LiTH Modellering av helikopterdynamik Kravspecifikation. David Johansson Version 1.1

Transkript

1 Modellering av helikopterdynamik Kravspecifikation David Johansson Version. Status Granskad Godkänd TSRT7, Reglerteknisk projektkurs: Modellering av helikopterdynamik David Johansson kravspec- LIPs

2 Modellering av helikopterdynamik PROJEKTIDENTITET Grupp Modellering av helikopterdynamik, 2008/VT Linköpings tekniska högskola, ISY Namn Ansvar Telefon E-post Johannes Bergkvist Testansvarig(TEST) Berenike Hanson Informationsansvarig (INFO) David Johansson Helena Johansson Peter Jägerback Designansvarig (DES) Gustaf Norman Projektledare (PL) Johanna Rost Dokumentansvarig(DOK) Kund: Ola Härkegård tel , Kontaktperson hos kund: Ola Härkegård tel , Beställare: Christian Lundqvist tel , Kursansvarig: Daniel Axehill Handledare: Ola Härkegård tel , David Törnqvist tel , TSRT7, Reglerteknisk projektkurs: Modellering av helikopterdynamik David Johansson kravspec- 2 LIPs

3 Modellering av helikopterdynamik Innehåll DOKUMENTHISTORIK... 4 INLEDNING PARTER SYFTE OCH MÅL ANVÄNDNING BAKGRUNDSINFORMATION DEFINITIONER ÖVERSIKT AV SYSTEMET ÖVERSIKTLIG BESKRIVNING AV PRODUKTEN PRODUKTKOMPONENTER BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM INGÅENDE DELSYSTEM AVGRÄNSNINGAR GENERELLA KRAV PÅ HELA SYSTEMET KOMMUNIKATIONSENHET BEHANDLINGSENHET... 5 MODELL... 6 EKONOMI LEVERANSKRAV OCH DELLEVERANSER DOKUMENTATION UTBILDNING... 3 REFERENSER... 3 TSRT7, Reglerteknisk projektkurs: Modellering av helikopterdynamik David Johansson davjo239@student.liu.se kravspec- 3 LIPs

4 Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av Granskad Första utkastet BH,PJ,DJ CL,DT Andra utkastet DJ,PJ,BH CL,DT,OH Färdig version DJ,PJ Reviderat krav, 3, 30, 3, 32 och 33 JB

5 Modellering av helikopterdynamik Inledning I dagens samhälle har intresset för autonoma farkoster växt. Speciellt har marknaden för autonoma helikoptrar ökat och det finns idag flera olika tillämpningsområden både civilt och militärt. Saab Aerosystems har påbörjat utvecklingen av Skeldar V-50 som är tänkt att användas för bland annat spanings- och räddningsuppdrag. Eftersom Saab vill reglera helikoptern så att den kan flyga helt autonomt är det av stort intresse att veta hur den uppför sig när olika insignaler appliceras. Av denna anledning vill Saab ta fram en modell av helikoptern T-REX 600N PRO. Denna helikopter används i stället för Skeldar då det är lättare att få flygtillstånd för den. Mätdata tas fram genom att skicka olika insignaler till helikoptern och samtidigt avläsa utsignalerna. Med dessa data kan man sedan skatta en modell av helikoptern. I detta specifika fall utgörs insignalerna av pilotens kommandon och utsignalen av helikopterns rörelse. Figur. Den helikopter som används i projektet, T-REX 600N PRO I detta dokument sammanställs de krav som ställs på slutprodukten och arbetet för att ta fram denna. Krav beskrivs på tabellform enligt nedan. Första kolumnen numrerar kraven medan den andra kolumnen beskriver om kravet är ett originalkrav, om det är reviderat eller senare tillagt. Tredje kolumnen ger en kort beskrivning av kravet och den sista anger kravets prioritet. Där prioritet betyder att kravet måste genomföras på avsatt tid och prioritet 2 genomförs i mån av tid. Original Kravtext för kravet Prioritet

