Помощь студентам в учебе
МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОСВЯЗНОЙ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ КВАДРОКОПТЕРА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 7
1.1. Устройство и принцип работы квадрокоптера 7
1.2. Основные элементы квадрокоптеров 13
1.3. Проблемы устройства квадрокоптеров 16
1.4. Выводы по 1 главе 20
2. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 22
2.1. Анализ исследований по программной реализации 22
2.2. Математическая модель квадрокоптера 32
2.3. Построение многосвязной системы стабилизации параметров движения 38
2.4. Выбор и обоснование программного продукта 42
2.5. Моделирование многосвязной системы стабилизации параметров
движения квадрокоптера в MatLab Simulink 44
2.6. Выводы по 2 главе 49
3. АНАЛИЗ РАБОТЫ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ 51
3.1. Параметры и ограничения модели 51
3.2. Тестирование разработанной модели 52
3.3. Анализ основных результатов модели 56
3.4. Выводы по 3 главе 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ 87
1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 7
1.1. Устройство и принцип работы квадрокоптера 7
1.2. Основные элементы квадрокоптеров 13
1.3. Проблемы устройства квадрокоптеров 16
1.4. Выводы по 1 главе 20
2. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 22
2.1. Анализ исследований по программной реализации 22
2.2. Математическая модель квадрокоптера 32
2.3. Построение многосвязной системы стабилизации параметров движения 38
2.4. Выбор и обоснование программного продукта 42
2.5. Моделирование многосвязной системы стабилизации параметров
движения квадрокоптера в MatLab Simulink 44
2.6. Выводы по 2 главе 49
3. АНАЛИЗ РАБОТЫ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ 51
3.1. Параметры и ограничения модели 51
3.2. Тестирование разработанной модели 52
3.3. Анализ основных результатов модели 56
3.4. Выводы по 3 главе 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 81
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ 87
В наши дни беспилотные летательные аппараты имеют большое значение для общества. Они выполняют различные функции, такие как: обеспечение безопасности, мониторинг различных объектов и территорий, доставка документов. Они очень часто оказываются полезными для различных исследований. Квадрокоптеры становятся предметами для тестирования новых законов управления, интеллектуальных алгоритмов.
Преимущества квадрокоптеров: малые размеры по сравнению с другими беспилотными летательными аппаратами, подъем с какой угодно поверхности, зависание в воздухе. Они могут быть использованы в местах, непригодных для обитания человека.
В настоящее время использование беспилотного летательного аппарата в различных сферах жизни человека возрастает. Спектр задач может варьироваться от гражданских задач до применения в военных целях. Разработка системы стабилизации управления квадрокоптером позволяет производить ее дальнейшую оптимизацию с целью совершенствования определенных характеристик.
Квадрокоптер - это мехатронный винтокрылый летательный аппарат (ЛА), имеющий шесть степеней свободы, осуществляющий полет путем изменения скорости вращения роторов, работающих попарно. Это позволяет квадрокоптеру передвигаться в трехмерном пространстве в четырех режимах: зависание на месте, движение с изменением углов крена, тангажа и рыскания. Выбор и реализация вышеупомянутых режимов происходит с помощью микро- ЭВМ, которая управляет механизмом генерирования подъемной силы роторов, регулирует состояние квадрокоптера в соответствии с выбранным режимом полета и обеспечивает обмен навигационных данных с различными уровнями управления.
Область использования квадрокоптеров постоянно расширяется [1, 5, 21]: мониторинг местности, поисковые и разведывательные операции, доставка маловесных грузов, использование для фото- и видеосъемки и другие.
На сегодняшний день управление квадрокоптером осуществляется в полуавтоматическом режиме по командам оператора с использованием навигации по опорным точкам. Одновременно существенно возрастает роль программного управления квадрокоптерами. Это связано с мировой тенденцией роста уровня автономности БПЛА при решении установленных задач, таких как планирование и автоматическое управление полетом по заранее установленной траектории.
Повышение количества используемого программного обеспечения для управления БПЛА необходимо для облегчения работы человека и в стремлении сократить влияние человеческого фактора, который служит причиной аварий летательных аппаратов. Так же имеется высокий уровень отказа БПЛА в случае потери связи.
