Система управления воздушными движением на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Косачева К.К. 1Катаева Е.П. 1Кудрявцев С.С. 1Евдокимов М.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

3.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Наша команда часто принимает участие в соревнованиях, проходящих в других городах. Машины, поезда, самолеты – являются неотъемлемой частью наших путешествий. Нам стало известно, что самолёты, как и наземный транспорт, передвигаются не хаотично, а по строго определённым трассам. Эти «воздушные дороги» призваны упорядочить движение в небе и обеспечить его безопасность, по ним прокладывают маршруты для каждого отдельного рейса. Нам стало интересно как это происходит и что учитывают при формировании схемы полёта.

Цель: создание проекта, для демонстрации системы управления воздушными движением

Задачи:

-Изучить правила полетов летчиков по приборам

-Изучить принцип работы диспетчеров

-Изучить как формируется маршрут

-Найти пример формирования маршрута и исследовать его

-Выбрать и отследить три рейса Тюмень-Сочи

-Сформировать маршрут: рассчитать время и поворот на маршрутных точках

-Преобразовать сложившийся маршрут в маршрут для Lego-самолета, с помощью математических расчетов

-Создать программу самолета для каждого маршрута

-Создать программу для диспетчера

-Демонстрация проекта, сравнение воздушных линий

При написании работы мы пользовались сайтом по организации воздушного движения в Российской Федерации [4], для отслеживания маршрутов мы использовали сайт https://ru.flightaware.com/[9]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [1]

Глава 1. Ортодромия или почему самолеты не летают кратчайшим путем

В полете самолет выполняет не один десяток поворотов, причем зачастую в разные стороны. При полете вне района аэродрома в абсолютном большинстве случаев данная задача выполняется путем задания различных высот и скоростей для того или иного рейса. В небе, как и на земле есть дороги – воздушные трассы, главная задача которых упорядочить потоки самолетов и добиться максимально эффективного использования воздушного пространства

Очевидно, что самым выгодным маршрутом является так называемая ортодромия — кратчайшее расстояние между двумя точками на земной поверхности. На карте ортодромия выглядит как дугообразная линия, что связано с тем, что карта представляет собой проекцию сферической земли на плоскость. (Рисунок 1.1, Приложения) [5]

Конечно, выполнять полет по прямой линии из точки А в точку Б быстрее и экономичнее, нежели чем по «ломанной» воздушной трассе. Однако, до недавнего времени полет по такой траектории было практически невозможно выполнить, что было связано с возможностями навигационного оборудования. Кроме того, если бы все воздушные суда выполняли полет по беспорядочным траекториям, на сегодняшнем этапе развития систем управления воздушным движением это привело бы к невозможности «развести» в воздухе все эти самолеты. Также существует множество разнообразных запретных зон и зон ограничения полетов, полеты через которые выполнять нельзя.

Глава 2. Классы воздушного пространства

В ноябре 2010 года в России произошло событие, которое в корне поменяло организацию полетов, особенно для авиации общего назначения – были введены стандартные классы воздушного пространства.

Хотя классификация воздушного пространства по ICAO (международная организация, координирующая выработку стандартов в области гражданской авиации) предусматривает довольно большое количество классов ВП, в России были введены три класса – A, C и G, плюс также неклассифицированные зоны ВП. (Рисунок 2.1, Приложения)

Каждый класс ВП устанавливает определенные требования как к оборудованию воздушных суден, так и к порядку полетов. При этом общая тенденция такова: ВП класса A выдвигает самые строгие требования, ВП класса G – самые минимальные. [6]

класс A - разрешаются полеты, выполняемые только по ППП -правилам полетов по приборам. Все воздушные суда обеспечиваются диспетчерским обслуживанием и эшелонируются. Ограничения по скорости не применяются. Наличие постоянной двухсторонней радиосвязи с органом обслуживания воздушного движения (управления полетами обязательно).