6 Modellering av helikopterdynamik Parter Beställare är Christian Lundquist på Institutionen för Systemteknik vid LiTH. Kunden är Saab AB vars kontaktperson är Ola Härkegård. Utförare är projektgruppen. Projektgruppen har även tillgång till handledare och diverse olika teknikexperter..2 Syfte och Mål På Saab Aerosystems pågår just nu utvecklingen av Skeldar V-50, en obemannad helikopter avsedd för militär spaning. Då helikoptrar är ett nytt teknikområde för Saab syftar detta projekt till att ge ökad kunskap och förståelse för en helikopter ur ett reglertekniskt perspektiv. I projektet skall helikopterdynamiken modelleras för att i senare projekt kunna användas i arbetet att ta fram regulatorer. En stor del av projektet kommer att ägnas åt att ta fram lämpliga mätningar och flygmanövrar för att skatta helikopterns dynamik, s.k. experimentdesign. Projektets mål är att leverera en mätplattform samt en modell av en helikopters förfarande. Dessa ska uppfylla kraven i denna kravspecifikation..3 Användning Modellen ska användas av Saab AB för att kunna ta fram regulatorer för en autonom helikopter..4 Bakgrundsinformation Den största delen av information kan hämtas från kurshemsidan samt från tillhandahållna manualer och kurslitteratur..5 Definitioner Nedan följer förklaringar av begrepp som används i kravspecifikationen. Black-box-identifiering En metod som tar fram sambandet mellan in- och utsignal utan att ta hänsyn till fysikaliska relationer. Data Ett samlingsnamn på all informationen som datorn får in. Dator En bärbar PC som är stationerad på marken med syftet att lagra och behandla mätdata. Fjärrkontroll En handkontroll som piloten använder för att styra helikoptern. Fjärrmottagare En apparat som tar emot signalerna från en fjärrkontroll. Mti-G Ett mätinstrument som känner av sin egen position, hastighet och rörelse i tre dimensioner. Modell En matematisk beskrivning av kopplingen mellan insignaler och utsignaler. Modem De apparater som överför information mellan helikopter och mark.

7 Modellering av helikopterdynamik Mätdata Den information som erhålls från Mti-G:n. Mätplattform Ett samlingsnamn på den utrustning som krävs för att samla in det data som behövs för att ta fram en modell av systemet. Pilot Den person som med fjärrkontroll styr helikoptern. Servokort Ett kort som omtolkar signalerna från en fjärrkontroll till servopositioner. Styrplan En plan över styrkommandon som piloten ska följa vid flygning. Styrsekvens En följd av styrkommandon. Styrsignal Swash-plattans vinklar i tipp- och rolled samt dess höjd. Swash-platta Den platta som huvudrotorn sitter på och vars läge och lutning bestämmer helikopterns färdriktning. 2 Översikt av systemet Mätdata som behövs för att göra en modell av helikopterdynamiken samlas in med ett system som består av två delar, en kommunikationsenhet och en behandlingsenhet. Kommunikationsenheten sköter överföringen av mätdata från:n på helikoptern via modem till datorn som finns på marken. Dessa mätdata består av vinkelhastigheter i tipp-, roll- samt girled och hastigheter i höjdled, sidled och framåt. Behandlingsenheten tar emot styrsignaler från fjärrkontroll och omtolkar dessa via servokortet till servolägen. Dessa servolägen omvandlas till tipp- och rollvinklar samt höjd på swashplattan. Dessa data lagras i datorn och används tillsammans med data från kommunikationsenheten i framtagningen av modellen. Dataöverföringen mellan de båda modemen i kommunikationsenheten och mellan fjärrkontroll och fjärrmottagare i behandlingsenheten är trådlös.

8 Modellering av helikopterdynamik Dynamisk helikoptermodell Figur 2. Översikt av systemet

9 Modellering av helikopterdynamik Översiktlig beskrivning av produkten Produkten består av en mätplattform samt en modell av helikopterns dynamik. Den medföljande mätplattformen ingår i produkten så att kunden kan samla in mätdata från egna flygtester vid behov. De mätdata som samlats in under flygtesterna lagras på en cd för framtida bruk. All data som används för modellskattningen tas fram med hjälp av mätplattformen. 2.2 Produktkomponenter Produkten ska bestå av komponenterna i nedanstående lista. Begreppen förklaras under rubrik.5 Definitioner. MTI-G Modem Servokort Fjärrmottagare Modell Data 2.3 Beroenden till andra system Mätplattformen är beroende av en fjärrkontroll och en dator. För att kunna ta fram en korrekt modell av helikoptern krävs en helikopter av önskad typ. 2.4 Ingående delsystem Produkten ska bestå av delsystemen i nedanstående lista. Kommunikationsenhet Kommunikationsenheten består av två modem och en Mti-G och har till uppgift att sköta kommunikationen mellan helikopter och mark. Behandlingsenhet Behandlingsenheten består av en fjärrmottagare, ett servokort och en algoritm som omvandlar servolägen till läget på swash-plattan. Modell Modellen är den matematiska beskrivningen av helikopterdynamiken. Den har sitt ursprung i insamlad mätdata och styrsignaler. 2.5 Avgränsningar Den modell som tas fram ska endast gälla för helikoptern T-REX 600N PRO. Modellen ska dessutom endast tas fram utifrån en hovrande utgångsposition och vara linjär. Gruppen ansvarar inte för underhåll av modellen efter att projektet har avslutats.