Анализ источников в отечественной и зарубежной литературе по БПЛА показывает, что к настоящему времени системный подход к разработке и применению беспилотной авиационной техники в военной и гражданской областях отражен не в полной мере.
В виду этого тема данной выпускной квалификационной работы «Моделирование многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера» является актуальной.
В связи с развитием современных технологий, мы имеем возможность создавать различные модели путем компьютерного моделирования. Компьютерная модель - компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере, реализующая представление объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем.
Целью данной работы является разработка модели многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера, включая программный комплекс и проведение тестирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Изучить предметную область по теме исследования;
2. Провести математическое описание решения поставленной задачи;
3. На основе математического описания разработать и реализовать алгоритм многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера в среде MATLAB;
4. Исследовать реализованный алгоритм;
5. Провести анализ и интерпретацию полученных результатов.
Объектом исследования данной работы является модели многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера, полученные путем компьютерного моделирования.
Выбор данного объекта исследования обоснован востребованностью беспилотных летательных аппаратов как в гражданских, так и военной отраслях.
Предметом исследования данной работы является процесс стабилизации полета квадрокоптера, а конкретно его вертикального подъема, поворота на углы крена и тангажа, а также полет по траектории. Полет по траектории среди указанных процессов является наиболее сложным в техническом плане. Если для управления летательным аппаратом не требуется непосредственное участие человека, то открывается более широкий диапазон использования данных дронов. Также это позволит автоматизировать многие задачи, такие как, например, осмотр границ государств или частных закрытых предприятий, а также мониторинг местности, по той или иной причине, недоступной для нахождения в ней человека.
Преимущества квадрокоптеров: малые размеры по сравнению с другими беспилотными летательными аппаратами, подъем с какой угодно поверхности, зависание в воздухе. Они могут быть использованы в местах, непригодных для обитания человека.
В настоящее время использование беспилотного летательного аппарата в различных сферах жизни человека возрастает. Спектр задач может варьироваться от гражданских задач до применения в военных целях. Разработка системы стабилизации управления квадрокоптером позволяет производить ее дальнейшую оптимизацию с целью совершенствования определенных характеристик.
Квадрокоптер - это мехатронный винтокрылый летательный аппарат (ЛА), имеющий шесть степеней свободы, осуществляющий полет путем изменения скорости вращения роторов, работающих попарно. Это позволяет квадрокоптеру передвигаться в трехмерном пространстве в четырех режимах: зависание на месте, движение с изменением углов крена, тангажа и рыскания. Выбор и реализация вышеупомянутых режимов происходит с помощью микро- ЭВМ, которая управляет механизмом генерирования подъемной силы роторов, регулирует состояние квадрокоптера в соответствии с выбранным режимом полета и обеспечивает обмен навигационных данных с различными уровнями управления.
Область использования квадрокоптеров постоянно расширяется [1, 5, 21]: мониторинг местности, поисковые и разведывательные операции, доставка маловесных грузов, использование для фото- и видеосъемки и другие.
На сегодняшний день управление квадрокоптером осуществляется в полуавтоматическом режиме по командам оператора с использованием навигации по опорным точкам. Одновременно существенно возрастает роль программного управления квадрокоптерами. Это связано с мировой тенденцией роста уровня автономности БПЛА при решении установленных задач, таких как планирование и автоматическое управление полетом по заранее установленной траектории.
Повышение количества используемого программного обеспечения для управления БПЛА необходимо для облегчения работы человека и в стремлении сократить влияние человеческого фактора, который служит причиной аварий летательных аппаратов. Так же имеется высокий уровень отказа БПЛА в случае потери связи.
Анализ источников в отечественной и зарубежной литературе по БПЛА показывает, что к настоящему времени системный подход к разработке и применению беспилотной авиационной техники в военной и гражданской областях отражен не в полной мере.
В виду этого тема данной выпускной квалификационной работы «Моделирование многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера» является актуальной.
В связи с развитием современных технологий, мы имеем возможность создавать различные модели путем компьютерного моделирования. Компьютерная модель - компьютерная программа, работающая на отдельном компьютере, реализующая представление объекта, системы или понятия в форме, отличной от реальной, но приближенной к алгоритмическому описанию, включающей и набор данных, характеризующих свойства системы и динамику их изменения со временем. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения систем.