Класс С -начинается прямо от земли. Над аэропортами он вырастает «стаканом». Здесь тоже летают по приборам, но уже можно и по правилам визуальных полётов. Иначе говоря, того, что пилот видит перед собой, вполне хватает. ППП, ПВП — правила визуальных полётов. В пространстве С есть ограничение по скорости полёта, но не для тех, кто летает по приборам. При высоте меньше 3050 метров скорость должна быть не больше 450 км/ч. Обязательна радиосвязь, разрешение тоже нужно.

Класс G — это то, что не попало ни в класс А, ни в класс С. Внизу схемы —воздушное пространство, где летают кукурузники, вся лёгкая авиация и парапланеристы с парашютистами. И дроны. Можно летать по приборам, можно и визуально. Диспетчерского обслуживания нет, зато есть информация по запросу. То есть с диспетчером можно связаться и что-нибудь у него спросить. Ограничение скорости действует для всех. Обязательная радиосвязь нужна только тем, кто летает по приборам. Разрешение на полёт получать не надо, на подлёте к зоне действия какого-то диспетчера ты с ним связываешься и говоришь: «Привет, я лечу», потом — «Привет, я тут». И он на месте решает, что делать. [6]

Глава 3. Система управления воздушным движением

Радионавигация

Точность навигационной информации, поступающей пилотам, жизненно важна для обеспечения безопасности полетов. Система навигации обеспечивает возможность точного, надежного и непрерывного определения местоположения воздушного судна в любой точке приземного воздушного пространства с использованием спутниковых систем радионавигации, базирующейся на применении спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. Успешное использование спутниковых систем радионавигации предполагает применение единой геофизической системы координат. (Рисунок 3.1.1, Приложения)

Система организации воздушного движения

Самолет управляется в соответствии с правилами визуального полета или правилами полетов по приборам. Согласно правилам визуального полета, летчики, выполняя полет, обязаны следить за другими самолетами, не допуская столкновений, и не должны входить в зоны с низкой облачностью и плохой видимостью. [8] Правила полетов по приборам применяются летчиками, управляющими самолетом по приборам в соответствии с указаниями авиадиспетчера. Летчик может руководствоваться теми или иными правилами полета в зависимости от погодных условий, но при любых обстоятельствах он должен следить за показаниями приборов и выполнять государственные и международные авиационные правила. В целях безопасности гражданские воздушные лайнеры обычно используют правила полетов по приборам. [6]

Воздушные трассы

Воздушная трасса представляет собой коридор, границы которого отстоят на 6,5 км от осевой линии. Внутри этого коридора гарантируется безопасность полета самолета по приборам.

Диспетчерские зоны аэропортов

Диспетчерская зона – это воздушное пространство около аэропорта, ограниченное полусферой радиусом 8 км. В диспетчерских зонах крупных аэропортов обеспечивается безопасность полета самолетов в условиях плохой видимости. (Рисунок 3.1.2, прилложения)

Диспетчерские районы

Под диспетчерским районом аэропорта понимается обслуживаемая диспетчерской службой часть воздушного пространства, выходящая за пределы воздушных трасс и диспетчерских зон. Диспетчерский район позволяет отделить летчиков, работающих по правилам визуального полета, от летчиков, использующих правила полета по приборам.[7]

Средства управления воздушным движением

Средства управления воздушным движением делятся на три категории: центры управления воздушным движением на воздушных трассах, аэропортовые КДП и центры авиадиспетчерской службы.

Центр управления воздушным движением на воздушных трассах

Центр управления воздушным движением на воздушных трассах управляет полетом самолета от аэропорта отправления до аэропорта назначения. Такой центр осуществляет контроль воздушного движения над территорией, площадь которой может составлять 260 тыс. кв. км и более. Типичный центр управления воздушным движением на воздушных трассах использует до семи радиолокационных систем дальнего действия и включает от 10 до 20 пунктов связи воздушного судна с наземными станциями. Радиус действия радиолокационных систем составляет 320 км. В часы пик в таком центре управления воздушным движением может быть занято до 150 авиадиспетчеров.