10 Modellering av helikopterdynamik Generella krav på hela systemet Gruppen ska till att börja med ta fram mätplattformen bestående av kommunikationsenhet och behandlingsenhet. När denna plattform är upprättad ska mätdata samlas in. Mätdata samlas in enligt bestämda styrsekvenser och ska sedan användas för att ta fram en modell av helikopterns dynamik. Dokumentation ska göras fortlöpande under arbetets gång och insamlad mätdata ska lagras för framtida bruk. Krav nr Original En mätplattform för kommunikation med helikoptern ska upprättas. Krav nr 2 Original En handbok för uppkoppling av mätplattformen ska skrivas. Krav nr 3 Original En styrplan för piloten ska tas fram och dokumenteras. Krav nr 4 Original Insamlad mätdata ska lagras för framtida bruk. Krav nr 5 Original En metod för modellering och identifiering ska tas fram. Krav nr 6 Original Modellen ska tas fram med black-box-identifiering. Krav nr 7 Original Validering av modellen ska göras både i frekvens- och tidsplanet. Krav nr 8 Original Ett simulatorprogram som kan simulera helikopterns rörelse i datormiljö ska tas fram. 2 3 Kommunikationsenhet Kommunikationsenhetens uppgift är att sköta all kommunikation mellan helikoptern och marken. Sensorvärden från Mti-G:n som sitter på helikoptern överförs trådlöst via modem till en dator på marken. Insamlad data lagras för att kunna användas vid framtagningen av modellen.

11 Modellering av helikopterdynamik Krav nr 9 Original Kommunikationsenheten ska kunna överföra data från Mti-G:n som sitter på helikoptern till en dator på marken. Krav nr 0 Original Kommunikationsenheten ska kunna avläsa Mti-G:ns sensordata. Krav nr Struket Mti-G ska samplas med 00 Hz. Reviderat Mti-G ska samplas med 50 HZ Krav nr 2 Orginal Dataöverföringen i kommunikationsenheten ska ske med en hastighet av minst 5 kb/s. Krav nr 3 Struket Datainsamling ska kunna ske trådlöst på ett avstånd av 00 meter. Reviderat Datainsamling ska kunna ske trådlöst på ett avstånd av 50 meter. 4 Behandlingsenhet Behandlingsenheten tar via fjärrmottagaren emot signaler från fjärrkontrollen och omtolkar dessa via servokortet till servolägen. Ett matematiskt samband räknar om servolägen till läget på swash-plattan. Läget beskrivs av tre variabler, vinkel i tipp- och rolled samt plattans position i höjdled. Dessa insignaler förs sedan över till en dator och används i skapandet av modellen.

12 Modellering av helikopterdynamik Krav nr 4 Original Krav nr 5 Original Krav nr 6 Original Krav nr 7 Original Krav nr 8 Original Behandlingsenheten ska kunna omvandla trådlösa signaler från fjärrkontrollen till servo-insignaler. Dataöverföring mellan fjärrkontroll och dator ska vara så pass bra att data kan användas för modellering. Behandlingsenheten ska kunna ta emot signaler från fjärrkontrollen. Det ska kunna göras utan problem med ett avstånd på 50 m mellan fjärrkontroll och fjärrmottagare. Mottagen data från fjärrkontrollen ska kunna överföras till dator via ett servokort. Ett matematiskt samband mellan servolägen och läget på swash-plattan ska tas fram. 5 Modell Helikopterns dynamik ska matematiskt beskrivas med en modell som tas fram med i första hand med black-box-identifiering som innebär att ett samband mellan in- och utsignal tas fram utan hänsyn till fysikaliska relationer. Modellens insignaler är swash-plattans läge i tipp-, roll- och höjdled. Utsignaler är helikopterns vinkelhastigheter i tipp- och rolled samt hastigheter i höjdled, sidled och framåt. Om tid finns ska även en fysikalisk modell tas fram. Krav nr Original Modellens insignaler är swash-plattans läge i tipp-, roll- och höjdled. Krav nr 2 Original Modellens utsignaler är helikopterns vinkelhastigheter i tippoch rolled samt hastigheter i höjdled, sidled och framåt. Krav nr 3 Original Modellens utsignaler är helikopterns vinkelhastigheter i tipp-, roll- och girled samt hastigheter i höjdled, sidled och framåt. Krav nr 4 Original Modellen ska utökas med girkommando som insignal och koppling mellan girkommando och girvinkelhastighet. 2 2 Krav nr 5 Original Modellen ska tas fram med black-box-indentifiering. Krav nr 6 Original En fysikalisk modell ska tas fram. 2 Krav nr 7 Original En modell över det dynamiska förhållandet mellan servokommando och servoläge ska tas fram. 2 6 Ekonomi

