mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2021-9-6-26-36mireabulletin-397Research ArticleРОБОТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ. ТЕХНОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯMULTIPLE ROBOTS (ROBOTIC CENTERS) AND SYSTEMS. REMOTE SENSING AND NON-DESTRUCTIVE TESTINGРазработка информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптераDevelopment of an information measuring and control system for a quadrocopterhttps://orcid.org/0000-0002-1003-8411СлепцовВ. В.SleptsovV. V.

Слепцов Владимир Владимирович, д.т.н., профессор, кафедра «Приборы и информационно-измерительные системы» Института комплексной безопасности и специального приборостроения

101990, Россия, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

Vladimir V. Sleptsov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Instruments, Information and Measurement Systems, Institute of Integrated Safety and Special Instrument Engineering

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 Russia

sleptsov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3824-0707АфонинВ. Л.AfoninV. L.

Афонин Вячеслав Леонидович, д.т.н., главный научный сотрудник

101990, Россия, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

Vyacheslav L. Afonin, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

4, Maly Kharitonyevsky pereulok, Moscow, 101990 Russia

afoninwl@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1767-5413АблаеваА. Е.AblaevaA. E.

Аблаева Анна Евгеньевна, старший преподаватель, кафедра «Приборы и информационно-измерительные системы» Института комплексной безопасности и специального приборостроения

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Anna E. Ablaeva, Senior Lecturer, Department of Instruments, Information and Measurement Systems, Institute of Integrated Safety and Special Instrument Engineering

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 Russia

ablaeva@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6153-4776ДиньБа ФыонгDinhBa Phuong

Динь Ба Фыонг, аспирант, кафедра «Приборы и информационно-измерительные системы» Института комплексной безопасности и специального приборостроения

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Dinh Ba Phuong, Postgraduate Student, Department of Instruments, Information and Measurement Systems, Institute of Integrated Safety and Special Instrument Engineering

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454 Russia

nhoht_ck49@yahoo.comМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationИнститут машиноведения им. А.А. Благонравова РАНРоссияMechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202102122021962636Copyright © Слепцов В.В., Афонин В.Л., Аблаева А.Е., Динь Б., 20212021Слепцов В.В., Афонин В.Л., Аблаева А.Е., Динь Б.Sleptsov V.V., Afonin V.L., Ablaeva A.E., Dinh B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/397

В статье рассмотрены вопросы синтеза и анализа информационно-измерительных и управляющих систем квадрокоптеров. Приведены основные датчики и модули, применяемые для определения параметров координат квадрокоптеров. Рассмотрены регулируемые по скорости электроприводы, применяемые для управления, и особенности их выбора. Приведены системы координат (неподвижная и подвижная) и кинематическая схема, в соответствии с которыми представлена система дифференциальных уравнений, описывающая динамику движения квадрокоптера и учитывающая предполагаемое плавное движение квадрокоптера с малыми углами крена и тангажа. Разработаны функциональная схема и математическая модель информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера (ИИУС КК) в виде структурной схемы, выполненные с учетом влияния запаздываний поступления информации с датчиков параметров квадрокоптера. Особенностью данной работы является учет конкретных характеристик элементов: регулируемых электроприводов (как постоянного, так и переменного тока), датчиков параметров (барометров, акселерометров, дальномеров и пр.). В работе исследован показательный алгоритм работы информационно-измерительной и управляющей систем квадрокоптера, определены тип и параметры регуляторов систем управления. Особое внимание уделено параметрам настройки для соответствующих контуров управления. Рассмотрено влияние указанных регуляторов информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера на эффекты взаимовлияния координат. Представлены результаты моделирования. Определено оптимальное количество контуров управления координатами информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера и оптимальный вид настроек для получения плавных переходных процессов (без перерегулирования) и исключения взаимовлияния координат на показатели качества.

The article deals with the issues of synthesis and analysis of information-measuring and control systems of quadrocopters. The main sensors and modules used to determine the parameters of the coordinates of quadrocopters are given. The speed-controlled electric drives used for control and the features of their choice are considered. The coordinate systems (fixed and mobile) and the kinematic scheme are given, according to which a system of differential equations is presented. The system describes the dynamics of the quadrocopter movement and takes into account the expected smooth movement of the quadrocopter with small roll and pitch angles. A functional scheme and a mathematical model of the information-measuring and control system of the quadrocopter in the form of a block diagram are developed taking into account the influence of delays in the receipt of information from the sensors of the quadrocopter parameters. A special feature of this work is to take into account the specific characteristics of the elements: adjustable electric drives (both direct and alternating current), parameter sensors (barometers, accelerometers, rangefinders, etc.). The paper studies an illustrative algorithm for the operation of the informationmeasuring and control system of the quadcopter. The type and parameters of the controllers of the quadrocopter control systems are determined. Special attention is paid to the settings for the control contours at the corresponding coordinates. The influence of the controllers of the coordinate control systems of the information-measuring and control systems of the quadrocopter on the effects of the interaction of coordinates is considered. The simulation results are presented. The optimal number of control loops for the coordinates of the information-measuring and control systems of the quadrocopter and the optimal type of settings for obtaining smooth transients (without overshoot) and for excluding the interaction of coordinates on quality indicators are determined.

