2.0. Методика имитации отказов в ArduPilot SITL: параметры, карточка сценария, критерии #

• Наименование сценария и ссылка на статью упражнения.
• Фаза полёта и высота ввода: висение на 30 м, полёт по схеме на 50 м, заход на посадку.
• Параметры ввода: точные имена и значения (например, SIM_RC_FAIL = 1).
• Ожидаемое поведение автоматики: режим, манёвр, время реакции (заполняет пилот до полёта, инструктор проверяет).
• Действия пилота: контроль, вмешательство, переключение режимов, посадка.
• Критерии оценки: время обнаружения, отклонения, остаток энергии, качество посадки.
• Порядок отмены: параметр, возвращающий модель в исправное состояние (например, SIM_RC_FAIL = 0), и действия после восстановления (статья 1.1.07: приоритет пилота возвращается явным переключением режима).

• Запустить модель: sim_vehicle.py -v ArduCopter (мультиротор) или sim_vehicle.py -v ArduPlane (самолёт); для сценариев живучести — рама гексакоптера: sim_vehicle.py -v ArduCopter -f hexa.
• Проверить наличие параметров группы SIM_ в своей версии: в MAVProxy выполнить param show SIM_*; имена с индексами экземпляров (SIM_GPS1_*, SIM_MAG1_*) сверить с таблицей раздела 3.1.
• Настроить отказную логику по карточке занятия: FS_THR_ENABLE = 1, FS_THR_VALUE = 975, FS_GCS_ENABLE = 1, FS_EKF_ACTION = 1, FS_BATT_ENABLE = 1, FS_BATT_MAH = 500.
• Параметры вводятся командой MAVProxy param set ИМЯ ЗНАЧЕНИЕ или через Mission Planner (вкладка CONFIG, раздел Parameters); отмена сценария — обратным значением из карточки.
• Перед первым сценарием сохранить исходный набор параметров: param save ./kurs-params.parm — восстановление настройки командой param load ./kurs-params.parm.

• Liftoff и Uncrashed не имитируют отказы датчиков и двигателей: в них нет полётного контроллера ArduPilot и его отказной логики. Сценарии отказов выполняются в SITL.
• FPV-тренажёры применяются в Задаче 2 для двух целей: отработка моторики в усложнённых условиях (ветер, турбулентность на картах) и сценарии дезориентации (статья 2.7) — полёт без линии горизонта в кадре, при ограниченной видимости.
• Модель повреждений в FPV-тренажёрах (падения, столкновения) используется для демонстрации цены ошибки, но не заменяет расчётное парирование отказов.

• Включить отображение сообщений MAVLink (вкладка FLIGHT DATA, панель Messages): при отказах появляются предупреждения EKF, PreArm, Battery, RC Failsafe, GPS Glitch — пилот учится читать их вслух (цепочка контроля статьи 1.1.06).
• Настроить речевые сообщения на ключевые события: Failsafe, EKF variance, Low Battery.
• После каждого сценария выгружать журнал (вкладка DATA, раздел Log Files) и разбирать: время появления предупреждения, реакцию автоматики, действия пилота по каналам управления.
• Журналы сохраняются по именам сценариев — они входят в отчёт по упражнению (статья 0.6).

• Запустить SITL, подключить Mission Planner, проверить доступность параметров SIM_* командой param show SIM_*.
• Настроить отказную логику по разделу 5.1; назвать вслух действие каждого настроенного порога.
• Сохранить исходный набор параметров в файл; проверить восстановление командой загрузки.
• Выполнить контрольный полёт без отказов: висение на 30 м, схема, посадка — убедиться, что модель исправна и настроена.
• Заполнить карточку первого сценария (потеря радиоканала, статья 2.2) и предъявить инструктору.

Критерий: параметры найдены и сохранены; действия отказной логики названы верно для каждого порога; контрольный полёт выполнен без замечаний; карточка сценария заполнена.

