Разработка математической модели пространственного полета квадрокоптера

Авторы

Огольцов И. И.^*, Рожнин Н. Б.^**, Шеваль В. В.^***

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

*e-mail: ogoltsovii@mail.ru
**e-mail: rozhnin@yandex.ru
***e-mail: sheval@list.ru

Аннотация

В предлагаемой статье рассмотрены конструктивная схема и математическая модель пространственного полета беспилотного летательного аппарата вертолетного типа — квадрокоптера. Эти аппараты получили большое применение в различных областях народного хозяйства. Однако сдерживающим фактором более широкого их применения является отсутствие общего подхода к определению облика автопилота, позволяющего целенаправленно и с приемлемым качеством автоматически управлять траекторией полета квадрокоптера. Рассмотренные в работе материалы предназначены для определения облика автопилота, его структуры, основных контуров и их параметров. По выбранной конструктивной схеме квадрокоптера, учитывающей только основные действующие не него силы и моменты, разработано математическое описание динамики составных частей при движении в пространстве. Управляющие силы и моменты формируются с помощью четырех двигателей, постоянного вращающих установленные на их роторах воздушные винты. В математических моделях учтены неустранимые взаимодействия между различными приводами тяговых винтов, обусловленные структурой конкретного типа двигателей. Рассматривается пространственное движение с шестью степенями свободы. В процессе разработки математической модели, учитывающей особенности динамики данной управляемой системы, были рассмотрены основные контуры в структуре автопилота: контур стабилизации углового положения квадрокоптера, контур позиционирования квадрокоптера в пространстве и контур стабилизации скорости вращения двигателей. Согласованная работа этих контуров позволяет целенаправленно управлять траекторией полета и угловым положением квадрокоптера в пространстве при решении прикладной технической задачи комплекса, в состав которого входит рассматриваемый квадрокоптер. Предложены алгоритмы управления в каждом из контуров, обеспечивающие управляемое движение приемлемого для прикладной задачи качества. Полученный инструментарий в виде математической модели согласованного функционирования системы управления движением квадрокоптера может быть использован при разработке автопилота с заданными характеристиками точности.

Ключевые слова:

управление полетом, квадрокоптер, привод стабилизации скорости, математическая модель, экологический мониторинг, аэромобильный лидар

Библиографический список

1. Апарин Ю.Я., Корнилов В.А., Шеваль В.В. Аэромобильный комплекс дистанционного контроля химического состава атмосферы. // Тезисы докладов научно-технической конференции «Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами», Москва, Марс, 2010 г., С. 46-47.

2. Огольцов И.И., Рожнин Н.Б., Шеваль В.В. Организация системного проектирования автопилота квадрокоптера // Тезисы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», Москва, МАИ — ПРИНТ, 2012 г., С. 309-317.

3. Огольцов И.И., Рожнин Н.Б., Шеваль В.В. Математическая модель квадрокоптера аэромобильного лидара // Известия ТулГУ. Технические науки. 2012. Вып. 1. С. 47-55.

Скачать статью