Введение 4
1. Постановка задачи 7
2. Литературный обзор 8
2.1. Применение БПЛА 8
2.2. Системы отсчета 9
2.3. Кинематика и динамика 14
2.4. Силы и моменты 15
2.5. Линеаризация 16
2.6. Полетный контроллер ArduPilot 17
3. Модуль управления 18
4. Модель полёта 20
5. Реализация 23
6. Тестирование и анализ 25
Заключение 27
Список литературы 28
Беспилотные летательные аппараты играют все более заметную роль
в военно-оборонительных целях. БПЛА успешно решают задачи разведки, наблюдения и коммуникации в том числе в экстремальных условиях и длительных полетах [2]. В последнее время БПЛА также успешно применяются для решения многих гражданских задач, предоставляя
широкие возможности службам по чрезвычайным ситуациям (предупреждения о стихийных бедствиях, контроль пожарной безопасноти),
пограничным службам (патрулирование зон), предприятиям сельского
хозяйства, службам охраны, средствам массовой информации, а также
в других областях [1].
В мире представлено огромное количество различных БПЛА, отличающихся по своим спецификациям и набору характеристик (назначение, вес, размер, продолжительность полета и высота полета, система
запуска и приземления, наличие систем автопилотирования и навигации, формат аэрофото и видеосъемки) [2].
Хорошо подобранные аппаратная и программная части являются
залогом успешного выполнения описанных задач. Поэтому необходимо максимизировать собственные возможности БПЛА, что включает
в себя как подбор качественных аппаратных решений, рассчитанных
на возможные экстремальные условия и повышенные нагрузки, так и
программную часть, обеспечивающую стабильное бесперебойное управление БПЛА в условиях зашумленности и задержек со стороны датчиков. Управляющий модуль также должен быть оптимизирован с точки
зрения энергопотребления, так как БПЛА имеют ограниченный запас
энергии из-за того, что вес аккумуляторных батарей сказывается на
летных характеристиках аппарата [12].
Проблема заключается в том, что от показаний датчиков до принятия решения блоком управления БПЛА нужно выполнить большое
количество преобразований и вычислений. При этом блок управления
должен эффективно работать в режиме реального времени, поэтому
эти вычисления нужно проводить оптимальным образом. Для дости-
4жения этой цели при проектировании физики полета БПЛА необходимо рассмотреть ряд проблем. Во-первых, модель БПЛА необходимо
рассматривать в различных системах координат, что заставляет постоянно использовать пространственные математические преобразования. Это связано, например, с тем, что классическая система уравнений движения рассматривается в инерциальных системах отсчета, то
есть в системе отчета земли, однако само движение проще описывается
относительно положения тела беспилотника, то есть в постоянно меняющейся системе координат летящего БПЛА. Во-вторых, различные
силы и моменты, которые действуют на БПЛА, также описываются в
системе координат БПЛА, в то время как имеющиеся датчики лишь
частично дают показания в этой системе координат. Так, например,
датчики ГЛОНАСС/GPS дают показания в системе координат Земли. Для того, чтобы иметь возможность обрабатывать показания всех
датчиков, нужно рассматривать все необходимые системы координат и
уметь с помощью математических преобразований переходить от одной
системы координат к другой. В-третьих, нетривиальной задачей является описание кинематики и динамики процесса полета. Для описания
движения БПЛА с шестью степенями свободы понадобится 12 различных переменных, описывающих координаты, скорость, углы и угловые
моменты беспилотника в рамках нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих физику полета БПЛА [2].
В результате проделанной работы разработан программно-аппаратный
комплекс для автоматического пилотирования БПЛА. Для достижения
этой цели, были решены следующие задачи:
1. изучена физическая составляющая процесса полета сверхлегких
БПЛА;
2. спроектирована архитектура модуля управления БПЛА;
3. разработана модель поведения алгоритма управления БПЛА на
базе MatLab/SimuLink;
4. выполнена реализация программно-аппаратного модуля;
5. выполнена апробация созданных средств.
Также полученная система является хорошей платформой для тестирования идей и гипотез для БПЛА, моделирования математических
процессов.
