Динамика неустановившихся режимов пространственного движения робота-квадрокоптера по заданной траектории тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат наук Попов, Николай Иванович

• Попов, Николай Иванович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Попов, Николай Иванович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Различные типы летающих роботов

1.2. Описание конструктивных схем многороторных систем

1.3. Описание систем управления летающих роботов

1.4. Математические методы расчета движения летающих роботов

1.5 Цель и задачи диссертации

Глава 2. Математическое моделирование управляемого движения квадрокоптера

2.1 Кинематика квадрокоптера

2.2 Математическая модель квадрокоптера

2.3 Описание работы винта квадрокоптера

2.3.1 Математическое моделирование движения винта

2.4 Математическое моделирование взлета квадрокоптера

2.4.1 Алгоритм системы управления квадрокоптером

2.5 Выводы по главе 2

ГлаваЗ. Исследование различных режимов движения коптера

3.1 Исследование колебаний коптера при различных алгоритмах управляющих воздействий

3.2 Исследование колебаний квадрокоптера относительно продольной оси

3.3 Исследование колебаний коптера при использовании нелинейного логического алгоритма формирования корректирующих моментов

3.4 Исследование колебаний навесного оборудования

3.5 Выводы по главе 3

Глава4. Исследование поведения коптера в основных режимах движения

4.1 Экспериментальные исследования тяговых возможностей винтов, приводимых в движение безколлекторными электродвигателями

4.2 Определение управляющих токов в обмотках электропривода пропеллера квадрокоптера, создаваемых управляющим напряжением

4.3 Описание экспериментального стенда для изучения закономерностей движения квадрокоптера

4.4 Структурная схема САУ электропривода

4.4.1 Регулятор оборотов двигателя

4.4.2 Аккумуляторные батареи

4.5 Применение квадрокоптера для автоматического мониторинга опор высоковольтных линий электропередач

4.6 Исследование процесса мониторинга квадрокоптером опоры линий электропередач

4.7 Выводы по главе 4

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Библиографический список

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика неустановившихся режимов пространственного движения робота-квадрокоптера по заданной траектории»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в мире интенсивно расширяется область использования мобильных роботов. Для успешного выполнения обширных задач мониторинга окружающей среды и чрезвычайных ситуаций роботы должны обладать высокой маневренностью, быстродействием и точностью движения по заданным траекториям. В последние годы получает развитие новый класс небольших мультироторных аппаратов, способных нести диагностическую и информационную фото- или видеоаппаратуру. Мультикоптеры обладают рядом достоинств, таких, как простота и надежность конструкции и схемы стабилизации, а также малая масса при существенной массе полезной нагрузки, компактность и маневренность. Особенно эффективным, является применение коптеров в режимах автономного полета. Теория управляемого движения многороторных роботов основывается на работах многих отечественных исследователей, в том числе отечественных ученых: С.А.,Белоконь, Ю.Н.,Золотухин, A.C. Мальцев, A.A. Нестеров, М.Н. Филлипов (Институт автоматики электрометрии СО РАН), П. А. Гриценко, А.Б.Бушу ев, Ю.В.Литвинов, Г.М.Шмигальский (НИУ ИТМО), A.C. Панов, С.П. Чашников (МГТУ им. Баумана), а также и зарубежных ученых: G. Bastin, G. Campion, С. Canudas de Wit, W. Dixon, Y.H. Fung, A., Isidori Hoffmann, N.Goddemeier, T.Bertram, Tommaso Bresciani и др. В то же время вопросы динамики нестационарных режимов движения робота при внешних воздействиях, быстрого взлета, разгона и выхода на заданный уровень высоты и скорости изучены недостаточно. Особый интерес представляет изучение поведения навесного оборудования, предназначенного для мониторинга окружающей среды. Именно здесь скрываются резервы повышения эффективности и быстродействия роботов.

Поэтому исследования посвященные дальнейшему

совершенствованию роботов-мультикоптеров на основе методов математического моделирования нестационарных режимов движения и навесного оборудования являются актуальными.

Объектом исследования является робот-квадрокоптер с четырьмя вращающимися винтами, оснащенный системой управления и средствами стабилизации динамических режимов, а также установленным на упруго-вязком подвесе навесным оборудованием.

Предметом исследования являются динамические процессы, протекающие в многозвенной электромеханической системе в нестационарных режимах движения.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание научных основ и инструментальных средств проектирования квадрокоптера и подвеса навесного оборудования в нестационарных режимах движения при наличии возмущающей ветровой нагрузки.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались различные разделы теоретической механики, теории механизмов и машин, методы математического моделирования динамических систем. При создании программных продуктов использованы математические пакеты МаЛСАЭ, МаИаЬ/81шиНпк, ЭоНёХУогкз.

Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе математического аппарата теоретической механики, а также методов экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований полностью согласуются с теоретическими результатами.

Научная новизна работы заключается в разработке -математических моделей, описывающих динамику управляемого движения мобильного робота при движении по заданным траекториям, с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов

формирования управляющих напряжений и внешних периодических воздействий.

-выявлении резонансных эффектов возникающих, при использовании пропорционального регулятора в режиме зависания коптера и установлении высокочастотных колебаний при использовании нелинейного логического алгоритма управления.