• Выполнить взлёт и висение на 30 м; доложить «готов».
• Инструктор вводит отказ радиоканала (SIM_RC_FAIL = 1): пилот наблюдает срабатывание отказной логики и ведёт контроль вслух: режим, манёвр, высота, время.
• После 20–30 секунд полёта в отказном режиме инструктор восстанавливает связь (SIM_RC_FAIL = 0); пилот возвращает приоритет явным переключением режима (статья 1.1.07) и выполняет посадку.
• Повторить демонстрацию с отказом спутниковой навигации (SIM_GPS1_ENABLE = 0): наблюдать переход в режим удержания высоты без позиции и дрейф (задача 3).
• Разобрать обе демонстрации по журналу: время реакции автоматики, траектория, сообщения MAVLink.

Критерий: ожидаемое поведение автоматики названо пилотом до ввода и совпало с фактическим; контроль вслух непрерывен; разбор по журналу выполнен без напоминаний.

• На высоте 50 м ввести дрейф барометра (SIM_BARO_DRIFT = 0,5): пилот обнаруживает расхождение высоты по сообщениям и показаниям, оценивает достоверность источников и выполняет посадку.
• Ввести помеху компаса (SIM_MAG_MOT): наблюдать расхождение курса и круговое расхождение позиции в режиме удержания; пилот переходит в режим без автоматического удержания курса и садится.
• Ввести отказ спутниковой навигации на удалении 100 м от точки взлёта: пилот удерживает позицию вручную (по ветру и изображению карты) и возвращается на точку по компасу и оценке расстояния.
• Каждый сценарий выполнить три раза подряд с временем обнаружения не более 5 с.
• Разобрать попытки: что являлось признаком отказа, какие источники информации использовались.

Критерий: отказ обнаруживается не более чем за 5 с; решение объявляется вслух не более чем через 3 с после обнаружения; аппарат не выходит за границы зоны 150 м (статья 1.1.09); посадка — в пределах допусков статьи 1.1.04.

• Пилот выбирает класс отказа из библиотеки раздела 3.1, ещё не выполнявшийся в группе.
• Составляет карточку сценария по форме раздела 3.3: параметры ввода, ожидаемое поведение, действия, критерии, порядок отмены.
• Защищает карточку перед инструктором: отвечает на вопросы «что сделает автоматика», «каков запас по высоте», «чем отменяется».
• Выполняет сценарий в роли пилота; второй курсант группы выполняет роль инструктора (ввод и оценка) — затем меняются.
• Разбор: соответствие фактического поведения ожидаемому; ошибки карточки исправляются и заносятся в библиотеку группы.

Критерий: карточка принята инструктором с первого предъявления или исправлена по замечаниям; сценарий выполнен в пределах собственных критериев; библиотека группы пополнена сценарием с верными именами параметров.

Задача. После ввода отказа аппарат начинает снижаться с вертикальной скоростью 3 м/с (наихудший учебный случай — отказ с неотреагировавшей автоматикой). Время обнаружения пилотом — 2 с, время оценки и решения — 3 с, время выхода на набор высоты — 2 с. Запас после парирования принимается 5 м. Требуется определить потерю высоты до начала парирования и минимальную высоту ввода.

Заданные параметры:

Искомые параметры: суммарное время до парирования (с); потеря высоты (м); минимальная высота ввода (м); принимаемое учебное значение.

Решение.

1. Суммарное время: \( 2 + 3 + 2 = 7\ \text{с} \).
2. Потеря высоты: \( 3 \cdot 7 = 21\ \text{м} \).
3. Минимальная высота ввода: \( 21 + 5 = 26\ \text{м} \).
4. Округление в большую сторону с учётом неточности выдерживания: принимается 30 м; для сценариев без отказной логики (парирование дольше на 3–5 с) — 50 м.

Ответ: потеря высоты до парирования 21 м; минимальная высота ввода 26 м; учебные значения — 30 м (с отказной логикой) и 50 м (без неё).

Вывод. Высота ввода отказа — расчётная величина из времени реакции пилота, а не произвольное значение. Те же 7 секунд работают и в реальном полёте: отсюда требование выполнять полёты вблизи препятствий и людей на высоте, оставляющей время на обнаружение, решение и парирование.

