Введение 3
Глава 1. Постановка задачи 5
1.1. Общая схема мисии автопосадки 6
1.2. Моделирование динамики квадрокоптера 9
1.3. Система компьютерного зрения 13
1.4. Математическая постановка задачи 16
Глава 2. Разработка алгоритма управления 18
2.1. Алгоритм Backstepping 19
2.2. Общая схема алгоритма Backstepping 20
2.3. Применение алгоритма Backstepping к квадрокоптеру 22
Глава 3. Программная реализация алгоритма управления 25
3.1. Алгоритм Backstepping 25
3.2. Трехмерная имитация системы компьютерного зрения 28
3.3. Результаты имитационного моделирования 31
Выводы 34
Список литературы 35
Развитие систем с использованием беспилотных летательных аппаратов (БЛА) является современной тенденцией в аэрокосмических исследованиях. Беспилотным летательным аппаратом называется движущийся объект, на борту которого в процессе полета отсутствует человек. Такие БЛА могут пилотироваться дистанционно или автономно следовать по предварительно запрограммированному пути. БЛА в основном используются в военных операциях. Однако они находят приложение и в гражданских нуждах, таких как пожаротушение. В целом, беспилотные аппараты предпочтительны при выполнении неподходящих для пилотируемых аппаратов миссий.
Существует широкий спектр геометрических конфигураций, средств управления и общего функционирования БЛА. Аппараты с лопастными моторами имеют ряд преимуществ перед вариантами с фиксированными крыльями. К ним в первую очередь относятся способность вертикально взлетать и садиться, а также возможность парить над неподвижной точкой. Кроме того, БЛА вертолетного типа могут перемещаться в диапазоне низких скоростей.
Одну из возможных конфигураций моторов вертолета представляет так называемый квадрокоптер - летательный аппарат с 4-мя основными винтами и отсутствующим хвостовым. Все несущие винты расположены в одной плоскости. Управление движением квадрокоптера достигается за счет изменения скоростей вращения каждого пропеллера.
Рис. 1. Квадрокоптер
Целью данной работы является реализация управления посадкой квадрокоптера на движущуюся платформу. Движение платформы происходит в горизонтальной плоскости, что может соответствовать участку земли или другому подвижному объекту с очень малыми колебаниями по вертикали. Основным и единственным координатором движения является сам БЛА, оценивающий обстановку по видеоданным, получаемым с бортовой камеры.
Квадрокоптер представляет из себя транспортное средство с четырьмя входными силами, которые преобразуются в шесть управляющих воздействий. Существует ряд способов управления движением такой системы. Могут применяться методы управления линейными системами (PID-контроллер, LQR). Однако, поскольку квадрокоптер является нелинейной системой, для должной функциональности необходимо применение нелинейных способов управления. Наиболее употребимыми являются методы Backstepping, Sliding и метод линеаризации обратной связи.
В работе используется закон управления Backstepping, примененный к квадрокоптеру для разработки надежной системы стабилизации и преследования траектории.
Нелинейный Backstepping позволяет построить закон управления для следования желаемой траектории. В рамках работы таковой является движение целевой точки посадки. Траектория платформы изначально считается неопределенной. Считается, что посадочная область двигается с небольшой скоростью и ее траектория является непрерывно дифференцируемой, поэтому в течение малых промежутков времени её можно приближать линейной. Это учитывается при симуляции миссии полета.
В работе описана математическая модель квадрокоптера, система компьютерного зрения, построена общая схема полета при выполнении миссии посадки и синтезирован закон управления для нее. Также представлены результаты имитационного моделирования тестовых полетов.
В данной работе была рассмотрена проблема автоматической посадки квадрокоптера, основанной на методах компьютерного зрения.
В ходе работы построена нелинейная математическая модель динамики квадрокоптера, представленная в среде имитационного моделирования Simulink, а также программно реализован аналог бортовой камеры.
Для удовлетворения требования максимально точной посадки квадрокоптера синтезирован регулятор движения Backstepping, обеспечивающий следование желаемой траектории. Данный метод основан на теории Ляпунова, следовательно, результатом его является асимптотическая сходимость траектории движения к желаемой. Подход Backstepping является одним из самых популярных в области управления движением квадрокоптера, для которого построена нелинейная модель. В то же время, в дальнейшем необходимо построить и другие типы регуляторов (PID, Sliding и др.) с целью анализа качества/скорости работы и выбора наиболее подходящего.
В работе представлен результат решения в случае прямолинейного движения платформы и при данных предположениях продемонстрирована эффективная работа алгоритма.
При выполнении данной работы получены следующие результаты.
1. Построена математическая, имитационная модели квадрокоптера.
2. Для этой модели синтезирован закон управления Backstepping.
3. Программно смоделирована бортовая камера и разработан алгоритм обработки поступающих кадров.
4. Реализован алгоритм автоматической посадки на цель, находящуюся в поле зрения камеры.
5. Проведено имитационное моделирование полета полета квадрокоптера.