-научном обосновании методики определения кинематических и динамических параметров, обеспечивающих заданные режимы движения робота по траектории.

-разработке математической модели движения навесного оборудования, установленного на упруго-вязком подвесе и научном обосновании выбора параметров упруго-вязкого подвеса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель робота при движении по заданным траекториям, с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов формирования управляющих воздействий, и действия ветровой нагрузки.

2. Математическая модель колебаний навесного оборудования с учетом свойств упруго-вязкой подвески навесного оборудования.

3. Зависимость вертикальной координаты от времени взлета с учетом динамических параметров привода, обеспечивающая автономный выход робота на заданную высоту с нулевой вертикальной скоростью, что повышает быстродействие робота по сравнению с традиционным неуправляемым пуском.

4. Зависимости амплитуды колебаний корпуса квадрокоптера от частоты внешнего возмущающего воздействия в режиме зависания, позволившие выявить область параметров пропорционального и логического нелинейного регуляторов, обеспечивающие значительное снижение амплитуды отклонения корпуса от заданного положения при наличии периодического внешнего воздействия.

4. Математическая модель движения навесного оборудования с учетом упруго-вязкой подвески навесного оборудования, позволяющая установить область рациональных параметров подвески.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 83 наименования. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста.

Практическая ценность работы состоит в разработке инструментальных средств проектирования квадрокоптера, оснащенного навесным оборудованием и создание экспериментального образца, управляемого системой автономного автоматического управления на основе разработанных в работе алгоритмов управления движением робота в режимах зависания, взлета и посадки. Образец робота может быть использован для проведения экспериментальных исследований в рамках решения задач мониторинга. Созданные методики расчета и инструментальные средства проектирования квадрокоптеров могут применяться при проектировании сервисных роботов, роботов для работы в условиях чрезвычайных ситуаций, а также могут применяться в учебном процессе. Результаты проведенных в работе исследований использованы при выполнении гранта РФФИ №08-08-00438-а, рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на вузовских научных конференциях студентов и аспирантов в области научных исследований на кафедре теоретической механики и мехатроники (г. Курск, 2013, 2014), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий стихийных бедствий» (г. Воронеж, 2013), II всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Воронеж, 2013), VIII Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки» (Москва, 2013), XIV Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии (АКТ-2013)» (Воронеж, 2013), на «Академических Жуковских чтениях» (г. Воронеж, 2013), на семинаре кафедры мехатроники и международного инжиниринга Госуниверситет - УНПК (г. Орел, 2014).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ в том числе: 7статей (из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ), 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

Во введении обоснована актуальность темы, формулируется цель и задачи исследования.

В первой главе рассмотрены различные типы мультироторных роботов, приведена структура исполнительных систем роботов, проведен анализ существующих математических моделей модулей мультироторных роботов, выявлены проблемы, сдерживающие дальнейшее развитие квадрокоптеров. Сформулированы актуальность темы исследований, решаемая проблема, цели и задачи диссертации.

Во второй главе описана математическая модель движения квадрокоптера с неизменяемыми векторами тяги с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов формирования управляющих напряжений, гироскопических моментов вращающихся роторов (винтов) и внешних периодических возмущений.

В третьей главе представлены результаты исследования различных режимов движения коптера, выполненные на основе разработанной ранее математической модели движения робота по заданной траектории. Сформулированы условия стабилизации положения коптера для ПИД-регулятора и для нелинейного логического регулятора при наличии, как внешних периодических возмущающих воздействий, так и без них, описан режим взлета робота из нулевых начальных условий, полета по горизонтальной плоскости, посадки и предложен алгоритм управления автономным полетом робота.

В четвертой главе построена математическая модель робота с четырьмя электроприводами, с учетом кинематики вращательного движения, алгоритмов формирования управляющих напряжений, внешнего периодического воздействия, проведено моделирование движения робота по винтообразной пространственной траектории. Определены требования, и обосновывается структура системы слежения за траекторией.

Разработана методика экспериментальных исследований, выполненных на базе экспериментального летающего робота. Описываются основные

блоки его структуры, строится система автоматического управления, формулируются принципы и разрабатывается система локальной навигации. Разработана математическая модель упругого элемента в подвеске навесного оборудования. Изучено напряженно-деформированное состояние и определена величина деформации трехкоординатного упругого элемента, как в статических, так и динамических условиях.

В заключении приведены основные результаты диссертации, полученные в результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В последние годы началось развитие нового класса небольших беспилотных мультиротационных летательных аппаратов, способных нести информационную полезную нагрузку - фото- или видеоаппаратуру. Мультикоптеры обладают рядом достоинств, в первую очередь маневренностью, а также простотой и надежностью конструкции и схемы стабилизации. Имеют малую взлетная массу при существенной массе полезной нагрузки и компактность [6,7,8,9].

Типичный мультикоптер - это дистанционно-управляемый или автономный мультиротационный с тремя (трикоптер), четырьмя (квадрокоптер), шестью (гексокоптер), восемью (октокоптер) или, реже, двенадцатью электродвигателями с винтами. Причем, винтов может быть по одному на двигатель или коаксиально по два [6,10,11,28,39].

