Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами
Авторы: Шавин М.Ю.
Опубликовано в выпуске: #4(76)/2018
DOI: 10.18698/2308-6033-2018-4-1755
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Динамика, баллистика, управление движением летательных аппаратов
Исследована управляемая динамика беспилотного летательного аппарата c четырьмя поворотными роторами. От классической конструкции квадрокоптера рассматриваемая конструкция отличается дополнительными сервоприводами, которые могут изменять относительно корпуса направление осей роторов с пропеллерами. Построена модель динамики аппарата, состоящего из корпуса и четырех поворотных роторов. Движение центра масс этой системы определяется силами гравитации, аэродинамического сопротивления и тягой винтов. При описании вращательного движения учитываются аэродинамические моменты, действующие на пропеллеры, моменты со стороны приводов аппарата, которые вращают роторы и изменяют их направление, и моменты сил, возникающие вследствие тяги пропеллеров и действующие на корпус аппарата. Кинематика представлена в кватернионном описании. Синтезирован контур управления беспилотным летательным аппаратом, позволяющий независимо управлять ориентацией и положением квадрокоптера при наличии ограничений на управляющие воздействия. Для моделирования управляемой динамики аппарата использована среда MATLAB Simulink. Обратные связи в контуре управления реализованы посредством модели датчиков и расширенного фильтра Калмана. Работоспособность построенной модели проиллюстрирована с помощью численных экспериментов. Определена минимальная тяговооруженность аппарата, необходимая для совершения рассматриваемых маневров.
Литература
[1] Bouabdallah S., Noth A., Siegwart R. PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor. Proceedings of the IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Sendai, Japan, 2004, pp. 2451–2456.
[2] Bouabdallah S., Siegwart R. Full control of a quadrotor. IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2007, pp. 153–158.
[3] Mellinger D., Kumar V. Minimum snap trajectory generation and control for quadrotors. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA
[4] Andersson O., Wzorek M., Doherty P. Deep Learning Quadcopter Control via Risk-Aware Active Learning. AAAI, 2017, pp. 3812–3818.
[5] Adams S.M., Friedland C.J. A survey of unmanned aerial vehicle (UAV) usage for imagery collection in disaster research and management. 9th International Workshop on Remote Sensing for Disaster Response, January 2011, p. 8.
[6] Pudelko R., Stuczynski T., Borzecka-Walker M. The suitability of an unmanned aerial vehicle (UAV) for the evaluation of experimental fields and crops. Agriculture, 2012, no. 99 (4), pp. 431–436.
[7] Биард Р.У., МакЛэйн Т.У. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. Москва, Техносфера, 2015, 312 c.
[8] Ryll M., Bülthoff H. H., Giordano P.R. A novel overactuated quadrotor unmanned aerial vehicle: Modeling, control, and experimental validation. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2015, no. 23 (2), pp. 540–556.
[9] Hua M.-D., Hamel T., Samson C., Control of VTOL Vehicles with Thrust-direction Tilting. Proceedings of the 19th IFAC World Congress, August 2014, 9 p.
[10] Шольц Г., Троммер Г.Ф. Модельное управление квадрокоптерами с поворотными роторами. Гироскопия и навигация, 2015, № 4 (91), с. 131–146.
[11] Sridhar S., et al. Non-Linear Sliding Mode Control of a Tilting-Rotor Quadcopter. ASME 2017 Dynamic Systems and Control Conference, 2017, pp. V001T09A007–V001T09A007.
[12] Kumar R., et al. Tilting-Rotor Quadcopter for Aggressive Flight Maneuvers Using Differential Flatness Based Flight Controller. ASME 2017 Dynamic Systems and Control Conference, 2017, pp. V003T39A006–V003T39A006.