwierzchników dotarła wiadomość, że pracuję nad systemem automatycznego pilotażu (specjalnie się z tym nie ukrywałem), zaczęto na mnie naciskać, abym dalsze prace prowadził w trybie służbowym. Nawet by mi to odpowiadało, ale żenująco niskie wynagrodzenie jakie mi oferowano było nie do przyjęcia. I tak współpraca z WAT-em się skończyła.
Dalsze działania nastąpiły tutaj, we współpracy z firmą ACS. Praca nad systemem trwała w sumie ponad 3 lata. Od początku do końca projekt jest „dzieckiem” pana Ryszarda, zarówno projekt jak i realizacja.
– Ale w zasadzie większość rzeczy, które robi się w nauce, to efekt pracy jednej osoby. Wiadomo, że potrzebny jest zespół, potrzebne są pieniądze, jakieś środowisko, ale generalnie jest jedna osoba, która podejmuje temat, która kieruje zespołem. To czego nam szkoda to, że wiele spośród osób, które kiedyś tu pracowały i robiły unikalne rzeczy w skali światowej, pracuje teraz w zupełnie innych dziedzinach – dodaje Jerzy Wyzgał. – Mamy nadzieję, że omawiany tutaj projekt uda nam się sprzedać. Mamy jeszcze kilka tematów, które podejmujemy i którymi się zajmujemy, m.in. fotografia, zdjęcia oddziaływania impulsów laserowych z materią. Ale to temat na zupełnie inną rozmowę.
– Mając gotowy system, pukaliśmy do paru firm, głównie z branży zbrojeniowej, proponując współpracę nad samolotem bezzałogowym. Jak na razie nikt nie wykazał specjalnego zainteresowania tym tematem.
Chcąc nie chcąc spróbujemy skonstruować ten samolot sami. I prawdę mówiąc – już to robimy. Z pewnością łatwiej będzie wówczas zainteresować potencjalnych odbiorców gotowym samolotem, niż samym autopilotem, którego użycie wymaga odpowiedniej wiedzy i własnego wkładu pracy. Oferując gotowy produkt, czyli samolot bezzałogowy, można liczyć na większy krąg odbiorców – użytkowników docelowych zainteresowanych wykorzystaniem takich samolotów do swoich celów. A możliwości zastosowań są wielorakie. Począwszy od zastosowań wojskowych (rozpoznanie, przekazywanie współrzędnych celów dla artylerii, obserwacja ponad wzniesieniami, obserwacja terenów baz wojskowych), do cywilnych (inspekcja linii przesyłowych, rurociągów, terenów leśnych, przygranicznych, objętych klęską żywiołową, filmowanie i wykonywanie zdjęć z powietrza np. terenów upraw i posiadłości, zbieranie próbek powietrza ze stref skażeń etc.).
Autopilot FCS-1
System automatycznej kontroli lotu FCS- 1, nazywany dalej autopilotem, umożliwia automatyczną nawigację i stabilizację lotu modeli i mini-samolotów bezpilotowych wzdłuż zdefiniowanej przed lotem trasy. Zastosowanie najnowszych technologicznie elementów i podzespołów umożliwiło uzyskanie niewielkich rozmiarów i wagi autopilota. Pozwala to na zastosowanie systemu już w bardzo małych i lekkich płatowcach o wadze ok. 2 kg. Autopilot FCS-1 posiada 8 kanałów umożliwiających sterowanie taką samą ilością serwomechanizmów. 4 lub 5 z nich jest wykorzystywanych przez procedury kontroli lotu płatowca. Pozostałe kanały są do dyspozycji użytkownika i mogą być wykorzystane do wykonywania czynności dodatkowych (np. pozycjonowanie kamery TV lub aparatu fotograficznego, otwieranie spadochronu itp.). Stabilność lotu zapewnia 3-osiowy układ czujników żyroskopowych oraz dwa czujniki ciśnienia służące do pomiaru wysokości oraz prędkości względem powietrza. Funkcje nawigacyjne są realizowane z wykorzystaniem danych z odbiornika GPS połączonego z autopilotem poprzez port szeregowy. Drugi port szeregowy przeznaczony jest do komunikacji autopilota ze stacją naziemną, którą może stanowić laptop lub komputer PC. Połączenie może być realizowane drogą kablową lub przez łącze radiomodemowe.