Общим для всех аппаратов данного класса является, принцип полета. Центральная часть мультикоптера - корпус (фюзеляж) служит для размещения оборудования, нагрузки и батареи. Радиально от центра на балках устанавливаются электродвигатели с несущими винтами, образуя звездообразную компоновку всего аппарата. Такая симметричная компоновка, тем не менее, предполагает наличие передней и задней частей, относительно которых сориентировано направление движения [56,57,61,68].

При движении мультикоптер поддерживает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать, перемещаться в стороны, вверх и вниз. При наличии дополнительного оборудования есть возможность осуществлять полу автономные и автономные полеты. Для компенсации возникающего момента, т.е. исключения вращения корпуса, у квадрокоптера, например, передний и задний винты вращаются по часовой стрелке, а левый и правый - против часовой стрелки. Для начала движения квадрокоптер

выводится из состояния баланса (висения) путем увеличения скорости вращения (тяги) части винтов. В результате квадрокоптер наклоняется и движется в нужном направлении. Для поворота квадрокоптера вокруг своей оси по часовой стрелке, передний и задний винты ускоряют вращение, а левый и правый - замедляют. Аналогично - при повороте против часовой стрелки [14,61,62,74].

Основные режимы движения обеспечивает контроллер, используя данные от нескольких датчиков, и стабилизирует аппарат в воздухе в горизонтальном положении путем подачи управляющих сигналов двигателям. Контроллер работает по специальной программе, вычисляет скорость для каждого винта, компенсирует внешние воздействия ветра. Управление аппаратами осуществляется разнообразными способами - от традиционного управления по радиоканалу (посредством передатчика и радиоприемника) до, например, по Wi-Fi через iPhone с использованием датчика положения. Дополнительно аппарат может комплектоваться платой навигации, GPS-приемником, компасом и др. оборудованием [17,18, 19, 20].

Наиболее стабильное движение обеспечивают относительно тяжелые аппараты с большим числом винтов (например, гексакоптер), они обладают лучшей устойчивостью к ветру и приемлемой грузоподъемность. Для повышения грузоподъемности лучше подходят октокоптеры, но они имеют большие габариты и массу. Аппараты с коаксиальной винтомоторной группой, в отличие от обычных (один мотор на один винт), не полностью используют энергию двигателей. И главная проблема - это малое время полета - быстро иссякает запас электроэнергии аккумуляторов. Оптимальным вариантом считается 4- х винтовая схема. Робот с шестью и более двигателями требует более сложной системы управления и увеличения веса, что сокращает время в полете до нескольких минут, но при этом возрастает грузоподъемность [38,41,47,56,57].

1.1. Различные типы летающих роботов

Большую популярность мультикоптерам принесла компания HiSystems GmbH, которая создала ряд востребованных рынком образцов.

Наиболее продвинутыми аппаратами являются HexaKopter (МК-Неха) и OktoKopter (MK-Okto). Эти и другие аппараты представляют единую масштабируемую модульную систему, которая получила, собирательное название Mikrokopter. С помощью поставляемого оборудования и программного обеспечения можно строить летающие роботы с числом двигателей от 4 до 12.

К этому же предлагается широкий спектр компонентов, таких как GPS навигация, компас, телеметрия, высотомер, двигатели, аккумуляторы и т.д. В зависимости от комплектации (4-12 моторов), нагрузка аппарата может составлять 0,250 - 1 кг при взлетной массе 0,65 - 1,7 кг. Время полета - от 15 до 40 мин, высота - до 350 м. Аппараты оборудованы стабилизированным подвесом для легкой камеры. Передача информации и изображения осуществляется по беспроводной линии связи (рис 1.1).

Рис. 1.1 OktoKopter. Изображение может передаваться на специальные

видеоочки

Microdrones GmbH - немецкая фирма, предлагающая несколько надежных мультикоптеров. Компания основана в 2005 году и является ведущим разработчиком мультикоптеров в мире. В настоящее время актуальны две ее модели: MD4-200 и MD4-1000.

Первым аппаратом фирмы, разработанным в 2006 году, стал MD4-200. Он добился больших успехов на европейском рынке, где к середине 2009 года их было продано более 500 единиц.

Квадрокоптер MD4-200 определяется разработчиками как автономный аппарат микро-класса. Конструкция выполнена полностью из углепластиков, что снижает вес и придает высокую надежность, а также является совершенным щитом от электромагнитных помех.

Система управления и стабилизации основывается на информации от акселерометров, гироскопов, магнитометра, датчиков воздушного давления, влажности и температуры.

Дополнительный приемник GPS участвует в определении положения и автономной навигации. Полетная информация пишется на бортовой самописец (MicroSD карты) и позволяет проводить послеполетный анализ, на базовую станцию передается информация о состоянии батареи, высоте полета, положении, времени полета, кроме того для лучшего управления внедрена аудиосистема оповещения. При низком заряде батареи или отсутствии радиосигнала включается режим обеспечения безопасной автономной посадки. Аппарат может нести видео-, фото- или ИК-камеру на стабилизированном подвесе. В зависимости от полезной нагрузки, температуры и ветра время полета достигает 20 минут. Полетная масса составляет чуть менее килограмма, а масса нагрузки - 200 грамм. Радиус действия - до полукилометра, высота полета - до 150 метров.

