ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВЫБОР
КОНФИГУРАЦИИ КВАДРОКОПТЕРА ДЛЯ РАБОТЫ В АВА-
РИЙНЫХ РЕЖИМАХ УПРАВЛЕНИЯ 9
§ 1. Постановка задачи управления квадрокоптером в аварийном
режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1. Общая постановка задачи. Типы аварийных ситуаций. . 9
1.2. Математическая модель. Задача управления . . . . . . . 13
1.3. Интеграция математической модели в отказоустойчивую
систему управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
§ 2. Классификация квадрокоптеров и подбор конфигурации . . . 17
2.1. Общий подход к классификации и подбору аппаратной
конфигурации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. Выбор винтов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3. Выбор электродвигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4. Выбор типа энергетической установки . . . . . . . . . . 29
§ 3. Описание экспериментальной базы исследования . . . . . . . 36
3.1. Квадрокоптеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2. Приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3. Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
§ 4. Расчет аппаратной конфигурации . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1. Целевые эксплуатационные характеристики отказо-
устойчивого аппарата . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2. Расчет аппарата с рамой 350 мм . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3. Расчет аппарата с рамой 750 мм . . . . . . . . . . . . . . 46
§ 5. Выводы по главе 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
ГЛАВА 2. НАСТРОЙКА ПИД-РЕГУЛЯТОРОВ КВАДРОКОПТЕРА 51
§ 6. Задача стабилизации квадрокоптера . . . . . . . . . . . . . . 51
6.1. Алгоритм выбора параметров ПИД-регулятора. Профи-
лизация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2. Специфика алгоритмов автоматической настройки . . . 55
6.3. Режим с перерегулированием . . . . . . . . . . . . . . . 56
§ 7. Выводы по главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОГО МЕТОДА ДЛЯ РЕШЕ-
НИЯ ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ КВАДРОКОПТЕРОМ 60
§ 8. Адаптивный метод (метод Габбасова) . . . . . . . . . . . . . . 60
8.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.2. Общий алгоритм метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8.3. Ключевые особенности метода . . . . . . . . . . . . . . . 63
§ 9. Управление электродвигателями . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
§ 10.Управление квадрокоптером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
10.1. Подмена внешнего навигационного сигнала данными
инерциальной навигации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
§ 11.Выводы по главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Заключение 76
ПРИЛОЖЕНИЕ отсутствует
ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Купить

За прошедшие 15 лет, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) вер-
толетного типа с четным количеством роторов # квадро- гекса- и окто-
коптеры получили широкое распространенное в различных сферах деятельности.
Простота изготовления, а так же относительно невысокая стоимость
производства базовой несущей платформы при наличии высоких полетных
характеристик стали ключевыми факторами роста производства подобных
БПЛА. Особенности компоновки аппаратов, а именно # наличие несколь-
ких тяговых двигателей и необходимость постоянной стабилизации аппа-
рата в пространстве # предъявляют существенные требования к работе
системы управления.
Вопросы построения системы управления квадрокоптером наиболее
полно представлены в работах [1, 9, 30]. Классический подход к постро-
ению системы управления, основанный на обработке сигналов, поступаю-
щих от различных бортовых датчиков впервые был успешно реализован
исследователями в работах [9, 30] и непрерывно совершенствуется.
Особый интерес для исследования представляет автономный режим
управления БПЛА # режим, при котором участие человека в управле-
нии сведено к минимуму или исключено полностью. В таком режиме резко
возрастает важность получения показаний всех установленных на аппарате
датчиков, а так же точность получаемых величин.
По данным [5] аварии беспилотных аппаратов случаются в 100 раз ча-
ще, чем аварии пилотируемых. Основная причина отказов # сбои в работе
внутренних систем.
Особенно актуальной является проблема работы БПЛА в условиях
неблагоприятной внешней среды, а так же вопросы управления аппаратом
при выполнении сложных летных заданий. Эти вопросы прямо связаны с
вопросом надежности работы бортовых систем и рассматриваются в рабо-
тах [28, 5]. Авторами предлагаются ряд способов повышения надежности
систем управления и улучшения показателей летной живучести аппара-
тов: резервирование систем, использование оптического канала для полу-
чения навигационной информации, внедрение систем инерциальной нави-
гации (ИНС) в виде готовых блоков.
Особый практический интерес представляет опыт исследователей, на-
копленный в результате конструирования и практических испытаний ап-
паратов различных конфигураций. Опыт применения отдельных типов и
моделей компонентов, обобщен в главе 1.