Autopilot FCS-1 współpracuje z aparaturą RC do sterowania ręcznego, która pozwala na przejęcie ręcznej kontroli nad płatowcem używanej w fazie startu i lądowania. Opcjonalnie lądowanie może odbywać się automatycznie przy użyciu spadochronu. Bardzo przydatną dla użytkownika funkcją jest permanentne monitorowanie przez autopilota sygnałów sterujących serwomechanizmami włączonymi w system kontroli lotu w czasie lotu kontrolowanego ręcznie. Po starannym wytrymowaniu płatowca i zwolnieniu drążków nadajnika użytkownik przełącza system w tryb automatyczny (np. wyłączając nadajnik). W tym momencie autopilot zapamiętuje monitorowane sygnały jako pozycje neutralne. Oprogramowanie systemu zawiera także pewne funkcje awaryjne. Przykładowo spadek prędkości płatowca poniżej prędkości minimalnej (zdefiniowanej przez użytkownika) powoduje przejście systemu w tryb lotu ślizgowego oraz skierowanie samolotu do punktu startu. Jeśli samolot posiada spadochron to może on zostać otwarty po obniżeniu lotu do wysokości zdefiniowanej przez użytkownika (np. 50 m). W tym samym momencie zostanie takżewyłączony silnik samolotu. Autopilot FCS-1 wymaga zasilania z dwóch oddzielnych akumulatorów. Jeden z nich, o zakresie napięć 5,2–8 V, zasila układ autopilota drugi natomiast (5V) zasila odbiornik GPS, odbiornik RC oraz serwomechanizmy. Takie rozwiązanie zabezpiecza układ mikroprocesorowy przed zresetowaniem w wyniku chwilowego spadku napięcia wywołanego ruchem serwomechanizmów. Dodatkowo oba akumulatory są od siebie galwanicznie rozdzielone (przez zastosowanie optoizolatorów) co minimalizuje wpływ potencjalnego zakłócania odbiornika RC oraz odbiornika GPS przez moduł mikroprocesora. Mogłoby się to objawiać znaczącym zmniejszeniem zasięgu sterowania ręcznego.
Programowanie trasy i współpraca z GPS
– Jak system reaguje na sytuację zaniku ważnych danych z odbiornika GPS?
– System cyklicznie sprawdza ważność danych przychodzących z odbiornika GPS. Jeśli dane nie są ważne, program wylicza położenie i kurs samolotu na podstawie parametrów z poprzedniego cyklu oraz bieżących wskazań czujników żyroskopowych. Jeśli zanik ważnych danych trwa dłużej niż kilka sekund (podczas testów systemu w locie zdarzały się maksymalnie 2-sekundowe zaniki), uruchamiana jest procedura skierowująca płatowiec do punktu startu. Procedura ta wykorzystuje elementy nawigacji bezwładnościowej stosowanej w dużym lotnictwie. Ten sposób nawigacji nie gwarantuje takiej dokładności jak GPS i samolot może ominąć punkt docelowy (tutaj: startu) w znacznej odległości (szczególnie jeśli wracał z daleka). Odległość ta powinna jednak zapewnić kontakt wzrokowy i umożliwić przełączenie systemu na kontrolę ręczną.
– Jaka jest prędkość przelotowa samolotu?
– Około 60–70 km/h...
– Czyli w przypadku przerwy w sygnale samolot nie pokonuje zbyt dużej odległości lecąc „na ślepo”...
– Jeżeli w kolejnym cyklu dane z GPS są nie ważne, to bieżąca pozycja i kurs są obliczane na podstawie danych z poprzedniego cyklu oraz wskazań odpowiednich czujników żyroskopowych i ciśnieniowego wskaźnika prędkości. Procedura ta może działać przez kilka sekund zanim podjęta zostanie decyzja o „powrocie do domu” (przy dalszym braku ważnych danych z GPS).
– Co się stanie jeśli w czasie lotu „do domu” odbiornik GPS przywróci ważne dane ?