Рис. 1.2. Квадрокоптер компании Microdrones GmbH

Аппарат MD4-1000 - более тяжелый автономный мультикоптер (рис 1.2.), предназначенный для выполнения задач в области мониторинга, координации действий, разведки, геодезии, связи и контроля. Обладает модульной концепцией установки полезной нагрузки, которая может состоять из самых разнообразных фото-, видео- и прочих сенсорных систем. Летные характеристики в основном схожи с младшей моделью MD4-200, но по сравнению с ней MD4-1000 обладает полетной массой в пять с половиной килограмм и несет в пять раз большую полезную нагрузку (0,8 кг и более), в состоянии летать быстрее, выше и дальше, а также в течение более продолжительного промежутка времени (до 70 мин.). Как сообщают производители, в виду малой визуальной и акустической заметности аппарат особенно подойдет для полицейских операций, а также военных и пожарных подразделений.

В феврале 2010 года опубликованы данные об использовании квадрокоптера AirRobot AR 100В в полиции графства Мерсисайд на западе Англии (рис 1.3). Будучи оснащенным системой видеонаблюдения и тепловизионной камерой, он помог сотрудникам полиции разыскать

подозреваемого автомобильного вора в густом тумане. Аппараты могут быть использованы для различных целей, от серьезных инцидентов с огнестрельным оружием и заложниками, до контроля больших общественных мероприятий и футбольных матчей. Другой аппарат разработан компанией А1гЯоЬо1 1ЛС, которая является частью организации А1г11оЬо1 с офисами в Дортмунде и Нью-Йорке. АкЯоЬо! 1ЛС официально ранее была известна как КоШгсашБ, объединившей позже свои силы с А1гЯоЬо1. Технология аппарата первоначально была предназначена для военной разведки. Он практически бесшумный и может работать с видеокамерой и системой ночного видения с передачей изображения в реальном времени. Благодаря малой массе и размерам он обслуживается один человеком. Аппарат пригодится для пожарно-спасательных служб при контролировании ситуаций в опасных условиях. У компании уже есть опыт применения АЮООВ для военных целей. Как сообщается, «большое количество систем развернуто в военных операциях в различных частях мира». Квадрокоптер способен работать в течение 20 минут в радиусе 600 метров. Его масса составляет полукилограмма, а масса целевой нагрузки - до 200 грамм.

Рис. 1.3. АкЯоЬо! на службе британской полиции

Фирма Draganfly Innovations Inc ведет разработку, производство и поставку квадрокоптеров. К настоящему времени более восьми тысяч мультикоптеров Draganfly продано по всему миру. Эти аппараты выполняют различные операции, включая поисково-спасательные, осмотр строительных площадок, воздушное наблюдение, видеосъемку для музыкальных видеоклипов и фотографирование для рекламы и агентств недвижимости. Самой доступной моделью является Draganflyer Х4 - стабильная и надежная квадро-платформа для получения воздушной фотосъемки и видео с низкими затратами. Аппарат обладает грузоподъемностью 250 грамм. Для образовательных и исследовательских проектов служит аппарат Draganflyer Е4 с такой же конструкцией и грузоподъемностью. Он идеально подходит для колледжей, университетов и других учреждений. Для этого есть доступ к его телеметрии, процессу управления полетом.

В отличие от них, коаксиальный трикоптер с 6 винтами Draganflyer Х6 классифицируется в категории разведывательных БЛА. Грузоподъемность Х6 в 2 раза выше, чем у Х4 и Е4, он снабжен GPS, что делает его пригодным для профессиональной аэрофотосъемки и видеосъемка. Выполнен из углеродного волокна, корпус складной, возможен выбор из пяти типов полезной нагрузки. Существует опыт применения аппарата Draganflyer Х6 в округе Meca штата Колорадо в службе шерифа. Draganfly Х6 успешно эксплуатируют для получения фотографий и видео с мест преступлений и других действий. Для сопровождения собственных исследований аппарат приобрели такие известные организации, как Boeing, Raytheon, Lockheed Martin, ONERA, Honeywell и NASA.

Draganflyer X8 - самый крупный квадрокоптер в линейке имеет схему с восемью винтами (четыре коаксиальных пары). Его грузоподъемность около 1 кг. Преимуществом аппарата является складная рама, которая выполнена из углеродного волокна. В управлении задействованы одиннадцать датчиков -три гироскопа, три акселерометра, три магнитометра, барометрический датчик, GPS-приемник. Аппарат поставляется с набором для установки

профессиональных камер, имеет низкую акустическую заметность и является эффективным средством сбора доказательств для полиции, операций по наблюдению, а также проведения экологических исследований.

Для мониторинга бурильных установок в открытом море австралийской компанией Cyber Technology Pty Ltd. создан квадрокоптер Cyber Quad (рис 1.4). Он комплектуется ТВ-камерой высокого разрешения, ИК-камерой и газоанализаторами. Аппарат разработан в двух габаритных вариантах - CyberQuad MINI и CyberQuad MAXI и имеет следующие характеристики, соответственно: время полета - 25 и 35 минут, масса полезной нагрузки - 500 и 800 грамм, максимальная скорость - 50 и 60 км/ч, радиус и высота полета - один километр. Кроме мониторинга буровых установок, квадрокоптер может применяться в скорой помощи, правоохранительной и военной сферах, охране окружающей среды, сельскохозяйственных работах и т.д.