Центры авиадиспетчерской службы

Эти центры ведут свое происхождение от станций связи, которые предоставляли сведения о погоде летчикам почтовых авиалиний в 1920-х годах. В настоящее время эти центры обслуживают как гражданские, так и военные воздушные суда. Некоторые центры информируют летчиков о погодных условиях на воздушных трассах и в аэропортах, силе и направлении ветра и сообщают другие полезные сведения, позволяющие скорректировать план полета. Они могут предоставить навигационную помощь летчикам, потерявшим связь с землей. [6]

Формирование маршрута

При формировании маршрута учитывают:

направление и скорость ветра;

температуру воздуха по участкам пути;

запас топлива на борту и необходимость дозаправок;

рельеф местности, безопасную высоту полёта;

наличие запретных зон по пути следования;

участки пересечения воздушных трасс и др. факторы.

Маршрут складывается из ломаных линий с промежуточными поворотными пунктами. Самолёт летит от одной контрольной точки до другой по конкретному воздушному коридору, что исключает столкновение с другими лайнерами. На навигационных картах эти точки обозначены пятибуквенным сочетанием гласных и согласных латинского алфавита. [8]

Для каждого рейса существуют не менее пяти вариантов маршрутов, иногда и больше. В день вылета полётный диспетчер выбирает оптимальный вариант исходя из погодных условий и других значимых факторов. Нередко наиболее длинный маршрут оказывается экономически выгоднее короткого, например, за счёт направления и скорости ветра на отдельных участках пути. В ходе полёта маршрут может незначительно меняться, например, если диспетчер разрешил «спрямить» траекторию, так как погодные условия поменялись. Командир судна может отклониться от схемы, чтобы обойти грозу, и т.д.

После набора высоты самолёт летит строго по маршруту. Маршрут полёта выглядит примерно так:
UUWW UM4D UM DCT AR DCT OBELU B239 AJ R369 DB B964 LUKIR LUKI1A ULLI (Рисунок 3.2.1, Приложения)
За кодами скрывается следующая информация:
UUWW — международный код аэропорта Внуково;
UM4D — обозначение маршрута вылета (SID);
UM — приводная радиостанция «Ивановское»;
DCT — «прямо на»;
AR — приводная радиостанция «Бужарово»;
DCT — «прямо на»;
OBELU — обозначение точки;
B239 — обозначение трассы;
AJ — приводная радиостанция «Старица»;
R369 — обозначение трассы;
DB — приводная радиостанция «Починок»;
LUKIR — обозначение точки;
LUKI1A — обозначение маршрута прибытия;
ULLI — международный аэропорт Пулково.

Для одного и того же рейса (то есть из точки А в точку Б) маршрут может быть разным. Перед полётом пилот или другой специально обученный человек смотрит на направление ветра, погодные условия и закрытые зоны и выбирает, с какими поворотными пунктами полетит самолёт. Вся последовательность пунктов кодируется в строку. Приходя на каждый поворотный пункт, пилот докладывает соответствующему диспетчеру, куда он летит дальше. И так, короткими перебежками от одной точки к другой, самолёт приходит на целевой аэродром. Иногда диспетчеры имеют на руках больше информации, чем пилот, и меняют маршрут. Например, если аэропорт временно перестал принимать самолёты на посадку.

Глава 4. Практическая часть

4.1. Отслеживание рейсов Тюмень – Сочи. Определение маршрутных точек. Расчет курса.

Для отслеживания маршрутов мы использовали сайт FlightAware - самая большая в мире компания, позволяющая следить за полетами во всех сегментах авиации практически в любой части земного шара. [8]

FlightAware получает данные через системы управления полетами, которые находятся в более чем 45 государствах, через собственную сеть наземных станций, через спутниковую сеть ADS-B Aireon, а также использует глобальные каналы передачи данных (спутник/VHF) таких провайдеров, как ARINC, SITA, Satcom Direct, Garmin и Honeywell GoDirect.