Целью данной работы является разработка модели многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера, включая программный комплекс и проведение тестирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
1. Изучить предметную область по теме исследования;
2. Провести математическое описание решения поставленной задачи;
3. На основе математического описания разработать и реализовать алгоритм многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера в среде MATLAB;
4. Исследовать реализованный алгоритм;
5. Провести анализ и интерпретацию полученных результатов.
Объектом исследования данной работы является модели многосвязной системы стабилизации параметров движения квадрокоптера, полученные путем компьютерного моделирования.
Выбор данного объекта исследования обоснован востребованностью беспилотных летательных аппаратов как в гражданских, так и военной отраслях.
Предметом исследования данной работы является процесс стабилизации полета квадрокоптера, а конкретно его вертикального подъема, поворота на углы крена и тангажа, а также полет по траектории. Полет по траектории среди указанных процессов является наиболее сложным в техническом плане. Если для управления летательным аппаратом не требуется непосредственное участие человека, то открывается более широкий диапазон использования данных дронов. Также это позволит автоматизировать многие задачи, такие как, например, осмотр границ государств или частных закрытых предприятий, а также мониторинг местности, по той или иной причине, недоступной для нахождения в ней человека.
Квадрокоптер представляет собой беспилотный летательный аппарат, снабжённый четырьмя равноудалёнными в горизонтальной плоскости несущими винтами, закреплёнными на концах крестообразного корпуса. Винты вращаются в противоположные стороны, есть возможность управлять скоростями вращения винтов.
Преимущества квадрокоптеров: крохотные размеры по сравнению с другими беспилотными летательными аппаратами, подъем с какой угодно поверхности, остановка в воздухе.
Область применения квадрокоптеров весьма широка: мониторинг местности, поисковые и разведывательные операции, доставка маловесных грузов, использование для фото- и видеосъемки. Также в последнее время квадрокоптеры стали востребованы службами спасения, например, для постоянного наблюдения, прогнозирования и анализа экологической обстановки в районах непредсказуемого возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций и катастроф.
На сегодняшний день управление квадрокоптером осуществляется в полуавтоматическом режиме по командам оператора с использованием навигации по опорным точкам. Одновременно существенно возрастает роль программного управления. Это связано с мировой тенденцией роста уровня автономности БПЛА при решении установленных задач, таких как планирование и автоматическое управление полетом по заранее установленной траектории.
Повышения количества использование программного управления БПЛА необходимо для облегчения работы человека и в стремлении сократить влияние человеческого фактора, который служит причиной аварий летательных аппаратов. Так же имеется высокий уровень отказа БПЛА в случае потери связи.
Одним из главных методов получения достоверной информации о происхождении явлений, а также для получения описания работы тех или иных устройств и процессов, происходящих внутри них, является моделирование. Моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Проанализировав источники, мы пришли к выводу, что каждый из авторов выводил математическую модель для своего объекта исследования, учитывая персональные предпочтения, а также особенности решаемой задачи. Некоторые авторы не учитывали вращательное движение, что связано с наличием в самом квадрокоптере системы управления, другие принимали конструкцию квадрокоптера как идеально симметричную.
Ознакомившись с данными источниками, было решено выводить систему уравнений, описывающую движение квадрокоптера, используя в качестве базы модель, предложенную в статье Гурьянова А. Е. и др. [6] со следующими поправками:
1. Квадрокоптер является симметричным телом;
2. Инерциальная система неподвижна;
3. Углы тангажа и крена достаточно малы;
4. Угловые скорости поворота вокруг осей достаточно малы.
Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий нашей задаче алгоритм управления и выбрать вид используемого регулятора, мы обращались к ряду статей, описывающих различное управление в тех или иных условиях. Выбор алгоритма управления и тип регулятора был произведен на основе работы математической модели нашего квадрокоптера.
Рассмотрев и проанализировав варианты управления был сделан вывод о выборе способа управления, предложенного в статье Ген Ке Ке и др.
На основе этих пунктов была разработана адекватная компьютерная модель, с которой были произведены различные эксперименты и исследования.
на основе которых мы получили адекватные параметры системы, которые позволили максимально приблизить ее к желаемой.
В качестве среды для реализации разработанного алгоритмы был выбран и программный продукт, а именно интерактивная среда для программирования численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB.