квадрокоптеррегулируемый электроприводдатчики параметровоптимум по модулюquadrocopteradjustable electric driveparameter sensorsoptimum modulusReferencesБондарев А.Н., Киричек Р.В. Обзор беспилотных летательных аппаратов общего пользования и регулирования воздушного движения БПЛА в разных странах. Информационные технологии и телекоммуникации. 2016;4(4):13−23. URL: https://www.sut.ru/doci/nauka/review/20164/13-23.pdfBondarev A.N., Kirichek R.V. Overview of unmanned aerial apparatus for general use and regulation of air UAV movement in different countries. Informatsionnye tekhnologii i telekommunikatsii = Telecom IT. 2016;4(4):13−23 (in Russ.). Available from URL: https://www.sut.ru/doci/nauka/review/20164/13-23.pdfПодрезов Ю.В. Особенности применения беспилотных летательных аппаратов для мониторинга чрезвычайных лесопожарных ситуаций. Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2019;3:64−72. URL: http://lamb.viniti.ru/sid2/sid2free?sid2=J17785461Podrezov Yu.V. Features of the use of unmanned aerial vehicles to monitor the forest fire emergency situations. Problemy bezopasnosti i chrezvychainykh situatsii = Safety and Emergencies Problems. 2019;3:64−72 (in Russ.). Available from URL: http://lamb.viniti.ru/sid2/sid2free?sid2=J17785461Джунипер А. Дроны. Полное практическое руководство: пер. с англ. М.: КоЛибри; 2019. 159 с. ISBN 978-5-389-15611-1Juniper A. The Complete Guide to Drones: Whatever your budget - Build + Choose + Fly + Photograph. New York: Wellfleet Press; 2016. 144 p.Гололобов В.Н., Ульянов В.И. Беспилотники для любознательных. СПб: Наука и Техника (НиТ); 2018. 249 с. ISBN 978-5-94387-878-7[Juniper A. Drones. Complete practical guide. Moscow: KoLibri; 2019. 159 p. (in Russ.). ISBN 978-5-389-15611-1]Ющенко А.С., Лебедев К.Р., Забихафар С.Х. Система управления квадрокоптером на основе адаптивной нейронной сети. Наука и Образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017;7:262−267.Gololobov V.N., Ul’yanov V.I. Bespilotniki dlya lyuboznatel’nykh (Drones for the curious). SaintPetersburg: Nauka i Tekhnika (NiT); 2018. 249 p. (in Russ.). ISBN 978-5-94387-878-7Luukkonen T. Modelling and Control of Quadcopter. School of Science. Espoo; 2011. 26 p. URL: https://sal.aalto.fi/publications/pdf-files/eluu11_public.pdfYushenko A.S., Lebedev K.R., Zabihafar S.H. The adaptive neural network control of quadrotor helicopter. Nauka i Obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana. = Science & Education. Scientific Education of Bauman MSTU. 2017;7:262−267 (in Russ.).Рокачевский О.А., Слепцов В.В., Аблаева А.Е., Динь Ба Фыонг. Синтез контура управления координатой высоты информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера. Научно-технический вестник Поволжья. 2021;1:38−43.Luukkonen T. Modelling and Control of Quadcopter. School of Science. Espoo; 2011. 26 p. Available from URL: https://sal.aalto.fi/publications/pdf-files/eluu11_public.pdfЧулин Н.А., Миронова И.В. Система управления беспилотным летательным аппаратом. Инженерный журнал: наука и инновации. 2018;9(81):1−11. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2018-9-1802Rokachevsky O.A., Sleptsov V.V., Ablaeva A.E., Dinh Ba Phuong. Synthesis of the height coordinate control loop of the information-measuring and control system of the quadrocopter. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh’ya. = Scientific and Technical Volga Region Bulletin. 2021;1:38−43 (in Russ.).Куликов Г.В., Тамбовский С.С. Оценка качества связи с БПЛА в условиях городской застройки. Вестник МГТУ МИРЭА. 2015;1(6):205−217.Chulin N.A., Mironova I.V. Control system of unmanned aerial vehicle. Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii = Engineering J: Science and Innovation. 2018;9(81):1−11 (in Russ.). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2018-9-1802Соловьев В.В., Финаев В.И., Шадрина В.В., Пушкина И.В. Навигация для обеспечения коммуникаций в группе подвижных объектов. Известия ЮФУ. Технические науки. 2018;3(197):102−112. https://doi.org/10.23683/2311-3103-2018-3-102-112Kulikov G.V., Tambovsky S.S. Assessment of the quality of communication with the UAV in urban terrain. Vestnik MGTU MIREA = Herald of MSTU MIREA. 2015;1(6):205−217 (in Russ.).Чугунов М.В., Полунина И.Н., Попков М.