Кинематическая модель стабилизации и управления ориентацией подвесной аппаратуры беспилотного летательного аппарата

Статья посвящена разработке и исследованию кинематической модели стабилизации и управления ориентацией подвесной аппаратуры беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Созданная модель базируется на кинематической модели трехосного карданного подвеса (ТКП): структуре ТКП для БПЛА, математическом описании ТКП БПЛА и выводе кинематических уравнений для задач стабилизации и управления ориентацией подвесной аппаратуры БПЛА. В общем случае вывод кинематических уравнений ТКП на БПЛА является сложным процессом и подобен построению кинематической модели робота-манипулятора с шестью степенями свободы. ТКП рассматривается как манипуляционный механизм с шестью степенями свободы: три степени свободы определяются поворотами БПЛА вокруг осей системы координат, прикрепленной к БПЛА, и три степени свободы задаются рамками ТКП по каналам рыскания, крена и тангажа при вращательных движениях этих рамок вокруг соответствующих осей систем координат, прикрепленных к рамкам ТКП. Такая постановка в общем случае не имеет однозначного решения для поставленных задач стабилизации и управления ориентацией подвесной аппаратуры БПЛА. Для устранения этой неоднозначности используется оптимизация в процессе проектирования ТКП и установка ТКП в таких положениях на БПЛА, которые снижают вычислительную сложность решаемых задач. Кинематическая модель представлена в статье кинематическими уравнениями, решение которых обеспечивает стабилизацию подвесной аппаратуры БПЛА, и кинематическими уравнениями, решение которых позволяет управлять аппаратурой (видеокамерой) БПЛА при слежении за подвижными объектами (движущимися целями) в пространстве. В программной среде MATLAB Simulink создана модель ТКП, на основе которой выполнено моделирование трехосной системы стабилизации аппаратуры БПЛА и моделирование трехосной системы слежения БПЛА за движущимся объектом в пространстве. Результаты моделирования в программной среде MATLAB SImulink доказывают адекватность разработанной кинематической модели ТКП и ее эффективность для решения задач стабилизации и управления ориентацией подвесной аппаратуры БПЛА.

1. Sundaram B., Palaniswami M., Reddy S., Sinickas M. Radar localization with multiple unmanned aerial vehicles using support vector regression // Intelligent sensing and information processing. 2005. P. 232—237.

2. Chandra R. S., Breheny S. H., D’Andrea R. Antenna array synthesis with clusters of unmanned aerial vehicles // Automatica. 2008. Vol. 44. P. 1976—1984.

3. Coopmans C., Stark B., Jensen A., Chen Y. Q., McKee M. Cyber-physical systems enabled by small unmanned aerial vehicles. In: K. P. Valavanis, G. J. Vachtsevanos (Eds.), Handbook of unmanned aerial vehicles. Dordrecht; Heidelberg; New York; London: Springer, 2015, P. 2835—2860.

4. Wilson D. B., Goktogan A. H., Sukkarieh S. A vision based relative navigation framework for formation flight // IEEE International conference on robotics and automation (ICRA). 2015. P. 4988—4995.

5. Binetti P., Ariyur K. B., Krstic M., Bernelli F. Formation flight optimization using extremum seeking feedback // Journal of guidance, control, and dynamics. 2003. Vol. 26 (1). P. 132—142.

6. Официальный сайт холдинга "Веpтолеты Pоссии". URL: https://www.rhc.aero (дата обращения: 26.12.2022).

7. Ганин С. В., Карпенко А. В., Колногоров В. В., Петров Г. Ф. Беспилотные летательные аппараты. СПб: Невский бастион, 1999. 160 с.

8. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных летательных аппаратов / Под ред. М. Н. Красильщикова, Г. Г. Себрякова. М.: Физматлит, 2009. 556 с.

9. Моисеев B. C. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами. Казань: ГБУ "Республиканский центр мониторинга качества образования", 2013. 768 с.

10. Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами: Тезисы докладов V Всероссийской научно-технической конференции, Москва, 8—10 ноября 2022 г. Тамбов: ООО фирма "Юлис", 2022. 148 с.

11. Беспилотные летательные аппараты. URL: https://habr.com/ru/post/65627/ (дата обращения: 26.12.2022).

12. Сущенко О. А., Азарсков В. Н. Проектирование робастных систем стабилизации оборудования беспилотных летательных аппаратов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 1(43). С. 80—90.

13. Тран В. Т. Моделирование трехосного карданного подвеса на беспилотных летательных аппаратах // Сборник избранных статей научной сессии Томского государственного университета систем упpавления и pадиоэлектpоники: Междунар. науч-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР—2022" 18—20 мая 2022 г., г. Томск: в 3 ч. Ч. 2. Томск: В-Спектр, 2022. С. 30—32.

14. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1988. 552 с.

15. Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Основы управления манипуляционными роботами (2-е издание). М.: Изд-во МГТУ, 2004. 478 с.

16. Modern control systems. Twelfth Edition by Richard C. Dorf, Robert H. Bishop. Prentice Hall, 2011. 1110 p.

17. Челноков Ю. Н. Приложения теории кинематического управления движением твердого тела // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18, № 8. С. 532—542.