Моделирование движения беспилотного вертолета соосной схемы на Марсе в системах виртуального окружения

Рассматривается задача моделирования движения марсианского беспилотного вертолета с соосным расположением винтов в системах виртуального окружения. Для решения этой задачи представлена нелинейная математическая модель динамики вертолета с учетом динамики взмахов лопастей винтов. Эта модель также включает нелинейные уравнения для вычисления коэффициентов сил тяги винтов. Предлагаемое решение для управления вертолетом заключается в применении метода линеаризации нелинейных уравнений обратной связью. В рамках такого подхода реализован синтез управления вертикальным и горизонтальным движениями вертолета. Были получены зависимости для углов крена и тангажа вертолета относительно требуемых сил тяг винтов и ускорений летательного аппарата. Результатом синтеза являются соотношения для общих и циклических углов установки лопастей двух винтов. Для обеспечения этих углов были задействованы ПД регуляторы, в которых реализовано вычисление напряжений, подаваемых на электроприводы автоматов перекоса вертолета.

Апробация предложенных в статье методов и подходов проводилась в созданном авторами программном комплексе виртуального окружения на примере управления виртуальной моделью вертолета соосной схемы с помощью тренажерного пульта. Для этой цели были разработаны и добавлены в комплекс программные модули для моделирования динамики и управления вертолетом. При этом для интегрирования дифференциальных уравнений была задействована полунеявная схема Эйлера, а решение нелинейных уравнений осуществлялось с помощью численного метода Ньютона. Управление моделью вертолета реализовано с помощью функциональной схемы, входами которой являются команды от пульта и показания виртуальных датчиков, а на выходе формируются напряжения для электроприводов. Результаты апробации показали адекватность предложенных в статье решений, которые могут быть в дальнейшем использованы для создания тренажеров, предназначенных для обучения операторов навыкам управления вертолетом соосной схемы на Марсе.

1. Любимов В. В., Бакри И. Управляемое изменение габаритных размеров спускаемого в атмосфере Марса космического аппарата осесимметричной формы // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 7. С. 383—390.

2. Ван Г., Фомичев А. В. Алгоритм планирования безопасного маршрута движения марсохода с учетом рельефа местности // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 11. С. 734—744.

3. Balaram J., Aung M., Golombek M. P. The Ingenuity helicopter on the Perseverance rover // Space Science Reviews. 2021. Vol. 217, N. 4. P. 1—11.

4. Pipenberg B., Keennon M., Tyler J., Langberg S., Hibbs B., Balaram J., Grip H., Pempejian J. Design and fabrication of the Mars helicopter rotor, airframe, and landing gear systems // AIAA SciTech Forum. San Diego. California. January 2019.

5. Wang F., Cui J., Chen B. M., Lee T. H. Flight dynamics modeling of coaxial rotorcraft UAVs. Handbook Unmanned Aerial Vehicles. Amsterdam, The Netherlands: Springer, 2015. P. 1217—1256.

6. Schafroth D. Aerodynamics, modeling and control of an autonomous micro helicopter. Ph.D. Thesis. ETH Zurich. 2010.

7. Dominguez V. H., Garcia-Salazar O., Amezquita-Brooks L., Reyes-Osorio L. A., Santana-Delgado C., Rojo-Rodriguez E. G. Micro coaxial drone: flight dynamics, simulation and ground testing // Aerospace. 2022. Vol. 9. P. 245.

8. Bermes C. Design and dynamic modeling of autonomous coaxial micro helicopters. Ph.D. Thesis. ETH Zurich. Switzerland. 2010.

9. Grip H. F., Scharf D. P., Malpica C., Johnson W., Mandic M., Singh G., Young L. Guidance and control for a Mars helicopter // Proc. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. Kissimmee. Florida. 2017.

10. Sparasci M. Nonlinear modeling and control of coaxial rotor UAVs with application to the Mars helicopter. Master’s Thesis. Politecnico di Milano University. Milan. Italy. 2022.

11. Insulander M. Development of a helicopter simulation for operator interface research // MSc Aeronautical Engineering. 2008. P. 1—39.

12. Balaram J., Canham T., Duncan C., Golombek M., Grip H. F., Johnson W., Maki J., Quon A., Stern R., Zhu D. Mars helicopter technology demonstrator // AIAA Science and Technology Forum and Exposition (AIAA SciTech). 2018.

13. Михайлюк М. В., Мальцев А. В, Тимохин П. Ю., Страшнов Е. В., Крючков Б. И., Усов В. М. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Пилотируемые полеты в космос. 2020. Т. 37, № 4. С. 72—95.

14. Дронг В. И., Дубинин В. В., Ильин М. М. и др. Курс теоретической механики: Учебник для вузов. Под общ. ред. К. С. Колесникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 736 с.

15. Leishman G. J. Principles of helicopter aerodynamics. Second edition. Cambridge university press, 2016. 866 p.

16. Ferguson K., Thomson D. Flight dynamics investigation of compound helicopter configurations // Journal of Aircraft. 2015. Vol. 52. P. 156—167.

17. Leishman J. G., Syal M. Figure of merit definition for coaxial rotors // Journal of the American Helicopter Society. 2008. Vol. 53, N. 3. P. 290—300.

18. Mettler B. Identification modeling and characteristics of miniature rotorcraft. Norwell: Kluwer, 2002.

19. Страшнов Е. В., Торгашев М. А. Моделирование динамики электроприводов виртуальных роботов в имитационно-тренажерных комплексах // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. Т. 17, № 11. С. 762—768.