На основе полученных ранее результатов, было проведено полномасштабное исследование модели на предмет многосвязной стабилизации параметров управления полета по траектории.
В результате выполнения данной работы мы получили полноценную информационную модель. Эта модель включает в себя математическую базу, выраженную в полученной математической модели квадрокоптера в соответствии с основными законами физики и аэродинамики. Также имеется компьютерной модель, полученная в MATLAB Simulink, в которой мы можем тестировать и изменять что угодно, начиная от физических параметров модели, заканчивая контурами управления и корректировки курса и многого другого. Дополняет все это комплекс программного кода, который обеспечивает поддержку данной модели, соединяет ее различные части между собой и позволяет получить наглядные данные и графики о работе модели.
Преимущества квадрокоптеров: крохотные размеры по сравнению с другими беспилотными летательными аппаратами, подъем с какой угодно поверхности, остановка в воздухе.
Область применения квадрокоптеров весьма широка: мониторинг местности, поисковые и разведывательные операции, доставка маловесных грузов, использование для фото- и видеосъемки. Также в последнее время квадрокоптеры стали востребованы службами спасения, например, для постоянного наблюдения, прогнозирования и анализа экологической обстановки в районах непредсказуемого возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций и катастроф.
На сегодняшний день управление квадрокоптером осуществляется в полуавтоматическом режиме по командам оператора с использованием навигации по опорным точкам. Одновременно существенно возрастает роль программного управления. Это связано с мировой тенденцией роста уровня автономности БПЛА при решении установленных задач, таких как планирование и автоматическое управление полетом по заранее установленной траектории.
Повышения количества использование программного управления БПЛА необходимо для облегчения работы человека и в стремлении сократить влияние человеческого фактора, который служит причиной аварий летательных аппаратов. Так же имеется высокий уровень отказа БПЛА в случае потери связи.
Одним из главных методов получения достоверной информации о происхождении явлений, а также для получения описания работы тех или иных устройств и процессов, происходящих внутри них, является моделирование. Моделирование - исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Проанализировав источники, мы пришли к выводу, что каждый из авторов выводил математическую модель для своего объекта исследования, учитывая персональные предпочтения, а также особенности решаемой задачи. Некоторые авторы не учитывали вращательное движение, что связано с наличием в самом квадрокоптере системы управления, другие принимали конструкцию квадрокоптера как идеально симметричную.
Ознакомившись с данными источниками, было решено выводить систему уравнений, описывающую движение квадрокоптера, используя в качестве базы модель, предложенную в статье Гурьянова А. Е. и др. [6] со следующими поправками:
1. Квадрокоптер является симметричным телом;
2. Инерциальная система неподвижна;
3. Углы тангажа и крена достаточно малы;
4. Угловые скорости поворота вокруг осей достаточно малы.
Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий нашей задаче алгоритм управления и выбрать вид используемого регулятора, мы обращались к ряду статей, описывающих различное управление в тех или иных условиях. Выбор алгоритма управления и тип регулятора был произведен на основе работы математической модели нашего квадрокоптера.
Рассмотрев и проанализировав варианты управления был сделан вывод о выборе способа управления, предложенного в статье Ген Ке Ке и др.
На основе этих пунктов была разработана адекватная компьютерная модель, с которой были произведены различные эксперименты и исследования.
на основе которых мы получили адекватные параметры системы, которые позволили максимально приблизить ее к желаемой.
В качестве среды для реализации разработанного алгоритмы был выбран и программный продукт, а именно интерактивная среда для программирования численных расчетов и визуализации результатов - MATLAB.
На основе полученных ранее результатов, было проведено полномасштабное исследование модели на предмет многосвязной стабилизации параметров управления полета по траектории.
В результате выполнения данной работы мы получили полноценную информационную модель. Эта модель включает в себя математическую базу, выраженную в полученной математической модели квадрокоптера в соответствии с основными законами физики и аэродинамики. Также имеется компьютерной модель, полученная в MATLAB Simulink, в которой мы можем тестировать и изменять что угодно, начиная от физических параметров модели, заканчивая контурами управления и корректировки курса и многого другого. Дополняет все это комплекс программного кода, который обеспечивает поддержку данной модели, соединяет ее различные части между собой и позволяет получить наглядные данные и графики о работе модели.