Рис. 1.4. Квадрокоптер Cyber Quad

Французская компания Maximus-Racing предлагает более десятка продвинутых мультиротационных аппаратов (от 3-х до 6-ти роторов), среди

которых можно выделить БЛА Х650 Xaircraft и X4-FLYER. Их производство уже ставится на поток. Они поставляются в кит-версиях с набором стабилизированных модулей крепления полезной нагрузки (фото- или ТВ-камера), запасных деталей и оснастки для ремонта. Аппарат Xaircraft с диаметром несущей части чуть менее метра и массой около полутора килограмм снабжен 13-ю датчиками, определяющими положение, высоту, температуру и параметры запаса электроэнергии. Аппарат X4-FLYER имеет поперечный размер тоже менее метра, массу, в зависимости от выбранного двигателя, - от килограмма, грузоподъемность - от 300 грамм, скорость полета - 10 м/с. Это масштабируемая платформа, настраиваемая в соответствии с потребностями и задачами заказчика. Программа полета может меняться в режиме реального времени по сигналу с наземной станции. X4-Flyer может поставляться с полностью автономной системой взлета, посадки и управления полетом при использовании специального блока BrainyBee.

Инженеры Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ЕТН Zürich) разработали проект квадрокоптера PixHawk Cheetah (рис 1.5). Этот робот использует компьютерное зрение в составе двух или четырех камер для того, чтобы самостоятельно без команд извне следовать определенному направлению. Для навигации удается отслеживать только специальную маркировку на поверхности. С усовершенствованием системы компьютерного зрения, станет возможным совершать полеты практически самостоятельно на основе техники распознавания образов. Cheetah имеет полетную массу около одного килограмма. На борту установлены и используются для навигации гироскоп, магнитометр, барометр, ИК-высотомер, а также GPS приемник. Связь возможна по каналу Wi-Fi.

Рис. 1.5. Квадрокоптер PixHawk Cheetah

Мультикоптеры привлекательны своей универсальностью, экономичностью и простотой. Это тип аппаратов в ближайшем будущем может потеснить на рынке традиционные схемы. Подобные аппараты, найдут применение в подразделениях правоохранительных органов, спецназа, Г500И, прокуратуры и МЧС, а также станут инструментом для средств массовой информации, фото-киноиндустрии и т.п.

Рассмотрим еще один квадрокоптер Phantom американской компании DJI , который по устойчивости и стабильности движения сравним с квадрокоптерами профессионального класса. Стабильность полета обеспечивают полетный контроллер DJI Naza М и встроенный датчик GPS (рис 1.6). Собрана модель в прочном пластиковом корпусе, внутри которого размещены регуляторы оборотов электромоторов, курсовые светодиоды, регулятор бортового напряжения, Li-Po аккумулятор и контрольный светодиод.

Рис. 1.6 Общий вид квадрокоптера Phantom

В тоже время такой аппарат как DJI Phantom имеет следующие технические характеристики:

класс квадрокоптера: 350 (350 мм - расстояние по диагонали от ротора к ротору);

время полета с одним аккумулятором: 10-15 минут; максимальная вертикальная скорость: 6 м/с; максимальная горизонтальная скорость: 10 м/с; гарантированная дальность управления: 300 м; угол крена: 45 градусов;

точность зависания на точке: +/- 0.8 м по высоте; +/- 2.5 м в горизонтальной плоскости;

режим автоматической посадки при падении напряжения на аккумуляторе.

Анализ данных показывает, что для дальнейшего повышения эффективности мультикоптеров необходимо увеличить время полета с одним аккумулятором, увеличить максимальную вертикальную, горизонтальную скорость. Для выполнения задач мониторинга окружающей среды, важно, повысить точность зависания коптера при действии ветровой нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попов, Николай Иванович, 2014 год

Библиографический список

1. A. Bemporad, С.A. Pascucci, and С. Rocchi. Hierarchical and hybrid model predictive control of quadcopter air vehicles. In 3rd IF AC Conference on Analysis and Design of Hybrid Systems, Zaragoza, Spain, 2009.

2. A. Benallegue V. Mister and N. K. M'Sirdi. Exact linearization and noninteracting control of a 4 rotors helicopter via dynamic feedback. IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication, p. 586-593,2001.

3. A. Mokhtari and A. Benallegue and B. Daachi, robust feedback linearization and GH сю controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle, Journal of Electrical Engineering, Vol.57, N.l,pp 20-27, 2006.

4. A. Mokhtari and A. Benallegue. Dynamic feedback controller of euler angles and wind parameters estimation for a quadrotor unmanned aerial vehicle. Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation,p. 2359 - 2366, 2004.

5. A. Tayebi and S. McGilvray, "Attitude stabilization of a four-rotor aerial robot," 43rd IEEE Conference on Decision and Control, vol. 2, pp. 1216— 1221, 2004.

