Preview

Мехатроника, автоматизация, управление

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Синтез системы управления квадрокоптером с поворотными роторами и наблюдение за подвижной целью

https://doi.org/10.17587/mau.20.629-639

Полный текст:

Аннотация

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.

Об авторах

М. Ю. Шавин
Московский физико-технический институт
Россия


Д. А. Притыкин
Сколковский институт науки и технологий
Россия
канд. физ.-мат. наук


Список литературы

1. Otero A. S., Chen A., Miller D. W., Hilstad M. SPHERES: Development of an ISS Laboratory for formation flight and docking research // Proceedings IEEE Aerospace Confe rence, Big Sky, MT, USA, 2002. P. 1—1.

2. Zulu A., John S. A Review of Control Algorithms for Autonomous Quadrotors // Open. Journal of Applied Sciences. 2014. N. 4. P. 547—556.

3. Шольц Г., Троммер Г. Ф. Модельное управление квадрокоптерами с поворотными роторами // Гироскопия и навигация. 2015. № 4 (91). C. 131—146.

4. Sridhar S., Kumar R., Cohen K., Kumar M. Fault Tolerance of a Reconfigurable Tilt-Rotor Quadcopter Using Sliding Mode Control // ASME 2018 Dynamic Systems and Control.

5. Морозов Ю. В. Экстренное управление квадрокоптером при отказе двух симметричных винтов // Автоматика и телемеханика. 2018. № 3. С. 92—110.

6. Ryll M., Bülthoff H. H., Giordano P. R. A novel overactua ted quadrotor unmanned aerial vehicle: Modeling, control, and experimental validation // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2015. 23 (2). P. 540—556.

7. Falconi R., Melchiorri C. Dynamic Model and Control of an OverActuated Quadrotor UAV // Proc. of the 10th IFAC Symposium on Robotic Control. 2012. P. 192—197.

8. Segui-Gasco P., Al-Rihani Y., Shin H. S., Savvaris A. A Novel Actuation Concept for a Multi Rotor UAV // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2014. Vol. 74, Iss. 1—2. P. 173—191.

9. Oosedo A. et al. Flight control systems of a quad tilt rotor unmanned aerial vehicle for a large attitude change // Robotics and Automation (ICRA). 2015 IEEE International Conference on. 2015. P. 2326—2331.

10. Mellinger D., Kumar V. Minimum snap trajectory generation and control for quadrotors // Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA ‘11). Shanghai, China, IEEE, May 2011. P. 2520—2525.

11. Sridhar S., Kumar R., Radmanesh M., Kumar M. NonLinear Sliding Mode Control of a Tilting-Rotor Quadcopter // ASME 2017 Dynamic Systems and Control Conference.

12. Kumar R., Nemati A., Kumar M., Sharma R., Cohen K., Cazaurang F. Tilting-Rotor Quadcopter for Aggressive Flight Maneuvers Using Differential Flatness Based Flight Controller // ASME 2017 Dynamic Systems and Control Conference.

13. Шавин М. Ю. Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. 76 (4).

14. Xsens North America Inc. Xsens MTi-7 module official page. URL: https://www.xsens.com/products/mti-7/ (дата обращения: 10.11.2018).

15. Шавин М., Притыкин Д. Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами: алгоритмы оценки состояния // Проблемы механики и управления: Матер. Междунар. Конф. (16—22 сентября 2018 г., г. Махачкала). М.: Издательство Московского университета, 2018. С 337—339.

16. Julier S. J., Uhlmann J. K., Durrant-Whyte H. F. A new approach for filtering nonlinear systems // In Proceedings of the American Control Conference. 1995. P. 1628—1632.

17. Julier S. J., Uhlmann J. K. Unscented filtering and nonlinear estimation // Proc. Of IEEE. 2004. N. 3. P. 401—422.

18. Куликова М. В., Куликов Г. Ю. Численные методы нелинейной фильтрации для обработки сигналов и измерений // Вычислительные технологии. 2016. Т. 21, № 4. С. 64—98.

19. Вержбицкий М. Основы численных методов. М.: Высшая школа, 2009. 840 с.

20. Feng Yanming, Jinling Wang. GPS RTK performance characteristics and analysis // Journal of Global Positioning Systems, 2008. Vol. 1. P. 1—8.

21. Андреев К. В., Рубинович Е. Я. Траекторное управление наблюдателем за мобильной целью по угломерной информации // Автоматика и телемеханика. 2016. № 1. С. 134—162.

22. Миллер Б. М., Степанян К. В., Попов А. К., Миллер А. Б. Навигация БПЛА на основе последовательностей изображений, регистрируемых бортовой видеокамерой // Автоматика и телемеханика. 2017. № 12. С. 141—154.


Для цитирования:


Шавин М.Ю., Притыкин Д.А. Синтез системы управления квадрокоптером с поворотными роторами и наблюдение за подвижной целью. Мехатроника, автоматизация, управление. 2019;20(10):629-639. https://doi.org/10.17587/mau.20.629-639

For citation:


Shavin M., Pritykin D. Tilt-Rotor Quadrotor Control System Design and Mobile Object Tracking. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019;20(10):629-639. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.20.629-639

Просмотров: 7


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)