Разработка линейной системы управления тягой винтомоторной группы для БПЛА

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Управление ориентацией и позиционированием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертикального взлета и посадки мультироторного типа в пространстве неразрывно связано с формированием вектора управления движением, состоящего из комбинации тяг и аэродинамических моментов создаваемых каждой винтомоторной группой. Точность и скорость формирования вектора управления движением в значительной степени влияет на ошибки позиционирования и ориентации БПЛА. В большинстве работ, посвященных синтезу систем управления БПЛА, используется вектор управления движением без учета динамики винтомоторных групп, что в некоторых случаях вынуждает снижать быстродействие системы управления. Повысить быстродействие можно за счет повышения быстродействия формирования тяги винтомоторных групп, для чего предложена линейная система управления тягой винтомоторной группы. Винтомоторная группа в своем составе имеет нелинейную внутреннюю связь по аэродинамическому моменту и выходной сигнал – тягу, нелинейно зависящую от квадрата скорости вращения винта. Обычно, винтомоторной группой управляют как электродвигателем – внутреннюю связь по аэродинамическому моменту рассматривают как внешнее возмущение, а тягой управляют посредством изменения скорости вращения винта, которая вычисляется на основании требуемого вектора управления движением. Предлагается рассматривать тягу и аэродинамический момент как составную часть винтомоторной группы, для которой построить линейную систему управления тягой. Для этого выполнена линеаризация обратной связью системы винтомоторной группы, связывающей подаваемое на двигатели напряжение с вектором управления движением, являющимся выходной величиной. Процесс линеаризации разбит на два этапа: на первом этапе выполнена линеаризация обратной связью по состоянию для электродвигателя с внутренней нелинейной связью по аэродинамическому моменту; на втором этапе выполнена линеаризация обратной связью по выходу, полученной на первом этапе системы с нелинейным выходным сигналом – тягой. В соответствии с принципами подчиненного регулирования для линеаризованной обратной связью винтомоторной группы сформировано управление двигателем. Выполнено моделирование. Важным вопросом при применении линеаризации обратной связью является сохранение качественных характеристик системы управления при несоответствии параметров объекта и модели, параметры которой используются для вычисления линеаризующей обратной связи. В работе проведено моделирование при несоответствии некоторых параметров до 50%.

