Исследование и разработка алгоритмов управления беспилотными летательными аппаратами для мониторинга природных и техногенных объектов
Шеврикуко Юрий Федорович
инженер ИЦ «Информационные технологии» ФГБОУ ВПО «СКГМИ (ГТУ)», РФ, г. Владикавказ
E-mail: [email protected]
Волошин Сергей Борисович
канд. техн. наук, ассистент кафедры информационных систем в экономике, ФГБОУ ВПО «СКГМИ (ГТУ)», РФ, г. Владикавказ
E-mail: [email protected]
Ковалева Мария Александровна
канд. техн. наук, доцент кафедры теории и автоматизации металлургических процессов и печей, ФГБОУ ВПО «СКГМИ (ГТУ)», РФ, г. Владикавказ
E-mail: [email protected]
Бузаров Мурат Мухарбекович
инженер ИЦ «Информационные технологии» ФГБОУ ВПО «СКГМИ (ГТУ)», РФ, г. Владикавказ
E-mail: [email protected]
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF ALGORITHMS OF CONTROL OF UNMANNED AERIAL VEHICLES FOR MONITORING OF NATURAL AND TECHNOGENIC OBJECTS
Shevrikuko Yuriy
engineer of Engineering Center “Information technology” of North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Russia, Vladikavkaz
Voloshin Sergey
candidate of Science , assistant of Information and Measuring Systems in economy department, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Russia, Vladikavkaz
Kovaleva Mariya
candidate of Science, assistant professor of Department of Theory and automation of metallurgical processes and furnaces, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Russia, Vladikavkaz
Buzarov Murat
engineer of Engineering Center “Information technology” of North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Russia, Vladikavkaz
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрены особенности и алгоритм управления беспилотными летательными аппаратами для мониторинга природных и техногенных объектов, предложена комплексная автоматизированная система. Приводятся результаты модельных экспериментов.
ABSTRACT
In article features and algorithm of control of unmanned aerial vehicles for monitoring of natural and technogenic objects are considered, the complex automated system is offered. The results of simulation experiments.
Ключевые слова:квадрокоптер; беспилотный летательный аппарат; позиционное управление; теория управления, мониторинг.
Keywords: quadrocopter; unmanned aerial vehicle; positioning control; control theory; monitoring.
Востребованность локального мониторинга природных и техногенных объектов с целью предотвращения угроз для жизни человека, периодического осмотра и фотофиксации объектов на относительно небольшой территории с некоторой периодичностью ставит ряд задач. В последнее время наблюдается развитие беспилотных аппаратов — наземных, подводных, летательных. Одним из наиболее перспективных методов решения таких задач является применение робототехнических устройств. Для эффективного решения задач мониторинга природных и техногенных объектов требуются недорогие и простые в использовании аппараты воздушного наблюдения — беспилотные летательные аппараты (БПЛА) мультироторного типа.
Мультироторные аппараты имеют огромный потенциал для решения сложных задач. Как правило, они имеют чётное число винтов постоянного шага. Наибольшее распространение получили легкие, хорошо устойчивые и управляемые роботы с четырьмя винтами — квадрокоптеры. Каждый винт приводится в движение собственным двигателем. Робототехнические устройства оснащены микроконтроллерной системой управления, способны нести диагностическую и информационную фото- или видеоаппаратуру. Трудности, с которыми сталкиваются разработчики систем управления применительно к дистанционно-пилотируемым аппаратам, общеизвестны [4; 6]. В научных публикациях вопросы совершенствования алгоритмов управления пространственным движением беспилотных аппаратов освещены, например, в [1; 2; 4; 6]. В настоящее время для решения таких целей недостаточно изучены динамика режимов робототехнических устройств при внешних воздействиях.
С целью выполнения осмотра с воздуха природных и техногенных объектов в зависимости от поставленной задачи управления разработан модульный комплекс. Работа была разделена на три этапа:
1. Изучение принципа работы как электронной, так и программной составляющей;
2. Создание беспилотной мультироторной системы;
3. Разработка алгоритмов и программного обеспечения с целью повышения и надёжности полётов, автоматической стабилизации летательного аппарата по углам относительно центра.
Для исследования была выбрана четырехроторная модель с расположением двигателей типа «X», согласно рисунку 1 [1].
Рисунок 1. Четырехроторный беспилотный летательный аппарат с расположением двигателей по типу «Х»
В комплекс разработанного БПЛА мультироторного типа входят:
· полетный контроллер “Сrius all in one pro ”, производительность которого достаточна для выполнения необходимых задач. Информация о положении квадрокоптера в пространстве собирается с трёхосевого акселерометра и трёхосевого гироскопа и обрабатывается полётным контроллером по специально разработанному алгоритму в виде информации об углах крена, тангажа, рысканья и ускорения.
· бесколлекторные двигатели с максимальным эффективным током 4—10 A, рабочим напряжением 12 В. Управление частотой вращения двигателей происходит за счёт регуляторов хода, на которые с контроллера подаётся сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для каждого из двигателей.
· литий-полимерный аккумулятор с током 2600 мА/ч и напряжением 11.1 В для питания двигателей и бортовой электроники;
· переносной персональный компьютер как пульт сбора всех данных от датчиков о полете.