6. Aerial Vehicle Speed Estimation Via Nonlinear Adaptive Observers, American Control Conference, New York City,US A, July 11-13, 2007.

7. Aerospaceweb. http://www.aerospaceweb.org. 6.1, C.2

8. Bouabdallah, S., Murrieri, P., & Siegwart, R. Design and control of an indoor micro quadrotor. In Proc. IEEE Int. conf. on rob. and automat., Vol. 5, New Orleans, USA (pp. 4393_4398) ,(2004).

9. C. Coza and C. J. B. Macnab. A new robust adaptive-fuzzy control method applied to quadrotor helicopter stabilization. 2006.

1 O.Carlo Alberto Pascucci. Design, Construction and Model Predictive Control of a Quadrocopter Autonomous Aerial Vehicle, September 2010. p. 30-33.

11. Castillo, P., Lozano, R., & Dzul, A. Stabilization of a mini rotorcraft with four rotors. IEEE Control Systems Magazine(2005a), 45-55. Control of an Under-Actuated X4-flyer using Integral Backstepping Controller USTO -University of Science and Technology of Oran (Algeria) PRZEGLAc D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 10/2011.25 l-256p.

12.E. Altug, Vision based control of unmanned aerial vehicles

13. F.Hoffmann, N.Goddemeier, T.Bertram Attitude estimation and control of a quadrocopter/ The 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, Taiwan. October 2010, pages 1072-1077.

14. G. M. Hoffmann, H. Huang, S. L. Waslander, and C. J. Tomlin, "Quadrotorhelicopter flight dynamics and control: Theory and experiment," Proceedings f the AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Aug.2007.

15. G. V. Raffo, M. G. Ortega, and F. R. Rubio, "An integral predictive/nonlinear HI control structure for a quadrotor helicopter," Automatica, vol. 46, no. 1, pp. 29-39, 2010.

16.G.V. Raffo, M.G. Ortega, and F.R. Rubio. An integral predictive/nonlinearh control structure for a quadrotor helicopter. Automatica, 46:29-39, 2010.

17. H. Bouadi and M. Tadjine, "Nonlinear observer design and sliding mode control of four rotors helicopter," Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 25, pp. 225-230, 2007.

18. H. Huang, G. M. Hoffmann, S. L. Waslander, and C. J. Tomlin, "Aerodynamics and control of autonomous quadrotor helicopters in aggressive maneuvering," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3277-3282, May 2009.

19. http://www.aviajournal.com/arhiv/2003/02_l/12.html

20. http://www.findpatent.ru/patent/243/2435150.html

21. I. C. Dikmen, A. Ansoy, and H. Temelta^, "Attitude control of a quadrotor," 4th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, pp. 722-727, 2009.

22. J. Escare~no, C. Salazar-Cruz, and R. Lozano, "Embedded control of a four-rotor UAV," American Control Conference, vol. 4, no. 11, pp. 3936-3941, 2006.

23. J. Hauser, S. Sastry and G. Meyer, Nonlinear control design for slightly non-minimum phase systems: application to V/STOL aircraft, Automatica, 28, 04, pp 665-679 1992.

24. J. P. How D. Pucci de Farias M. Valenti, B. Bethke and J. Vian. Embadding health management into mission tasking for uav teams. Proceedings of the 2007 American Control Conference, pages 5777 - 5783, 2007. 2

25. J. P. Ostrowski E. Altug and C. J. Taylor. Quadrotor control using dual camera visual feedback. Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation, p. 4294 - 4299, 2003.

26. K. J. °Astr"om and T. H'agglund, Advanced PID Control. ISA -Instrumentation, Systems and Automation Society, 2006.

27. K. M. Zemalache, L. Beji, and H. Marref, "Control of an under-actuated system: Application to a four rotors rotorcraft," IEEE International Conference on Robotic and Biomimetics, pp. 404-409, 2005.

28. L. Beji and A. Abichou, Streamlined rotors mini rotorcraft: Trajectory generation and tracking, International Journal of Automation and Systems, Vol. 3, N 1, pp 87-99, Mars, 2005.

29. L. Beji K. M. Zemalache and H. Marref. Control of an under-actuated system Application to a four rotors rotorcraft. IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pages 404 - 409, 2005. 2.

30. L. Beji, A. Abichou and K. M. Zemalache, Smooth control of an X4 bidirectional rotors flying robots, Fifth International Workshop on Robot Motion and Control, Dymaczewo, Poland,June 2005.

31. M. Achtelik K. M. Doth G. Hirzinger D. Gurdan, J. Stumpf and D. Rus. Energy-efficient autonomous four-rotor flying robot controlled at 1 khz. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pages 361 -366, 2007. 2

32. M. G. Earl and R. D'Andrea. Real-time attitude estimation techniques applied to a four rotor helicopter. 43rd IEEE Conference on Decision and Control, p. 3956 - 3961, 2004.

33. M. Tarbouchi J. Dunfied and G. Labonte. Neural network based control of a four rotor helicopter. 2004 IEEE Intrnational Conference on Industrial Technology, pages 1543 - 1548, 2004.