Задача. Учебный мультиротор имеет тяговооруженность T/W = 1,8 (тяга всех двигателей на полном газу в 1,8 раза больше веса). Требуется определить остаточную тяговооруженность при отказе одного двигателя для квадрота (4 двигателя), гексакоптера (6) и октокоптера (8) и оценить живучесть каждой схемы с учётом баланса моментов рыскания.

Заданные параметры:

Искомые параметры: остаточная тяговооруженность для каждой схемы; достаточность тяги для висения; состояние баланса моментов; вывод о живучести.

Решение.

1. Потребная тяговооруженность для висения — 1,0; располагаемая после отказа: квадрот \( 1{,}8 \cdot 3/4 = 1{,}35 \); гексакоптер \( 1{,}8 \cdot 5/6 = 1{,}5 \); октокоптер \( 1{,}8 \cdot 7/8 = 1{,}575 \).
2. По тяге все три схемы сохраняют висение; запас набора высоты: избыток 0,35; 0,5 и 0,575 массы соответственно.
3. Баланс моментов рыскания: у квадрота двигатели образуют две пары противоположного вращения; отказ одного разрушает пару — некомпенсированный момент вызывает вращение, парировать которое оставшимися тремя двигателями нечем.
4. У гексакоптера и октокоптера отказ одного двигателя компенсируется перераспределением тяги остальных: баланс моментов сохраняется, управление полным — возможна контролируемая посадка.

Ответ: остаточная тяговооруженность — 1,35 (квадрот), 1,5 (гексакоптер), 1,575 (октокоптер); по тяге живучи все схемы, по управлению рысканием квадрот при отказе одного двигателя неуправляем; гексакоптер и октокоптер сохраняют управляемость и выполняют контролируемую посадку.

Вывод. Живучесть определяется не запасом тяги, а сохранением баланса моментов. Отсюда два практических следствия: для ответственных полётов над людьми и имуществом выбираются схемы с шестью и более двигателями либо средства спасения (парашют), а отказ двигателя квадрота отрабатывается в тренажёре как сценарий оценки и немедленного снижения, а не парирования (статья 2.4).

Задача. В полёте на высоте 30 м отказывает спутниковая навигация; аппарат переходит в режим удержания высоты без удержания позиции. Ветер 5 м/с. Время срабатывания отказной логики и обнаружения пилотом — 10 с, время перехода к ручному удержанию — 3 с. Граница зоны — 60 м от точки отказа. Требуется определить снос до начала парирования и успевает ли пилот до границы зоны.

Заданные параметры:

Искомые параметры: снос до начала парирования (м); время достижения границы при отсутствии действий (с); требуемое время вмешательства; запас.

Решение.

1. Снос до начала парирования: \( 5 \cdot 13 = 65\ \text{м} \) — граница зоны пройдена до начала ручного удержания.
2. Время достижения границы без действий: \( 60 / 5 = 12\ \text{с} \).
3. Требуемое время вмешательства: менее 12 с; фактическое время реакции пилота 13 с — не укладывается.
4. Меры: начало парирования по первому признаку (сообщение EKF, дрейф позиции на карте) сокращает время обнаружения до 2–3 с: суммарно 5–6 с, снос 25–30 м — граница не достигается; второй вариант — полёт вдали от границы зоны при риске отказа навигации.

Ответ: снос за 13 секунд составляет 65 м — больше расстояния до границы; при вмешательстве по первому признаку (5–6 секунд) снос сокращается до 25–30 м и запас обеспечивается.

Вывод. При отказе позиционирования счёт идёт на секунды, а скорость сноса равна скорости ветра. Отсюда правила: признаки отказа изучаются заранее (сообщения MAVLink, поведение аппарата), полёты вблизи границ зоны выполняются с учётом возможного сноса, а режим удержания позиции не считается гарантией — он целиком зависит от исправности навигации (статьи 2.3, 1.1.06).