Разработка информационно-измерительной и управляющей системы квадрокоптера

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.

1. Бондарев 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.pdf

2. Подрезов 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=J17785461

3. Джунипер А. Дроны. Полное практическое руководство: пер. с англ. М.: КоЛибри; 2019. 159 с. ISBN 978-5-389-15611-1

4. Гололобов В.Н., Ульянов В.И. Беспилотники для любознательных. СПб: Наука и Техника (НиТ); 2018. 249 с. ISBN 978-5-94387-878-7

5. 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.

6. Luukkonen T. Modelling and Control of Quadcopter. School of Science. Espoo; 2011. 26 p. URL: https://sal.aalto.fi/publications/pdf-files/eluu11_public.pdf

7. 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.

8. Чулин Н.А., Миронова И.В. Система управления беспилотным летательным аппаратом. Инженерный журнал: наука и инновации. 2018;9(81):1−11. https://doi.org/10.18698/2308-6033-2018-9-1802

9. Куликов Г.В., Тамбовский С.С. Оценка качества связи с БПЛА в условиях городской застройки. Вестник МГТУ МИРЭА. 2015;1(6):205−217.

10. Соловьев 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/10.23683/2311-3103-2018-3-102-112

11. 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/10.15507/2658-4123.029.201902.169-186

12. Высоцкий 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.pdf

13. Савицкий 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-2017-77

14. Павловский 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-2017-17

15. Красовский 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.

16. Савин 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.pdf

17. Гарипов В.К., Прокуратов И.И., Слепцов В.В. ИИУС электроприводов для автоматизированного производства. Саарбрюккен: Lap Lambert, Academic Publishing; 2014. 131 с.