Об авторах

А. А Воевода

Новосибирский государственный технический университет

Email: voevoda@corp.nstu.ru
проспект Карла Маркса 20

Ю. П Филюшов

Сибирский государственный университет водного транспорта

Email: filushov@mail.ru
улица Щетинкина 33

В. Ю Филюшов

Новосибирский государственный технический университет

Email: filiushov.vladislav@gmail.com
проспект Карла Маркса 20

Список литературы

  1. Ткачев С.Б. Стабилизация неминимально фазовых аффинных систем с использованием линеаризации по части переменных // Наука и образование. изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. № 10. С. 1–25.
  2. Шавин М.Ю. Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 4(76). С. 1–16.
  3. Shavin M., Pritykin D. Tilt-Rotor Quadrotor Control System Design and Mobile Object Tracking // Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2019. vol. 20. no. 10. pp. 629–639. https://doi.org/10.17587/mau.20.629-639.
  4. Cutler M., How J.P. Analysis and Control of a Variable-Pitch Quadrotor for Agile Flight. // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2015. vol. 137(10). doi: 10.1115/1.4030676.
  5. Pyrkin A., Bobtsov A., Kolyubin S., Borisov O., Gromov V., Aranovskiy S. Output Controller for Quadcopters with Wind Disturbance Cancellation // IEEE Conference on Control Applications (CCA). 2014. pp. 166–170. doi: 10.1109/CCA.2014.6981346.
  6. Demircioglu H., Basturk H. Adaptive Attitude and Altitude Control of a Quadrotor Despite Unknown Wind Disturbances // IEEE 56th Annual Conference on Decision and Control. 2017. pp. 274–279. doi: 10.1109/CDC.2017.8263678.
  7. Andrievsky B., Furtat I. Disturbance observers: methods and applications. II. Applications // Automation and Remote Control. 2020. vol. 81. pp. 1775–1818. doi: 10.1134/S0005117920100021.
  8. Kusaka T., Tanaka R. Stateful Rotor for Continuity of Quaternion and Fast Sensor Fusion Algorithm Using 9-Axis Sensors // Sensors. 2022. vol. 22(20). doi: 10.3390/s22207989.
  9. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Труды СПИИРАН. 2018. Т. 60. № 5. С. 39–63. doi: 10.15622/sp.60.2.
  10. Zulu A., John S. A review of control algorithms for autonomous quadrotors // Open Journal of Applied Sciences. 2014. no. 4. pp. 547–556. doi: 10.4236/ojapps.2014.414053.
  11. Gasparyan O., Darbinyan H., Asatryan A., Simonyan T. On the control of quadcopters based on the feedback linearization method // Proceedings of National Polytechnic University of Armenia. Information Technologies, Electronics, Radio Engineering. 2020. vol. 2. pp. 44–54.
  12. Itaketo U., Inyang H. Dynamic Modeling and Performance Analysis of an Autonomous Quadrotor Using Linear and Nonlinear Control Techniques // International Journal of Advances in Engineering and Management. 2021. vol. 3. no. 12. pp. 1629–1641.
  13. Воевода А.А., Филюшов В.Ю. Многоконтурная система подчиненного регулирования в многоканальном неквадратном представлении // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2021. Т. 76. С. 90–100. doi: 10.21667/1995-4565-2021-76-90-100.
  14. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов: учеб. пособие для вузов. Ч. 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат // Урал. гос. проф.-пед. ун-т. Екатеринбург: Издательство УГППУ. 1997. 277 с.
  15. Fezzani A., Drid S., Makouf A., Chrifi L. Speed sensorless flatness-based control of PMSM using a second order sliding mode observer // 2013 Eighth International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER). 2013. pp. 1–9. doi: 10.1109/EVER.2013.6521553.
  16. Kopecny L., Hnidka J., Bajer J. Drone Motor Control using Fractional-Order PID Controller // International Conference on Military Technologies (ICMT). 2023. pp. 1–5. doi: 10.1109/ICMT58149.2023.10171276.
  17. Herrmann L., Bruckmann T., Bröcker M., Schramm D. Development of a Dynamic Electronic Speed Controller for Multicopters // 18th European Control Conference (ECC). Naples. Italy. 2019. pp. 4010–4015. doi: 10.23919/ECC.2019.8795711.
  18. Krener A., Isidori A. Linearization by output injection and nonlinear observers // Systems & Control Letters. 1983. vol. 3. pp. 47–52.
  19. Жевнин А.А., Крищенко А.П. Управляемость нелинейных систем и синтез алгоритмов управления // Докл. АН СССР. 1981. Т. 258. № 4. С. 805–809.
  20. Fetisov D. Linearization of affine systems based on control-dependent changes of independent variable // Diff Equat. 2017. vol. 53. pp. 1483–1494. doi: 10.1134/S0012266117110106.
  21. Поляк Б.Т., Хлебников М.В., Рапопорт Л.Б. Математическая теория автоматического управления: учебное пособие // М.: ЛЕНАНД. 2019. 500 с.
  22. Филюшов В.Ю. Линеаризация нелинейного трехканального динамического объекта обратной связью // Вестник научных трудов НГТУ. 2017. Т. 66. № 1. С. 74–85.
  23. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т. 2. // М.: Физматлит. 2004. 464 с.
  24. Арзамасцев А.А., Крючков А.А. Математические модели для инженерных расчетов летательных аппаратов мультироторного типа // Вестник ТГУ. 2014. Т. 19. № 6. С. 1821–1828.
  25. Kato Y. Performance Evaluation of a Gain-scheduled Propeller Thrust Controller Using Wind Velocity and Rotor Angular Velocity under Fluctuating Wind // IEEE 17th International conference on advanced motion control. 2022. pp. 12–17. doi: 10.1109/AMC51637.2022.9729317.
  26. Виноградов A. Векторное управление электроприводами переменного тока // ГОУ ВПО Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина. 2008. 298 с.
  27. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. Учебник для ВУЗов // М.: Изд. МЭИ. 2015. 373 с.
  28. Гайдук А.Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического управления (полиномиальный подход). // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2012. 360 с.
  29. Филюшов В.Ю. Полиномиальный метод синтеза регуляторов по задающему и возмущающим воздействиям // Системы анализа и обработки данных. 2022. Т. 85. № 1. С. 93–108.
  30. Филюшов В.Ю. Полиномиальный матричный метод синтеза для многоканальных объектов с неквадратной матричной передаточной функцией: дис. канд. техн. наук: 2.3.1. 2022. 177 с.
  31. Andrievsky B., Kuznetsov N.V., Leonov G.A., Pogromsky A.Yu. Hidden oscillations in aircraft flight control system with input saturation // International Federation of Automatic Control proceedings. 2013. vol. 46. no. 12. pp. 75–79. doi: 10.3182/20130703-3-FR-4039.00026.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».