Введение 4
Постановка задачи 5
Обзор литературы 6
Глава 1. Моделирование квадрокоптера как динамического объекта 8
1.1 Математическая модель 8
1.2 Выбор параметров системы на основе реальной
конфигурации устройства 12
Глава 2. Возможные управления квадрокоптером в аварийных ситуациях 14
2.1 Определение аварийной ситуации. Спасательный алгоритм . . 14
2.2 Определение возможных управлений квадрокоптером 15
2.3 Алгоритм воздействия ПИД-контроллера на квадрокоптер . . 16
2.4 Метод оценки расстояния посадки квадрокоптера 18
Глава 3. Численные эксперименты 20
3.1 Моделирование аварийных ситуаций 21
3.1.1 Авария при горизонтальном движении 21
3.1.2 Авария при вертикальном перемещении 23
3.2 Моделирование аварийных ситуаций с использованием
спасательного алгоритма 26
3.2.1 Моделирование аварийных движений квадрокоптера
с алгоритмом «ручной» посадки 26
3.2.2 Моделирование аварийных движений квадрокоптера
с использованием ПИД контроллера 29
3.3 Эксперименты по оценке расстояния приземления БПЛА в
аварийной ситуации 32
3.4 Выводы из результатов моделирования 37
Выводы 38
Заключение 39
Список литературы 40
Приложение А. Структура математической модели в Simulink (MATLAB) 44
А.1 Структура блока Angle Velocities 44
А.2 Структура блока Model 48
Приложение Б. Моделирование аварийных ситуаций и случаев с внедрением методологии безопасной посадки ... 53
Б.1 Скрипт запуска симуляции с последующим построением графиков аварии 53
Б.2 Скрипт запуска симуляции аварии с ручной посадкой с последующим построением графиков 54
Б.3 Скрипт запуска симуляции с отказоустойчивым алгоритмом с внедрением ПИД регуляторов и построения графиков .... 55
Б.4 Вспомогательная функция вывода графиков print_Figmod ... 56
Б.5 Скрипт для построения множества траекторий перемещения аппарата при разных Q|m 61
Б.6 Скрипт для по строения множества траекторий перемещения аппарата при разных Q|m, treacuon 65
Прогресс не стоит на месте. На протяжении десятилетий задача управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) становится более актуальной. С помощью дронов вертолетного типа люди решают множество задач в различных сферах деятельности. С годами список возможных применений увеличивается. Высокие полетные характеристики при относительно малой сложности изготовления и зачастую невысокой стоимости лишь усилили популярность БПЛА. В этой связи последние 10 лет данные устройства стали широко использоваться как в промышленных целях, так и простыми обывателями.
Однако конструкция БПЛА, основывающаяся на нескольких тяговых двигателях, предполагает ряд значительных требований к осуществлению работы системы управления в рамках удовлетворения необходимости постоянной стабилизации аппарата в пространстве. В связи с этим ведется разработка как методов общего назначения (перемещения БПЛА в пространстве), так и вспомогательных алгоритмов (стабилизация, управление в аварийных ситуациях).
В настоящей работе рассматривается вопрос моделирования перемещений квадрокоптера для последующего построения такой системы управления, которая позволяла бы минимизировать вероятность негативных исходов в случае серьезных неисправностей. Естественно полагать, что такая (отказоустойчивая) система управления может работать только на аппаратах конструктивно допускающих работу в определённом (аварийном) режиме, при котором нарушена штатная работа некоторых подсистем аппарата.
Основные результаты докладывались и обсуждались на конференциях «Процессы управления и устойчивость» (2019 и 2021 гг.) [1], «13 th International Symposium on Intelligent Distributed Computing (IDC)» (2019 год) [2]; опубликованы в журнале «Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications (JoWUA)» (Том 11, №2) [3].
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Описана математическая модель квадрокоптера и определены параметры, соответствующие реальной конфигурации аппарата (п. 1.1 и 1.2);
2. С точки зрения математической модели определены аварийная ситуация, спасательная методология и метод оценки ожидаемой области падения (приземления) квадрокоптера с учётом определения возможных перемещений аппарата (п. 2.1 — 2.4);
3. Проведено численное моделирования различных аварийных ситуаций (п. 3.1);
4. Осуществлено внедрение методологии спасательного приземления в математическую модель квадрокоптера (п. 3.2);
5. Поставлены эксперименты, демонстрирующие возможности подхода к оценке ожидаемой области падения (п. 3.3);
6. Осуществлён анализ полученных результатов (п. 3.4);
7. Для реализации поставленных целей и задач было разработано ПО на основе программного пакета MATLAB R2019b с дополнением Simulink v.10.0 (см. приложения А и Б).
Основные результаты докладывались и обсуждались на конференциях «Процессы управления и устойчивость» (2019 и 2021 гг.) [1], «13 th International Symposium on Intelligent Distributed Computing (IDC)» (2019 год) [2]; опубликованы в журнале «Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications (JoWUA)» (Том 11, №2) [3].
