Тема: ПОСТРОЕНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КВАДРОКОПТЕРОМ

За прошедшие 15 лет, беспилотные летательные аппараты (БПЛА) вертолетного типа с четным количеством роторов — квадро- гекса- и октокоптеры 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 нескольких тяговых двигателей и необходимость постоянной стабилизации аппарата 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 построению системы управления, основанный на обработке сигналов, поступающих 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 управлении 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 чаще, 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 работах [28, 5]. Авторами предлагаются ряд способов повышения надежности
систем управления и улучшения показателей летной живучести аппаратов: резервирование систем, использование оптического канала для получения навигационной информации, внедрение систем инерциальной навигации (ИНС) в виде готовых блоков.
Особый практический интерес представляет опыт исследователей, накопленный в результате конструирования и практических испытаний аппаратов различных конфигураций. Опыт применения отдельных типов и
моделей компонентов, обобщен в главе 1.
В настоящей работе рассматривается вопрос построения такой системы управления квадрокоптером, которая позволяла бы минимизировать
негативные последствия от ряда нештатных ситуаций. Методом системного анализа проводится исследование причин появления отдельных нештатных ситуаций и приводятся рекомендации по их устранению. Такую систему 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 далее 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 ПИДрегуляторов квадрокоптера для успешного решения задачи стабилизации положения аппарата в пространстве;
54. Результатов математического моделирования процесса полета квадрокоптера, 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 конфигурации квадрокоптера, допускающей функционирование в аварийном режиме и сформулирована общая постановка задачи. Введена классификация аварийных ситуаций, представлена общая постановка задачи, приведена расчетная математическая модель. Предложен способ классификации квадрокоптеров и дан ряд рекомендации по выбору отказоустойчивых
электронных компонентов, описана экспериментальная база исследования.
Отдельный параграф посвящен вопросу нахождения баланса характеристик квадрокоптера. Проведен расчет конфигураций (с подбором комплектующих) для аппаратов разных классов (рама диаметром 350 и 750 мм),
допускающих работу в аварийных режимах.
Вторая глава посвящена вопросу выбора параметров ПИДрегуляторов квадрокоптера, как ключевого элемента, отвечающего за стабильность полета аппарата. Проведено математическое моделирование работы ПИД-регулятора в среде с возмущениями, приводится анализ влияния отдельных параметров ПИД-регуляторов на поведение аппарата в
воздухе. Сформулирован ряд замечаний по выбору параметров регуляторов с учетом различных сценариев использования аппарата. Рассмотрен
вопрос применимости алгоритма автоматической настройки (выбора параметров ПИД-регулятора) применительно к аварийному режиму функционирования. Сформулирован конструктивный алгоритм для ручной на-
6стройки ПИД-регуляторов для аварийного режима и описана область его
применимости.
В третьей главе приводятся результаты математического моделирования управления квадрокоптером в аварийном режиме. Описан математический метод, используемый для решения задачи оптимального управления квадрокоптером и электродвигателями. Проведены расчеты, показана
возможность аварийной посадки аппарата без двух винтов. Приведен ряд
замечаний по возможности интеграции результатов математического моделирования в процесс управления квадрокоптером в аварийном режиме в
реальном времени.
В заключении сформулированы общие выводы и положения.
Практическая ценность работы. Основными практическими результатами работы является:
1. Методика классификации, рекомендации по выбору комплектующих
и подход к проектированию конструктивно сбалансированной конфигурации аппарата для успешного решения задачи управления в
аварийном режиме;
2. Результаты математического моделирования, а так же конструктивный алгоритм решения задачи выбора параметров ПИД-регуляторов
квадрокоптера для аппаратов с различными характеристиками и профилем использования для успешного решения задачи стабилизации;
3. Результаты математического моделирования процесса полета квадрокоптера в аварийных режимах функционирования с использованием
адаптивного метода.
Апробация. Основные результаты докладывались и обсуждались на
конференциях: Устойчивость и колебания нелинейных систем управления: XIII Международная конференция (2016 г., Москва); III Международной конференции, посвященной 85-летию со дня рождения профессора, чл.-кор РАН В.И.Зубова (2015 год); ежегодной научной конференции «Процессы управления и устойчивость» (2015 и 2014 год); конфе-
7ренции «International Conference on Computer Technologies in Physical and
Engineering Applications (ICCTPEA)» (2014 год); конференции «Конструктивный негладкий анализ и смежные вопрос», посвященной памяти профессора В.Ф. Демьянова (2017 год); опубликованы в журнале «Вестник
Санкт-Петербургского университета. Серия 10: прикладная математика,
информатика, процессы управления».
Купить

Несмотря на то, что принципиальные вопросы, связанные с построением системы управления квадрокоптером успешно решены наукой, все еще
остается достаточно много вопросов, требующих детального изучения. Тенденция к автоматизации и роботизации всех видов беспилотных, а равно
и пилотируемых летательных аппаратов, порождает запрос на повышение
надежности всех систем.
Положения, выносимые на защиту:
1. Способ классификации квадрокоптеров и подход к проектирования
аппаратов с высоким показателем летной живучести;
2. Конструктивный алгоритм решения задачи настройки ПИДрегуляторов квадрокоптера, устойчивого к внешним возмущениям;
3. Результаты математического моделирования процесса полета квадрокоптера в аварийном режиме.
Купить