13 Modellering av helikopterdynamik Krav nr 9 Original Projektet skall begränsas till 400 timmar eller 200 timmar per projektdeltagare. Krav nr 20 Original Handledningstiden är begränsad till 5 timmar av ISY och 50 timmar av Saab. 7 Leveranskrav och delleveranser

14 Modellering av helikopterdynamik Krav nr 2 Original 3 feb: Slutgiltig version av kravspecifikation, projektplan, tidplan och systemskiss ska vara godkänd av beställaren. BP2 Krav nr 22 Original 29 feb: Designspecifikation och testplan ska vara genomgångna med handledaren. BP3 Krav nr 23 Struket 29 april: Testprotokoll, användarhandledning och all funktionalitet ska överlämnas till kunden. BP5 Reviderat 7 maj: Testprotokoll, användarhandledning och all funktionalitet ska överlämnas till kunden. BP5 Krav nr 24 Struket 5 maj: Redovisning och demonstration för kunden. Reviderat 9 maj: Redovisning och demonstration för kunden Krav nr 25 Struket 6 maj: Poster, demofilm och hemsida ska presenteras och teknisk dokumentation ska lämnas in. BP6

15 Modellering av helikopterdynamik Reviderat 6 maj: Poster, demofilm och hemsida ska presenteras och teknisk dokumentation ska vara godkänd. BP6 Krav nr 26 Struket 6 maj: Efterstudien ska vara inlämnad. Reviderat 2 maj: Efterstudien ska vara inlämnad Nedan följer en beskrivning av de dokument som ska tas fram samt vem som ansvarar för respektive dokument. Dokument Ansvarig/ godkänns av Syfte Distribueras till Färdigdatum Kravspecifikation DJ/CL Kravspecifikationen ska entydigt och exakt ställa mätbara krav på slutprodukten. Kravspecifikationen ligger som grund för BP6 och godkännande av projektet. Projektplan GN/CL Projektplanen beskriver hur projektet administrativt och planeringsmässigt ska utföras. Syftet med dokumentet är att hela projektgruppen ska ha en väldefinierad plan över hur projektet ska fortlöpa. Beställare/ Projektgrupp Beställare/ Projektgrupp

16 Modellering av helikopterdynamik Systemskiss PJ/CL Systemskissen beskriver grundläggande hur den tekniska lösningen ska se ut. Dokumentet ligger som grund till designspecifikationen. Beställare/ Projektgrupp Designspecifikation PJ/CL Designspecifikationen ska utförligt beskriva den tekniska implementeringen av produkten. Testplan JB/CL Testplanen beskriver hur systemet ska testas. I detta projekt innebär detta att dokumentera relevanta insignaler till systemet. Testprotokoll JB/CL Testprotokollet beskriver utförandet av testplanen och dess resultat. Teknisk rapport och användarhandledning PJ/CL Det slutgiltiga dokumentet av produkten som beskriver hela projektets fortlöpande inklusive all teknisk dokumentation. Hela projektets gång och resonemang ska kunna följas av utomstående person. Beställare/ Projektgrupp Beställare/ Projektgrupp Beställare/ Projektgrupp Efterstudie GN/CL Utvärdering av projektet Beställare/ Projektgrupp Alla Dokumentation Krav nr 27 Original Dokumenten ska följa LIPS-mallen och sparas som wordeller pdf-dokument. 9 Utbildning Utbildningen fås genom föreläsningar av handledare och kund samt egna studier. Referenser Svensson, Tomas & Krysander, Christian (2007), Projektmodellen LIPS, Version.3, Bokakedemin ISY LiTH. Hämtat från