В настоящей работе рассматривается вопрос построения такой систе-
мы управления квадрокоптером, которая позволяла бы минимизировать
негативные последствия от ряда нештатных ситуаций. Методом системно-
го анализа проводится исследование причин появления отдельных нештат-
ных ситуаций и приводятся рекомендации по их устранению. Такую систе-
му управления будем называть отказоустойчивой. Очевидно, что такая
система управления может работать только на аппаратах конструктивно
допускающих работу в определенном (нештатном) режиме, при котором
нарушена работа некоторых подсистем аппарата. Такой режим работы да-
лее будем называть аварийным.
Научная новизна работы заключается в разработке и получении:
1. Подхода к проектированию аппаратов, конструктивно допускающих
работу в режимах, предполагающих отклонения от режима штатного
функционирования как отдельных компонентов аппарата, так и их комбинаций;
2. Результатов расчета летно-технических характеристик аппаратов,
допускающих работу в аварийном режиме для аппаратов с рамами
350 и 750 мм;
3. Конструктивного алгоритма решения задачи настройки ПИД-
регуляторов квадрокоптера для успешного решения задачи стабили-
зации положения аппарата в пространстве;
4. Результатов математического моделирования процесса полета квад-
рокоптера, основанных на применении адаптивного метода решения
задачи оптимального управления.
Методы исследования. В работе используются метод системного
анализа, теории дифференциальных уравнений, математической теории
оптимального управления и стабилизации, экспериментальные исследования.
Структура о объем работы. Работа состоит из введения, включает
в себя три главы, заключение, список литературы и приложение.
В первой главе рассматривается вопрос выбора аппаратной конфи-
гурации квадрокоптера, допускающей функционирование в аварийном ре-
жиме и сформулирована общая постановка задачи. Введена классифика-
ция аварийных ситуаций, представлена общая постановка задачи, приве-
дена расчетная математическая модель. Предложен способ классифика-
ции квадрокоптеров и дан ряд рекомендации по выбору отказоустойчивых
электронных компонентов, описана экспериментальная база исследования.
Отдельный параграф посвящен вопросу нахождения баланса характери-
стик квадрокоптера. Проведен расчет конфигураций (с подбором комплек-
тующих) для аппаратов разных классов (рама диаметром 350 и 750 мм),
допускающих работу в аварийных режимах.
Вторая глава посвящена вопросу выбора параметров ПИД-
регуляторов квадрокоптера, как ключевого элемента, отвечающего за ста-
бильность полета аппарата. Проведено математическое моделирование ра-
боты ПИД-регулятора в среде с возмущениями, приводится анализ вли-
яния отдельных параметров ПИД-регуляторов на поведение аппарата в
воздухе. Сформулирован ряд замечаний по выбору параметров регулято-
ров с учетом различных сценариев использования аппарата. Рассмотрен
вопрос применимости алгоритма автоматической настройки (выбора па-
раметров ПИД-регулятора) применительно к аварийному режиму функ-
ционирования. Сформулирован конструктивный алгоритм для ручной на-
стройки ПИД-регуляторов для аварийного режима и описана область его применимости.
В третьей главе приводятся результаты математического моделиро-
вания управления квадрокоптером в аварийном режиме. Описан матема-
тический метод, используемый для решения задачи оптимального управле-
ния квадрокоптером и электродвигателями. Проведены расчеты, показана
возможность аварийной посадки аппарата без двух винтов. Приведен ряд
замечаний по возможности интеграции результатов математического мо-
делирования в процесс управления квадрокоптером в аварийном режиме в
реальном времени.
В заключении сформулированы общие выводы и положения.
Практическая ценность работы. Основными практическими ре-
зультатами работы является:
1. Методика классификации, рекомендации по выбору комплектующих
и подход к проектированию конструктивно сбалансированной кон-
фигурации аппарата для успешного решения задачи управления в
аварийном режиме;
2. Результаты математического моделирования, а так же конструктив-
ный алгоритм решения задачи выбора параметров ПИД-регуляторов
квадрокоптера для аппаратов с различными характеристиками и про-
филем использования для успешного решения задачи стабилизации;
3. Результаты математического моделирования процесса полета квадро-
коптера в аварийных режимах функционирования с использованием
адаптивного метода.
Апробация. Основные результаты докладывались и обсуждались на
конференциях: Устойчивость и колебания нелинейных систем управле-
ния: XIII Международная конференция (2016 г., Москва); III Междуна-
родной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения профес-
сора, чл.-кор РАН В.И.Зубова (2015 год); ежегодной научной конферен-
ции «Процессы управления и устойчивость» (2015 и 2014 год); конфе-
ренции «International Conference on Computer Technologies in Physical and
Engineering Applications (ICCTPEA)» (2014 год); конференции «Конструк-
тивный негладкий анализ и смежные вопрос», посвященной памяти про-
фессора В.Ф. Демьянова (2017 год); опубликованы в журнале «Вестник
Санкт-Петербургского университета. Серия 10: прикладная математика,
информатика, процессы управления».
Купить