– System cały czas sprawdza ważność danych i jeżeli są one ważne, przechodzi na kurs do punktu, do którego miał lecieć.
– Czy za algorytm programu też był pan odpowiedzialny?
– Tak, jestem autorem całego oprogramowania systemu. Pisanie oprogramowania to był proces trwający cały czas pracy nad systemem. Permanentnie było ono doskonalone i wzbogacane o nowe procedury. Szczególnie dużo uwagi poświęciłem procedurom kontroli kierunku i wysokości lotu. Końcowa postać tych algorytmów osiągnięta została po wielu lotach testowych i analizie danych z każdego z nich.
Trzecia wersja…
Jak to zwykle bywa wszystkie pomysły weryfikuje życie. Pewne rozwiązania układowe sprawdziły się, inne nie. Testy w locie wykazały potrzebę wzbogacenia systemu o nowe funkcje ułatwiające obsługę autopilota. Przykładem może być tu funkcja automatycznego trymowania, którą posiada dopiero obecna – ostatnia wersja systemu. Aby mogła być ona zastosowana, należało przeprojektować układ elektroniczny, a ściślej – dodać podukład umożliwiający zapamiętywanie sygnałów sterujących poszczególnymi sterami samolotu. Przy poprzednich wersjach, aby wyznaczyć pozycje neutralne wszystkich sterów samolotu, należało wykonać lot na sterowaniu ręcznym, dokładnie wytrymować samolot i po wylądowaniu dobierać pewne parametry programujące autopilota, aby pozycje neutralne sterów w obu trybach sterowania (ręcznego i automatycznego) były jednakowe. Było to czasochłonne, komplikowało obsługę systemu, wymagało dodatkowego lotu i nie dawało gwarancji dokładności. Potrzeba usprawnienia tego procesu narzucała się sama. Obecnie uwaga użytkownika systemu związana z trymowaniem w trybie automatycznym ogranicza się do ustawienia samolotu do lotu poziomego i prostoliniowego ( przy sterowaniu ręcznym), zwolnienia drążków sterujących w nadajniku i po upływie sekundy – wyłączeniu go. System przełącza się wówczas na tryb automatyczny, a pozycje neutralne sterów będą takie same, jak dla trybu ręcznego. Zastosowanie funkcji automatycznego trymowania wymagało także rozbudowy układu analizującego sygnał z nadajnika i informującego mikroprocesor, czy system ma być sterowany ręcznie, czy automatycznie. Przed rozbudową tego układu zdarzało się, że w wyniku braku sygnału z nadajnika uczulony przez układ ARW odbiornik sterowania ręcznego odbierał zakłócenia powodujące chwilowe pojawianie się na cyfrowym wyjściu powyższego układu stanu wysokiego, właściwego dla trybu ręcznego sterowania. Jeśli moment ze stanem wysokim na tym wyjściu zbiegł się z momentem próbkowania go przez mikroprocesor, system uznawał, że nadajnik jest włączony i autopilot realizował procedury właściwe dla trybu ręcznego sterowania.
Jedną z takich procedur jest algorytm zapamiętywania wspomnianych wyżej sygnałów sterujących serwomechanizmami. Oczywiście, przy wyłączonym nadajniku sygnały te będą niewłaściwe i takie też będą nowo przyjęte pozycje neutralne sterów po powrocie autopilota do trybu automatycznego. Taki rozwój wypadków byłby równoważny katastrofie, o ile operator nie włączyłby nadajnika.
Oprócz usprawnienia wspomnianego wyżej układu rozpoznania trybu sterowania, rozbudowana została również procedura testująca wyjście tego układu.
– Pozwolę sobie zauważyć, iż przy tej okazji mógłby powstać system automatycznego trymowania w ogóle bez ingerencji człowieka.
– Oczywiście, można wprowadzić pewne funkcje samouczenia się autopilota, ale kiedyś trzeba powiedzieć : „dość”. Chodzi m.in. o koszty związane z projektem. Rozwiązanie jest dobre i sprawdzone, a dokładanie obecnie nowych funkcji i możliwości wymagałoby kolejnych nakładów finansowych. Co innego w momencie wdrożenia produkcji i znalezienia nabywców. Wtedy znajdą się też finanse na prowadzenie badań i dalszy rozwój systemu – dodaje Ryszard Arendzikowski.
