НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o235.pdf (1171.22Кб)

УДК 681.5+007

Россия,  МГТУ им. Н.Э. Баумана

В статье рассматривается задача автоматического полета квадрокоптера по заданному маршруту. Квадрокоптер представляет собой беспилотный летательный аппарат (БПЛА), имеющий четыре двигателя. В настоящее время подобные аппараты уже широко используется, но в основном управляются с пульта оператора. Актуальностью является задача разработки системы управления, позволяющая осуществлять автономный полёт. Цель настоящей работы является исследованием возможности решения этой задачи с использованием алгоритмов стабилизации и траекторного управления.
Математическая модель квадрокоптера представляет собой достаточно сложную нелинейнаю систему, для получения которой совместно используются программные системы Matlab Simulink и Universal Mechanism. Сравнение результатов моделирования в двух программных пакетах - в Matlab, где моделируется нелинейная система уравнений, и в UM, где траектория полета и другие параметры рассчитываются по передаваемым силам и моментам, может служить подтверждением правильности используемой модели.
Синтез регуляторов для подсистемы ориентации и стабилизации и подсистемы траекторного управления, проводится на традиционных принципах, в частности – с использованием ПИД-регуляторов и метода на основе функций Ляпунова, известного в литературе как «бэкстеппинг». Наиболее подходящие регуляторы выбраны путём сравнения результатов моделирования. Моделировались реакции на ступенчатые воздействия и отслеживание заданных траекторий. Установлено, что траектория полета квадрокоптера почти совпадает с заданным маршрутом, изменения координат центра масс квадрокоптера для двух сравниваемых регуляторов почти одинаковые, но диапазон отклонений углового положения для регулятора бэкстеппинг заметно меньше, чем для ПИД-регулятора.

1. Santos O., Romero H., Salazar S, Lozano R. Real-time Stabilization of a Quadrotor UAV: Nonlinear Optimal and Suboptimal Control // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2013. Vol. 70, iss. 1-4. P. 79-91. DOI: 10.1007/s10846-012-9711-8
2. Li T., Zhang Y., Gordon B.W. Passive and active nonlinear fault tolerant control of a quadrotor unmanned aerial vehicle based on the sliding mode control technique // Journal of Systems and Control Engineering. 2013. Vol. 227. P. 12-23. DOI: 10.1177/0959651812455293
3. Gong X., Bai Y., Peng C., Zhao C., Tian Y. Trajectory tracking control of a quad-rotor UAV based on command filtered backstepping // 2012 Third International Conference on Intelligent Control and Information Processing (ICICIP). IEEE Publ., 2012. P. 179-184. DOI: 10.1109/ICICIP.2012.6391413
4. Dierks T, Jagannathan S. Output feedback control of a quadrotor UAV using neural networks // IEEE Transactions on Neural Networks. 2010. Vol. 21, no. 1. P. 50-66. DOI: 10.1109/TNN.2009.2034145
5. Xian B., Diao C., Zhao B., Zhang Y. Nonlinear robust output feedback tracking control of a quadrotor UAV using quaternion representation // Nonlinear Dynamics. 2015. Vol. 79, iss. 4. P. 2735-2752. DOI: 10.1007/s11071-014-1843-x
6. Yi Z., Xiuxia Y., Hewei Z., Weiwei Z. Tracking control for UAV trajectory // 2014 IEEE Chinese Guidance, Navigation and Control Conference (CGNCC). IEEE Publ., 2014. P. 1889-1894. DOI: 10.1109/CGNCC.2014.7007469
7. Roberts A., Tayebi A. Adaptive Position Tracking of VTOL UAVs // IEEE Transactions on Robotics. 2011. Vol. 27, no. 1. P. 129-142. DOI: 10.1109/TRO.2010.2092870
8. Krstić M., Kanellakopoulos I., Kokotović P.V. Nonlinear and adaptive control design. New York: John Wiley & Sons, 1995. 563 p.
9. Bouabdallah S, Siegwart R. Backstepping and sliding-mode techniques applied to an indoor micro quadrotor // ICRA 2005. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE Publ ., 2005. P . 2247-2252. DOI:10.1109/ROBOT.2005.1570447
10. Голубев А.Е. Отслеживание программного изменения угла атаки для продольной динамики ракеты класса «воздух-воздух» с помощью метода обхода интегратора // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2013. № 11. С . 401-414. DOI:10.7463/1113.0622518
11. Bouabdallah S., Siegwart R. Towards Intelligent Miniature Flying Robots // Field and Service Robotics. 2006. Vol . 25. P . 429-440. DOI: 10.1007/978-3-540-33453-8_36
12. Курс теоретической механики / под ред. К.С. Колесникова. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 736 с.
13. Гурьянов А.Е. Моделирование управления квадрокоптером // Инженерный вестник. 2014. № 8. С. 522-534. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/723331.html (дата обращения 01.04.2015.).
14. Программный комплекс «Универсальный механизм». 2013. Режим доступа:http://www.universalmechanism.com/download/70/rus/gs_um.pdf (дата обращения 01.04.2015).
15. Бесколлекторный мотор. Режим доступа:http://bkso.baidu.com/view/344829.htm (дата обращения 01.04.2015).
16. Шляйхер М. Техника автоматического регулирования для практиков. М .: JUMO GmbH, 2006. 124 с .