19 апреля 2020г.
Аннотация.
В статье рассматриваются информационно-измерительные и управляющие системы квадрокоптеров, способных мониторить дорожную ситуацию, лесные массивы, труднодоступные места с целью их охраны и контроля. Сформулированы основные задачи, которые необходимо решать при проектировании информационно-измерительных и управляющих систем таких квадрокоптеров.
В настоящее время широкое распространение получили квадрокоптеры (КК) - летательные аппараты с четырьмя несущими винтами, у которого два противоположных винта вращаются в одном направлении, и два других - в обратном, при этом все маневры осуществляются путем изменения скорости вращения винтов [1].
Область применения квадрокоптеров гражданского назначение очень широка. Сферы их применения могут варьироваться от сельского хозяйства до сектора безопасности.
Квадрокоптеры обладают малой массой при большой полезной нагрузке, компактностью и маневренностью. Особенно эффективным, является применение квадрокоптеров в режимах автономного полета. Исследованиям управляемого движения КК посвящены работы многих исследователей, в том числе и отечественных: С.А.Белоконь, Ю.Н.,Золотухина, A.C. Мальцева, A.A. Нестерова, М.Н. Филиппова П. А. Гриценко, А.Б.Бушуева, Ю.В.Литвинова, Г.М.Шмигальского, A.C. Панова, С.П. Чашникова, G. Bastin, G. Campion, С. Canudas de Wit, W. Dixon, Y.H. Fung, A., Isidori Hoffmann, N.Goddemeier, T.Bertram, Tommaso Bresciani и др.
В то же время следует отметить, что большинство исследований касаются отдельных задач создания КК (в основном разработки алгоритмов управления) и редко практически реализуемы из за отсутствия системного подхода к проектированию КК [2].
Практически не анализируются проблемы обеспечения и реализации выбранных алгоритмов управления составными элементами КК, задачи синтеза регуляторов управления с учетом специфики работы вентильных электродвигателей, усилителей мощности и датчиков параметров.
При этом основные технические характеристики КК очень сильно зависят как от выбранных алгоритмов управления, так и от технических характеристик элементов КК.
Одной из важнейших проблем при проектировании КК является разработка информационно- измерительной и управляющей системы квадрокоптера (ИИУС КК), являющейся совокупностью технических средств и программного обеспечения, осуществляющей сбор и обработку измерительной информации об объекте и выработку необходимых управляющих воздействий на объект. Рассмотрим особенности решения этой проблемы.
В настоящее время делаются попытки использовать различные современные подходы для разработки высокоэффективных ИИУС КК [3 - 5] – с использованием нейронных сетей, кватернионов и т.д., однако наблюдается отсутствие взаимосвязи в разработках алгоритмов управления, исполнительных систем и датчиков параметров. Для понимания возникающих проблем при проектировании ИИУС КК необходимо разработать на основе дифференциальных уравнений движения квадрокоптера его обобщенную функциональную схему.
Эти линеаризованные уравнения имеют следующий вид [6]:
Приняты следующие обозначения:
x, y, z – координаты центра масс; p, r, i – соответственно углы крена, тангажа и рыскания; к1 - к9 – коэффициенты, характеризующие конструктивные параметры КК и аэродинамические коэффициенты.
Предположим, что КК завис в воздухе, тогда u1=u2=u3=u4=u0. Чтобы изменить лишь высоту z необходимо изменить все сигналы на 𝑢𝑑𝑧 . Если надо изменить угол крена 𝑝, то достаточно изменить u4 и u2
на 𝑢𝑑𝑝 с разным знаком. Если надо изменить угол тангажа r, то достаточно изменить u3 и u1 на 𝑢𝑑𝑟 с разным знаком. Если надо изменить угол рыскания i, то достаточно изменить все сигналы на 𝒖𝒅𝒊 с разным знаком, т.е.:
Тогда:
На основе этих уравнений (7) – (16) можно разработать следующую функциональную схему ИИУС КК, которая представлена на рис.1.