34. Mohamed TAHAR, Kadda MEGUENNI ZEMALACHE, Abdelhafid OMARI

35. P. Castillo, A. Dzul and R. Lozano, Real-time stabilization and tracking of a four rotor mini-rotorcraft, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 12, N 4, pp 510-516, July 2004.

36. P. Castillo, R. Lozano and A. Dzul, Stabilization of a minirotorcraft having four rotors, Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,Sendai, Japan, pp 2693-2698, 2004.

37. P. Castillo, R. Lozano, and A. Dzul, "Stabilisation of a mini rotorcraft with four rotors," IEEE Control Systems Magazine, pp. 45-55, Dec. 2005.

38. P. Martin and E. Sala'un, "The true role of acceleromter feedback in quadrotor control," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1623-1629, May 2010.

39. R. He, S. Prentice, and N. Roy, "Planning in information space for a quadrotor helicopter in a GPS-denied environment," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 1814-1820, 2008.

40. S. Bouabdallah, A. Noth and R. Siegwart, PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor, Proceeding of the IEEE, International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, PP 2259-2264, April 2005.

41. S. Bouabdallah, A. Noth, and R. Siegwart, "PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor," IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, vol. 3, pp. 2451-2456, 2004.

42. S.D. Hanford, L.N. Long and J.F. Horn, A Small Semi-Autonomous Rotary-Wing Unmanned Air Vehicle (UAV),AIAA2005-7077.

43. T. Hamel and R. Mahony, Pure 2D Visual Servo control for a class of under-actuated dynamic systems, Proceeding of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, LA, pp 2229-2235,

2004.

44. T. Hamel N. Guenard and R. Mahony. A practical visual servo control for a unmanned aerial vehicle. 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation, pages 1342 - 1348, 2007. Гриценко П.А, Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В., Шмигельский Г.М. Управление полётом квадрокоптера по произвольно задаваемой траектории // Materialy IX mezinarodni vedecko-prakticka konference «Moderni vymozenosti vedy-2013»/-Dil 77/ Technicke vedy: Praha. Publishing House "Education and Science" c.73-75.

45. T. Hamel N. Metni and F. Derkx. Visual tracking control of aerial robotic systems with adaptive depth estimation. Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference

2005, p. 6078-6084, 2005.

46.T. Hamel, R. Mahony, R. Lozano and J. P. Ostrowski, Dynamic modelling and configuration stabilization for an X4-flyer, IF AC 15th World Congress on Automatic Control, Barcelona, Spain, 2002.

47. T. Madani and A. Benallegue, "Backstepping control for a quadrotor helicopter," IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 3255-3260, 2006.

48. T. Madani and A. Benallegue. Control of a quadrotor mini-helicopter via full state backstepping technique. Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision and Control, p. 1515 - 1520, 2006. 2

49. T. Perez. Ship Motion Control:Course Keeping and Roll Stabilisation using Rudder and Fins. Springer-Verlag, 2005. 3.2, 3.2, A.l, A.2

50. T. S. Alderete, "Simulator aero model implementation." NASA Ames Research Center, Moffett Field, California, http://www.aviationsvstemsdivision.arc.nasa.gov/publications/hitl/rtsim/Toms.pdf. with

applications to an autonomous four rotor helicopter, quadrotor, Faculties of the University of Pennsylvania, Pennsylvania,2003.

51. Y. Bestaoui and R. Slim, Maneuvers for a Quad- Rotor Autonomous Helicopter, А1ДА, Rohnert Park, California, 7-10 May 2007.

52. Y. Morel and A. Leonessa. Direct adaptive tracking control of quadrotor

53. Z. Zuo, "Trajectory tracking control design with command-filtered compensation for a quadrotor," IET Control Theory Appl., vol. 4, no. 11, pp. 2343-2355,2010.

54. А.С.Панов, С.П.Чашников Система стабилизации БЛА Квадрокоптера // Молодёжный научно-технический вестник / Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл No. ФС77-51038. ISSN 2307-0609. 2012.

55. А.С.Панов, С.П.Чашников Система стабилизации БЛА-Квадрокоптера.. Молодёжный научно-технический вестник (электронный журнал). Издатель ФГБОУ «МГТУ им. Н.Э.Баумана». Эл. № ФС77-51038.

56. Белоконь С. А., Золотухин Ю. Н., Котов К. Ю., Мальцев А. С., Нестеров А. А., Соболев М. А., Филиппов М. Н., Ян А. П. Управление квадрокоптером AR.Drone при движении по заданной траектории // Труды XIV Международной конференции Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Самара: Самарский научный центр РАН, 2012.- С.506-514.

57.Белоконь С.А., Золотухин Ю.Н., Мальцев А.С., Нестеров А.А., Филиппов М.Н. Управление параметрами полёта квадрокоптера при движении по заданной траектории // Труды XIV Международной конференции Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Самара: Самарский научный центр РАН, 2012. С. 441-448.

58. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления.//Спб.: Профессия, 2003-752 с.

59. Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П., Соломенцев Ю.М., Султан-Заде Н.М., Схиртладзе А.Г. Теория автоматического управления. // М.: Высшая школа. 2000 - 268 с.

60.Воронов А.А., Титов В.Н., Новогранов Б.Н. Основы теории автоматического регулирования и управления. Учеб. Пособие для вузов. // М.: Высшая школа, 1977-519с.