Inne możliwości
System umożliwia łączność radiomodemową w czasie lotu . Za jej pomocą operator ma na ekranie obraz pokonywanej przez samolot trasy oraz porównania jej z przebiegiem trasy zaplanowanej. Cały czas operator ma dane o kursie, położeniu, wysokości ,prędkości oraz innych parametrach. Ponieważ łączność jest dwukierunkowa operator może wysyłać różne komendy do autopilota np. modyfikować trasę lub wysokość lotu.
System FCS-1 przewiduje także użycie spadochronu. Wyzwolenie spadochronu może nastąpić po osiągnięciu przez płatowiec minimalnej wysokości (zaprogramowanej przed lotem). Może ono nastąpić również po przekroczeniu zaprogramowanej prędkości opadania, lub spełnieniu obu warunków jednocześnie.
Wtedy – nawet jeżeli zdarzy się jakaś awaria, istnieje możliwość odzyskania nieuszkodzonego sprzętu. Procedur bezpieczeństwa przewidziano zresztą kilka. W przypadku wykrycia przez system zaniku pracy silnika, samolot przełączany jest na odpowiedni tryb pracy i lotem ślizgowym zmierza w kierunku punktu startu. Bez tego trybu autopilot starając się podtrzymać wytracaną wysokość doprowadziłby do przeciągnięcia i rozbicia samolotu.
Układ płatowca
– To będzie górnopłat. Projektowany samolocik będzie miał rozpiętość ok. 2 m, ciężar ok. 3 kg i będzie wyposażony w kamerę TV ze zdalną regulacją kierunku widzenia. Obraz z kamery będzie przesyłany drogą radiową do naziemnego stanowiska kontroli lotu. Chcielibyśmy uzyskać czas lotu wynoszący min. jedną godzinę, a zasięg działania min. 10 km. Samolot będzie napędzany silnikiem elektrycznym. Technologia wykonania płatowca to kompozyt węglowy.
Perspektywy
Firma ACS największe nadzieje na sprzedaż projektowanego obecnie płatowca – wraz z systemem FCS-1 – wiąże z krajami bogatszymi od Polski, gdzie na tego typu małe samoloty bezpilotowe rynek już powstaje. Na zapotrzebowanie na tego typu sprzęt w Polsce trzeba chyba jeszcze trochę poczekać. Czy to będzie 5 lat czy 10 – trudno powiedzieć. Będzie to zależało od szybkości bogacenia się kraju i firm. Będziemy próbować zainteresować naszymi pracami wojsko. Liczymy na to, że uda nam się pozyskać do współpracy firmę większą od naszej. Firmę, która chciałaby zainwestować w ten temat. Na świecie jest kilku producentów sprzedających podobne systemy, a właściwie – kompletne rozwiązania. Przy porównywalnym poziomie technologii chcemy z nimi konkurować ceną. Dlatego nie zniechęca nas to, że trochę tych urządzeń już się pojawiło, bo to są ciągle rzeczy drogie – dodaje dyrektor Wyzgał.
Jak FCS-1 wygląda w praktyce?
Uruchamiamy aplikację Base, która jest programem dla komputera współpracującego z autopilotem FCS-1. Może to być komputer klasy PC lub laptop. Przeznaczona jest do pracy w systemach WINDOWS. Aplikacja umożliwia programowanie autopilota przed lotem, wysyłanie poleceń i odbiór danych w czasie lotu (o ile system wyposażony jest w radiomodem), odbiór danych z autopilota po zakończeniu lotu oraz graficzną i tekstową prezentację tych danych.
W okienkach informacyjnych aplikacji Base możemy obserwować wszystkie ważne parametry lotu: wysokość zadaną i bieżącą mierzoną przez barometryczny czujnik ciśnienia. Mamy także informacje podawane przez system GPS – kurs, prędkość, położenie, ilość odbieranych satelitów oraz informacje o napięciach zasilających w systemie, obrotach silnika etc.