При полете возникает задача стабилизации положения квадрокоптера по трем осям относительно его центра: X (крен), Y (тангаж), Z (рысканье), рисунок 2 [6].
Рисунок 2. Система координат квадракоптера и углы Тейт–Брайна
Программа управления обрабатывает данные, поступающие от датчиков углов наклона и ускорения, и, исходя из них, определяет, какие двигатели должны вращаться быстрее, а какие медленнее.
Реакция на изменение желаемого угла крена представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Реакция системы на изменение желаемого угла
На рисунке 3 видно, что система обеспечивает желаемый угол крена с достаточно высокой точностью.
Реакция на изменение желаемого тангажа представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. Реакция системы на изменение желаемого тангажа
Из рисунка 4 видно, как действительный угол стремится к желаемому. Однако на 5 секунде мы видим сильное расхождение между двумя графиками. Предположительно, это следствие недостаточной скорости реакции на изменение выходного сигнала, либо регулирование не успевает за процессом.
После того как программой управления были получены данные об углах крена и тангажа, необходимо применить поправку к мощностям двигателей для устранения возможного отклонения. Решение этой проблемы обычно осуществляется с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулирования [1].
Одной из основных задач системы регулирования является стабилизация параметров процесса на заданном уровне при воздействии внешних возмущений, действующих на объект управления. ПИД-регулятор воздействует на объект пропорционально отклонению регулируемой величины, интегралу от этого отклонения и скорости изменения регулируемой величины, выдает поправку на соответствующие двигатели. Формула (1) выражает необходимую поправку пропорционального, интегрального и дифференциального коэффициентов [3; 5]:
(1)
где: y(t) — воздействие регулятора на объект;
k — коэффициент регулирования;
ε — входное воздействие на регулятор;
T и — постоянная времени интегрирования;
T д — постоянная времени дифференцирования;
Полетом аппарата можно управлять, используя алгоритмы стабилизации углов наклона. Таким образом, данные от гироскопа, акселерометра поступают на регулятор, где сравниваются значения с заданными и, при разнице между ними и реальными значениями параметров, вырабатывается управляющие воздействие в виде сигналов ШИМ для пропеллеров.
Закон, по которому осуществляется процесс регулирования, выбирается в зависимости от статических и динамических свойств объекта и определяется условиями обеспечения устойчивости системы регулирования и требуемым качеством процесса регулирования.
Разница между требуемым и реальным значением некоторой величины:
(2)
где: y0 — требуемое значение величины;
y — текущее значение величины.
Таким образом, пропорциональная составляющая дает немедленную реакцию на рассогласование текущего и требуемого значения сигнала; интегральная компенсирует накопленную интегральную ошибку; дифференциальная пропорциональна скорости изменения отклонения регулируемой величины. В системе управления положение аппарата постоянно корректируется (рисунок 5).
Рисунок 5. Результаты моделирования управления ПИД-регулятором
В ходе исследования был разработан прототип беспилотного летательного аппарата на базе полетного контроллера “Сrius all in one pro ”. Также был проанализирован алгоритм управления и стабилизации полёта БПЛА. Осуществлена адаптация программного обеспечения исходя из разработанной конструкции квадрокоптера.
Получены оптимальные параметры настройки, необходимые для оптимальной работы алгоритма при различных условиях. Данный алгоритм требует более детальной проверки с учетом более точной и достоверной модели.
Разработанный БПЛА способен сопрягаться с устройствами для мониторинга и сканирования объектов и рельефа земной поверхности.
Ещё одной из поставленных задач было проведение анализа и исследования методов восстановления форм трехмерных объектов. По результатам проведенного анализа планируется разработать эффективный метод восстановления форм трехмерных объектов. Также на основе исследованного и разработанного алгоритма управления беспилотным летательным аппаратом, устройства для 3D-реконструкции объектов, – синтезировать единый автоматизированный комплекс.
Список литературы:
1.Ефимов И. Программируем квадрокоптер на Arduino // Хабрахабр. — 2014 / [Электронный ресурс]. — Режим доступа. — URL: http://habrahabr.ru/post/227425/ (дата обращения: 01.06.2015).
2.Колесников А.А. Новые нелинейные методы управления полетом. М.: Физматлит, 2013. — 196 с.
3.Поляков К.Ю. Теория автоматического управления. СПб., 2008. — 80 с.
4.Попов Н.И. Динамика неустановившихся режимов пространственного движения робота-квадрокоптера по заданной траектории: автореф. … канд. техн. наук. Курск, 2014. — 18 с.
5.Ротач В.Я. Теория автоматического управления. М.: МЭИ, 2004. — 400 с.
6.Шилов К.Е. Разработка системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом мультироторного типа// ТРУДЫ МФТИ. — 2014. — Т. 6, — № 4. —С. 139—152.
Пожалуйста, не забудьте правильно оформить цитату:
Шеврикуко Ю. Ф., Волошин С. Б., Ковалева М. А. [и др.] ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫМИ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ // Естественные и математические науки в современном мире: сб. ст. по матер. XXXI междунар. науч.-практ. конф. № 6(30). – Новосибирск: СибАК, 2015.