61. Гриценко П.А, Бушуев А.Б., Литвинов Ю.В., Шмигельский Г.М. Управление полётом квадрокоптера по произвольно задаваемой траектории // Materialy IX mezinarodni vedecko-prakticka konference

«Moderni vymozenosti vedy-2013»/-Dil 77/ Technicke vedy: Praha. Publishing House "Education and Science" c.73-75.

62.Деришев С. Г., Золотухин Ю. H., Котов К. Ю., Нестеров А. А., Соболев М. А., Сохи Н. П., Филиппов M. Н.. О расчёте углов ориентации летательного аппарата вертикального взлёта и посадки // Труды XIV Международной конференции Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Самара: Самарский научный центр РАН, 2012. -С.515-522.

63. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для машиностроит. спец. вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985 - 415 е.: ил.

64. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Конструирование мехатронных модулей // М.: ИЦ МГТУ «СТАНКИН», 2004 - 360с.

65. Емельянова О. В., Попов Н. И., Яцун С. Ф. Моделирование движения квадрокоптера в пространстве. Авиакосмические технологии (АКТ-2013). Труды XIV Всероссийской научно-технической конференции и школы молодых учёных, аспирантов и студентов.- Воронеж: ООО Фирма «Элист»; 2013. с. 131-138.

66.Емельянова О.В., Попов Н. И., Яцун С. Ф. Моделирование движения квадроротационного летающего робота Актуальные вопросы науки. Материалы VIII Международной научно-практической конференции. Москва, Спутник+.2013.с.6-8.

67. Загордан A.M. Элементарная теория вертолёта. Военное издательство Министерства Обороны Союза ССР. Москва 1955г.

68. Красковский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов / Под ред. Ю.А. Дружинина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991 - 480 е.: ил.

69. Л.В. Курмаз А.Т. Скойбеда Детали машин. Проектирование: Справочное учебно-методическое пособие / М.: Высш. шк., 2005 - 309 е.: ил.

70.M.Tahar, K.M.Zemalache, A. Omari Control of under-actuated X4-flyer using indegral Backstepping controller. Przeglad elektrotechniczny (Electrical review), ISSN 0033-2097, R.87 NR 10/2011, pages251-256.

71. Неклюдов А.И., Феофилов C.B. Численное моделирование системы стабилизации и наведения в составе беспилотного летательного аппарата // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск № 5-1 / 2011.-С.148-156.

72. Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учеб. пособие для студентов вузов.// М.: Машиностроение, 2006-256 с.

73.С.А. Белоконь, Ю.Н. Золотухин, А. А. Нестеров, М. Н Филиппов. Управление квадрокоптером на основании организации движения по желаемой траектории в пространстве состояний // Труды XIII Международной конференции Проблемы управления и моделирования в сложных системах. Самара: Самарский научный центр РАН, 2011. С.217-222.

74. С.А. Белоконь, Ю.Н. Золотухин, A.C. Мальцев, A.A. Нестеров, М.Н. Филиппов, А.П. Ян. Управление параметрами полёта квадрокоптера при движении по заданной траектории. // Автометрия. 2012. Т. 5. С. 3242.

75. С.А. Белоконь, Ю.Н. Золотухин, К.Ю. Котов, A.C. Мальцев, A.A. Нестеров, В.Я. Пивкин, М.А. Соболев, М.Н. Филиппов, А.П. Ян. Использование фильтра Калмана в системе управления траекторным движением квадрокоптера. // Автометрия. 2013. Т.49, № 6. С. 14-24.

76. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. «Телесистемы». Под ред. Коршуна И. В.; М: Аким, 1998. — 272 е., ил.

77.T.Bresciani. Modeling, identification and control of a quadrotor helicopter. Master's thesis, Department of Automatic control, Lund University, October 2008, p.170.

78.Теория автоматического управления. Учебник для студентов вузов. В 2-х ч. Ч. 1. Теория линейных систем автоматического управления./ Под ред. Воронова A.A. М.: Высшая школа, 1989.

79.Теория автоматического управления. Учебник для студентов вузов./ Ерофеев A.A. СПб.: Политехника, 2004.

80. Шахинпур М. Курс робототехники // Мир, М.: 1990 г.

81. Яцун С., Ф., Емельянова О.В., Попов Н. И. Изучение движения квадрокоптера в вертикальной плоскости Актуальные вопросы технических наук (II): материалы международной заоч. науч. конф. Пермь: Меркурий, 2013.С.66-69.

82. Гусельников А.И., Попов Н.И. Проблемы применения беспилотных летательных аппаратов в гражданских целях. //Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий стихийных бедствий: сборник статей по материалам всероссийской научно-практической конференции с международным участием 19 апреля 2013г./ ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России. - Воронеж, 2013. - 404с. С.240-242.

83.Попов Н.И., Ефимов C.B. Актуальность использования беспилотных летательных аппаратов в МЧС России и в Воронежской области // Проблемы безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Материалы II всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 19 декабря 2013 г.: в 2 ч. Ч. 1/ ФГБОУ ВПО Воронежский институт ГПС МЧС России. -Воронеж,2013. -456с. С.386-389.