А. Проектирование квадрокоптера на базе интегрированной модельной среды. Инженерные технологии и системы. 2019;29(2):169−186. https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201902.169-186Solov’ev V.V., Finaev V.I., Shadrina V.V., Pushkina I.V. Navigation for communication in a group of vehicles. Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki = Izvestiya SFedU. Engineering Sciences. 2018;3(197):102−111 (in Russ.). https://doi.org/10.23683/2311-3103-2018-3-102-112Высоцкий В.Е., Воронин С.М., Горшков Р.Г. Имитационное моделирование электромагнитных и электромеханических процессов вентильного двигателя. Вестник ИГЭУ. 2011;1:54−57. URL: http://vestnik.ispu.ru/sites/vestnik.ispu.ru/files/publications/54-57_2.pdfChugunov M.V., Polunina I.N., Popkov M.A. The quadrocopter design based on integrated model environment. Inzhenernye tekhnologii i sistemy = Engineering technologies and systems. 2019;29(2):169−186 (in Russ.). https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201902.169-186Савицкий А.В., Павловский В.Е. Модель квадрокоптера и нейросетевой алгоритм управления. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2017;77. 20 с. https://doi.org/10.20948/prepr-2017-77Vysocky V.E., Voronin S.M., Gorshkov R.G. Simulation of electromagnetic and electromechanical processes of thyratron motor. Vestnik IGEU = Vestnik of Ivanovo Power Engineering Institute. 2011;1:54−57 (in Russ.). Available from URL: http://vestnik.ispu.ru/sites/vestnik.ispu.ru/files/publications/54-57_2.pdfПавловский В.Е., Савицкий А.В. Исследование обратной задачи для вычисления управляющих воздействий для квадрокоптера. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2017;17. 19 с. http://doi.org/10.20948/prepr-2017-17Savickij A.V., Pavlovsky V.E. Model of quadrocopter and algorithm of vehicle control based on neural network. Preprinty IPM im. M.V. Keldysha = Keldysh Institute Preprints. 2017;77. 20 p. (in Russ.). https://doi.org/10.20948/prepr-2017-77Красовский А.Н., Суслова О.А. Об оптимальном управлении движением дрона-квадрокоптера по критерию качества затрат энергии. Успехи современной науки и образования. 2017;4(3):193−197.Pavlovske V.E., Savickij A.V. The solving of the inverse problem for computation control action for quadrocopter. Preprinty IPM im. M.V. Keldysha = Keldysh Institute Preprints. 2017;17. 19 p. (in Russ.). http://doi.org/10.20948/prepr-2017-17Савин С.И., Ворочаева Л.Ю., Савин А.И. Метод генерации оптимальных траекторий квадрокоптера посредством выпуклого программирования. Вестник ВГТУ. 2018;14(5):54−63. URL: https://cchgeu.ru/science/nauchnye-izdaniya/vestnik-voronezhskogogosudarstvennogo-tekhnicheskogo-universiteta-/bulletin-of-voronezh-state-technical-university/theissues-of-the-journal-the-bulletin-of-voronezh-statetechnical-university/14_5.pdfKrasovskij A.N., Suslova O.A. On the optimal control of the movement of a drone - quadrocopter by the criterion of the quality of energy consumption. Uspekhi sovremennoi nauki i obrazovaniya = Achievements of modern science and education. 2017;4(3):193−197 (in Russ.).Гарипов В.К., Прокуратов И.И., Слепцов В.В. ИИУС электроприводов для автоматизированного производства. Саарбрюккен: Lap Lambert, Academic Publishing; 2014. 131 с.Savin S.I., Vorochaeva L.Yu., Savin A.I. Optimal trajectory generation for a quadrotor using convex programming. Vestnik VGTU = The Bulletin of Voronezh State Technical University. 2018;14(5):54−63 (in Russ.). Available from URL: https://cchgeu.ru/science/nauchnye-izdaniya/vestnik-voronezhskogogosudarstvennogo-tekhnicheskogo-universiteta-/bulletin-ofvoronezh-state-technical-university/the-issues-of-the-journalthe-bulletin-of-voronezh-state-technical-university/14_5.pdfGaripov V.K., Prokuratov I.I., Sleptsov V.V. IIUS elektroprivodov dlya avtomatizirovannogo proizvodstva (Information-Measuring and Control Systems of Electric Drives for Automated Production). Saarbrucken: Lap Lambert, Academic Publishing; 2014. 131 p. (in Russ.).Garipov V.K., Prokuratov I.I., Sleptsov V.V. IIUS elektroprivodov dlya avtomatizirovannogo proizvodstva (Information-Measuring and Control Systems of Electric Drives for Automated Production). Saarbrucken: Lap Lambert, Academic Publishing; 2014. 131 p. (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.