Okno aplikacji posiada 3 pola graficzne służące do prezentacji trasy lotu oraz wysokości. W największe z nich można wczytać cyfrową mapę.
Po włączeniu zasilania autopilot rozpoczyna dialog ze stacją bazową. Otwiera się pierwszy panel z okienkami edycyjnymi – do edytowania różnych parametrów charakterystycznych dla danego samolotu (na którym zainstalowano FCS-1), w tym m.in.: wychylenie sterów, wzmocnienie układów żyroskopowych, nominalne prędkości wznoszenia, opadania (w tym dla lotu szybowego) etc. Po wpisaniu wszystkich parametrów wysyłamy je do autopilota. Teraz otwiera się panel programowania misji. Można w nim zaprogramować pozycje serwomechanizmów w kanałach dostępnych dla użytkownika, dla każdego z planowanych punktów trasy. Przykładowo, w wybranym punkcie trasy może być zmieniona pozycja kamery lub wykonane zdjęcie. Na tym panelu możemy również zaprogramować wysokość oraz prędkość opadania, przy których zostanie otwarty spadochron (o ile samolot został w niego wyposażony).
Wysłanie danych do autopilota otwiera 3 – ostatni panel służący do definiowania punktów trasy lotu (maksymalnie 99). Trasę możemy zdefiniować także metodą graficzną, najeżdżając kursorem na wybrany punkt mapy i klikając myszką. Dane definiowane we wszystkich panelach możemy zapisywać na dysk i wczytać je ponownie do aplikacji, o ile zajdzie taka potrzeba. Po wysłaniu do autopilota danych o trasie, samolot jest gotowy do lotu. Po osiągnięciu ostatniego punktu trasy autopilot obiera kurs na punkt startu, gdzie powinien zostać przejęty przez operatora w celu wylądowania. W innym wypadku samolot ponawia lot po zaprogramowanej trasie. Alternatywą dla lądowania ręcznego może być lądowanie automatyczne – z wykorzystaniem spadochronu.
System FCS-1 zapewnia nadrzędność sterowania ręcznego nad automatycznym. Oznacza to, że sterowanie ręczne może być włączone w każdej chwili, o ile samolot jest w zasięgu nadajnika i w polu widzenia operatora.
Co będzie dalej?
– Na razie pracujemy nad płatowcem i jego wyposażeniem (kamera, system transmisji obrazu, układ wyzwalania spadochronu, system napędowy etc.). Nadal aktualna jest sprawa współpracy z firmami lub instytucjami chcącymi partycypować w przedsięwzięciu. Mamy również pomysł na tani bezpilotowy cel powietrzny na potrzeby ćwiczeń artylerii lufowej i rakietowej, oraz testów broni rakietowej. Jednakże w tym projekcie – konieczny byłby udział wojska – podsumowuje inżynier Ryszard Arendzikowski.
DANE TECHNICZNE FCS-1
*wymiary: 124x52x23 mm
*masa: 120 g
*zasilanie: 5,2-8V/240 mA (autopilot) 5V (odbiornik GPS, odbiornik RC i serwomechnizmy).
*3-osiowy układ czujników żyroskopowych
*2 czujniki ciśnienia (pom. wysokości i prędkości)
*ilość kanałów: 8 (w tym max. 4 dostępne dla użytkownika)
*1 wejście cyfrowe do pomiaru obrotów silnika
*2 porty szeregowe (dla łączności z odb. GPS i komputerem) pamieć danych: 1,6
*częstotliwość próbkowania czujników zyroskopowych: 50 Hz
*częstotliwość odświeżania sygnałów dla serwomechanizmów: 50 Hz
*układy płatowców obsługiwane przez system: normalny, delta, V-tail
*ilość definiowanych punktów trasy: 99
*standard wtyków serwomechanizmów - JR, Futaba lub podobne
*dopuszczalne systemy operacyjne dla stacji bazowej - Win 98, ME, XP, Win2000
*rodzaj modulacji dla odbiornika RC - PPM (na wyposażeniu autopilota)
*maksymalna wysokość lotu: 1000 m
*odbiornik GPS – zewnętrzny (na wyposażeniu autopilota)
*zakres czujnika prędkości: 0–260 km/h