Приняты следующие обозначения: СУ - система управления; БПК - блок преобразования координат; РЭП1, РЭП2, РЭП3, РЭП4 - регулируемые по скорости электроприводы; ИБ - блок датчиков; ИМ – исполнительный механизм; Uзх, Uзy, Uзz, Uзp, Uзr, Uзi - сигналы задания положения квадрокоптера; Uдx, Uдy, Uдz, Uдp, Uдr, Uдi - сигналы обратной связи
по
положению; Uзv1, Uзv2, Uзv3, Uзv4 - сигналы задания скоростей исполнительных двигателей регулируемых электроприводов; v1, v2, v3, v4 - скорости исполнительных двигателей; РПх, РПy, РПz, РПp, РПr, РПi - регуляторы положения по координатам положения центра масс квадрокоптера (x, y, z) и его ориентации (p, r, i).
Эта схема показывает взаимосвязь элементов ИИУС КК и позволяет проводить анализ и синтез контуров управления с использованием их декомпозиции. Особенностью схемы является следующая организация контуров:
-
два независимых контура (по координатам Z и I), содержащие соответствующие регуляторы координат РПz, РПi, регулируемые электроприводы РЭП1, РЭП4 и датчики координат Z.I.;
-
два встроенных друг в друга контура (по координатам X.P и Y,R), содержащие подчиненные друг другу регуляторы координат РПх, РПр и РПy, РПr, регулируемые электроприводы РЭП2, РЭП3 и датчики координат X,Y,P,R.
Анализ технических показателей современных квадрокоптеров позволил определить некоторые их недостатки с точки зрения управления:
- большая статическая ошибка при позиционном управлении может достигать 0,1 м;
-
большая динамическая ошибка
при контурном управлении (при движении по окружности радиуса 1 м со скоростью до 3 м/с может достигать 0,3 м);
- низкая частота пропускания механической части КК (0,5 – 2 Гц);
- большое время задержки в передаче информации о координатах (до 0,03 с);
- сильное влияние ветровой нагрузки на движение КК (их работа ограничена скоростью ветра до 12 м/с);
-
низкая частота пропускания применяемых РЭП (менее 20 Гц).
Уменьшение влияния
этих недостатков
на технические показатели КК
требует решения
следующих основных задач:
-
совершенствования методов управления квадрокоптером (за счет разработки и применения нейросетевых, нечетких, адаптивных алгоритмов), особенно на уровне планирования траекторий перемещений;
-
совершенствования методов проектирования регуляторов параметров, исходя из оптимизации контуров управления координатами по выбранным критериям качества;
-
совершенствования датчиков координат (за счет применения новых быстродействующих датчиков совместно с фильтрами Калмана и (или) идентификаторов состояния);
-
совершенствование механической части КК (за счет применения несущих винтов с изменяемой конфигурацией);
-
совершенствование РЭП (повышение их частоты пропускания до 50 Гц, диапазона регулирования скорости до 1000 за счет применения векторного управления вентильными электродвигателями, достижение одинаковости технических характеристик).
Каждая из этих задач является достаточно сложной с научной и инженерной точки зрения, требующей проведения сложных научных и инженерно-конструкторских расчетов
как отдельных блоков, так и всей ИИУС КК.
Список литературы
1.
А.В. Савицкий, В.Е. Павловский. Модель КК и нейронный алгоритм управления. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша №17, 2017 г., 20 с.
2.
Дахар Сайфеддин. Мехатронная
система управления полетом квадрокоптера и планирование траектории
движения методами
оптической одометрии.
Диссертация
по специальности 05.02.05 «Роботы, мехатроника и робототехнические системы», 2014 г., -186 с.
3.
Колотов М.Е., Смирнова Т.А. Декомпозиция линейной модели квадрокоптера. // Молодой ученый.- №13(117), 2016 г.
4.
Логачев В.Г., Минин И.В. Метод стабилизации
положения и управления КК в пространстве с использованием данных инерциальных и визуальных сенсоров// Фундаментальные исследования.-2015, №11-1, с.85-91.
5.
Ющенко А.С., Лебедев К.Р., Забихафар С.Х. Система управления КК на основе адаптивной нейронной сети. Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана, №7, 2017 г., с.262-267.
6.
Michael D. S. Simulation and control of a quadrotor unmanned aerial vehicle. URL: uknowledge.uky.edu/gradschool_theses/93 (handling date 12.01.2015).