Наша команда не первый год участвует в конкурсе «Старт в науке» и нам безумно нравится путешествовать, особенно в Сочи. Поэтому, при выборе маршрута мы единогласно приняли решение рассмотреть рейсы Тюмень – Сочи.

Мы выбрали авиакомпании Aeroflot, Utair и SmartAvia.

Проанализировав журнал отслеживания рейсов, мы выделили для себя маршрутные точки, где менялся угол курса более чем на 10 градусов.

Далее каждый заполнил таблицу, состоящую из следующих столбцов.

Столбец «Время» - точное время, где изменился курс маршрутной точки.

Столбец «Временной интервал» - рассчитанное время от последнего изменения курса, округлить.

Столбец «Курс» - направление в градусах

Столбец «Разница» - количество градусов, на которое развернулся самолет. Где положительное значение – вправо, отрицательное –влево

Столбец «Источник» - диспетчерские районы, радиовышки

Пример таблицы с расчётами временного интервала и поворота

Авиакомпания SmartAvia 7/06/2022 Вт 03:23:37 Тюмень -Сочи (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Авиакомпания Utair Вт 7/06/2022 16:23:41 Тюмень-Сочи (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Авиакомпания Aeroflot Пн 8/06/2022 Ср 6:38:41 Тюмень-Сочи (Рисунок 4.1.3, Приложения)

4.2. Модель самолета на базе конструктора Lego Mindstorms

Для реализации проекта мы использовали набор Lego Mindstorms.

Создание модели самолета мы начали с основы. Мы установили большие моторы под программным блоком EV3, параллельно ему. Перед нами стояла задача – сделать самолет компактным, для очных поворотов, но при этом реалистичным. На каждый мотор с обеих сторон крепятся небольшие колеса – таким образом самолет перемещается. На задней части блока установлен шарнир, он служит опорным колесом. (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Далее мы преступили к созданию кабины. Для создания изгибов мы использовали угловые блоки №5 на и №4. К ним мы закрепили пластины. (Рисунок 4.2.2, Приложения)

Хвостовая часть состоит из основы - скреплённые рамы и наружной части, стоящей из крыльев. Стабилизатор сделан из угловых блоков и осей разных размеров. (Рисунок 4.2.3, Приложения)

После мы преступили к корпусу. С помощью рамок, балок и пластин мы создали форму самолета. Так же корпус скрепляет переднюю и заднюю части. И делает его визуально ниже, тем самым скрывая моторы и колеса, при движении создается ощущение что самолет парит.

К верхней части корпуса крепятся крылья самолета. Они сделаны с помощью угловых и прямых балок. (Рисунок 4.2.4, Приложения)

В самолете установлен гироскопический датчик, для измерения угла поворота. (Рисунок 4.2.5, Приложения)

Так же в нашем проекте есть диспетчерский пуль, его роль играет второй блок EV3. (Рисунок 4.2.6, Приложения)

4.3. Демонстрация проекта

Проект управляется с помощью программного обеспечения Lego Mindstorms.

Внутри проекта разработано четыре программы. Три программы для перемещения самолета по рейсу Тюмень-Сочи авиакомпаний Aeroflot, Utair и SmartAvia, и одна программа для диспетчерского пульта.

Рассмотрим программу для диспетчерского пульта. (Рисунок 4.3.1, Приложения) Пульт и самолет связаны по беспроводной связи “Bluetooth», передача сигнала происходит с помощью программного блока «обмен сообщениями». Диспетчер является отправителем, работает следующим образом:

Диспетчер выбирает маршрут в соответствии с авиакомпанией, для этого необходимо нажать одну из кнопок на блоке, где «1» - SmartAvia, «2» - Utair, «3» - Aeroflot. С помощью блока «переключатель», записывается значение в переменную «Napravlenie». Далее переменная считывается и отправляется сообщением на EV3 самолета. Через 5 секунд отправляется сообщение с значение «0», для того чтобы действие по завершению маршрута обнулилось.

