канд. физ.-мат. наук
Предлагаются алгоритмы системы управления и навигации для беспилотного летательного аппарата (БЛА) с четырьмя поворотными роторами. Рассматриваемый аппарат реализует так называемую X-схему, основным элементом конструкции является корпус с симметричными лучами, на концах которых закреплены двигатели с пропеллерами. Отличие от классической конструкции квадрокоптера состоит в том, что аппарат снабжен дополнительными сервоприводами, способными изменять направление оси каждого ротора относительно корпуса, за счет чего увеличивается размерность вектора управляющих воздействий. Наличие дополнительных исполнительных органов системы управления, с одной стороны, открывает новые возможности использования БЛА, а с другой стороны, существенно усложняет модель динамики аппарата, что приводит к необходимости разработки новых алгоритмов управления.
Сформулирована математическая модель динамики аппарата. Показано, что наличие поворотных роторов позволяет добиться независимого управления положением и ориентацией аппарата. Синтезирован контур управления, в основе которого лежит аналитическое обращение динамики БЛА. Анализ полученных выражений для компонент вектора управляющих воздействий с применением численных методов позволяет учесть технические ограничения на максимальные обороты двигателей и углы отклонения сервоприводов.
Обратные связи в контуре управления реализованы посредством модели бортовых датчиков, характеристики которых соответствуют системе отслеживания движения, использованной при разработке прототипа БЛА. Для обработки сигналов бортовых датчиков применяется сигма-точечный фильтр Калмана.
Приведены результаты численных экспериментов, которые демонстрируют работоспособность алгоритмов управления и оценки состояния. В эксперименте аппарат выполняет движение по некоторой наперед заданной траектории, ориентируя при этом жестко закрепленную на корпусе камеру так, чтобы она отслеживала подвижный объект, также осуществляющий программное перемещение в трехмерном пространстве. Результаты численных экспериментов подтверждают способность аппарата выполнять сложные маневры, требующие независимого управления перемещением центра масс и ориентацией корпуса.
We design the navigation and control system for unmanned aerial vehicle (UAV) with four tilting rotors. The considered UAV implements the so-called X-sceme, which implies the main body and four symmetrical beams, upon which rotors with propellers are mounted. It is different from the classical quadrotor by having four additional servomotors that may change the orientation of the rotors with respect t the main body, thus increasing the control parameters number. Greater number of the actuators in the system, on the one hand, opens new venues for UAVs’ applications but, on the other hand, makes the mathematical model of the UAV’s dynamics quite complicated. The latter calls for new control algorithms to be developed. We start by forming the mathematical models of the UAV’s dynamics. It is shown that the introduction of the tilting motors allows implementing independent control of the quadrotor’s position and attitude. The control loop is designed on the base on the analytical dynamics inversion. The expressions for the control parameters thus obtained are subjected to the numerical analysis, which allows taking into account technical constraints for maximal motor speed and tilt angles. Feedback in the control loop is implemented by simulation of the on-board sensors’ signals, whose characteristics correspond to those of the sensors used in the UAV’s experimental prototype design. The signals are processed with the aid of the unscented Kalman filter algorithm. The results of numerical experiments corroborate the efficiency of the developed control and navigation algorithms. The mission simulated in the numeric experiments is tracking of a pre-defined trajectory and pointing with a body-fixed camera at a mobile object, which, in turn, moves along a programmed trajectory.The results of the numeric experiments show that the UAV is capable of performing complex maneuvers with independent position and attitude control.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.