Программа самолета получает числовое значение и с помощью блока «переключатель» воспроизводит одну из программ. Программная последовательность каждого маршрута сделана в отдельный программный блок. Так же на экране блока самолета выводится текст с названием авиакомпании. (Рисунок 4.3.2, Приложения)

Программы для рейсов мы создавали на основе сформированных маршрутов (см. глава 4.1). Чтобы преобразовать сложившийся маршрут в маршрут для Lego-самолета, нам необходимо было прямой путь уменьшить в 10 раз.

Рассмотрим для примера движение до первых двух поворотных точек рейса Тюмень-Сочи авиакомпании Utair. (Рисунок 4.3.1, Приложения)В таблице мы видим, что движение до первой радиовышки составляет приблизительно 7 секунд, следовательно,

7/10 =0,7 секунды

То есть прототип самолета движется вперед на протяжении 0,7 секунды. Далее самолет поворачивает налево, до тех пор, пока гироскопический датчик не даст сигнал о том, что угол поворота равен или меньше -20 градусов. Что так же соответствует значению в таблице (колонка «разница»). Следует отметить, что при повороте влево градусы пишутся с отрицательным значением, вправо с положительным.

Каждая новая строчка в программе - это движение вперед плюс поворот по курсу.

Далее мы видим в программе движение на 1,3 секунды. Временной интервал в таблице записан «13 секунд», значение больше в 10 раз - все верно. Далее поворот влево пока не будет меньше или равно -5 градусов. Параметры в программе соответствуют значениям в таблице.

При изучении темы, мы узнали, что у самолета есть «фары». При повороте в одном из направлений загорается красный или зеленой свет. Мы запрограммировали индикатор состояния модуля на эти два сигнала. Кнопки блока подсвечивается необходимым светом, как только самолет поворачивает.

Программы для перемещения самолета авиакомпаний Aeroflot (Рисунок 4.3.4, Приложения) и SmartAvia (Рисунок 4.3.5, Приложения) сделаны по такому же принципу.

Заключение

Обсуждая очередную поездку на соревнования, наша команда задалась вопросом: «Почему самолеты не летают по кратчайшим путям, почему линия ломаная, а не дугообразная?». В поисках ответа нам стало известно, что такое ортодромия, а также что у воздушного пространства бывают классы, где самолеты летают не только по правилам визуальных полётов, но и приборам.

В ходе исследования, нам пришла идея – создать проект демонстрирующий систему организации воздушного движения по ППП.

Изучив радионавигацию и принцип формирования маршрута, мы преступили к практической части. Мы выбрали наиболее интересный для нас рейс Тюмень – Сочи. В ходе изучения мы узнали, что существуют не менее пяти вариантов маршрутов по одному рейсу, поэтому мы выбрали три авиакомпании и отследили их маршрут в разное время. Определили основные маршрутных точки и рассчитали курс, все данные занесли в таблицы.

Создав модель самолета, мы запрограммировали ее на точное выполнение заданного маршрута по сигналу диспетчера.

В рамках создания проекта мы не только узнали, как работает система управления воздушным движением, но и научились самостоятельно отслеживать маршруты, а также высчитывать временные интервалы, работать с отрицательными числами и с остатком от деления. Мы закрепили знания по робототехнике и программированию.

Список литературы

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://www.krugosvet.ru/

http://lib.tssonline.ru/

https://gkovd.ru/

https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/111100

https://habr.com/ru/company/tuturu/blog/411935/

http://lib.tssonline.ru/

https://www.krugosvet.ru/

https://ru.flightaware.com/live/findflight?origin=USTR&destination=URSS

Приложения