УДК 623.466.52

Стабилизация беспилотного летательного аппарата

Карапетян Владимир Арменакович – магистрант Московского политехнического университета.

Аннотация: В статье рассматривается актуальность стабилизации беспилотного летательного аппарата, методы и алгоритмы, анализируется современная литература по этой теме.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, стабилизация БПЛА, методы, алгоритмы.

Введение

Система управления БПЛА является совокупностью нескольких систем, включая систему стабилизации, которая обеспечивает высокие динамические характеристики и аэроупругую устойчивость БПЛА. Качество работы системы стабилизации напрямую влияет на допустимые габариты полезной нагрузки и возможности оптимизации конструкции для снижения массы БПЛА. [1]

Внутри БПЛА различные подсистемы, входящие в систему управления, работают вместе на протяжении всего полета. Они связаны друг с другом функционально и информационно. Система стабилизации реагирует быстро на изменения и помогает компенсировать возмущения, чтобы БПЛА летал стабильно. Современные системы стабилизации используют передовые технологии для улучшения управления и снижения массы. Однако это также создает новые проблемы, такие как потеря информации между периодами обработки данных. Поэтому необходимо разрабатывать новые методы управления и синтеза систем стабилизации для эффективного управления движением. [1]

Система стабилизации беспилотного летательного аппарата представляет собой совокупность приборов и реализованных в бортовых ЭВМ алгоритмов, обеспечивающих устойчивое движение центра масс БПЛА. [1]

Создание системы стабилизации для БПЛА - это сложная задача, которая требует точного понимания движения объекта, особенно над водной поверхностью. Разработка современной системы стабилизации для низкоскоростного объекта, такого как БПЛА, является сложным инженерным процессом из-за множества факторов, влияющих на управление положением объекта. Эти факторы включают инерцию, гравитацию, аэродинамику и силу тяги двигателя, которые оказывают воздействие на объект в течение всего полета. [1]

Для обеспечения устойчивости и повышения точности систем стабилизации БПЛА используются два подхода: конструктивный и алгоритмический. Один из способов обеспечения стабильности системы стабилизации БПЛА - это правильное размещение чувствительных элементов, таких как гироскопы и акселерометры, в системе управления. При использовании специализированных датчиков необходимо определить оптимальное местоположение в корпусе летательного аппарата. Корпусы современных БПЛА обычно имеют удлиненные цилиндрические конструкции с высокой жесткостью, что может вызывать упругие колебания, влияющие на устойчивость и точность системы стабилизации. Поэтому при разработке системы стабилизации БПЛА важно продумать оптимальное расположение датчиков на корпусе для эффективного подавления упругих колебаний и обеспечения стабильности полета. [1]

Для борьбы с упругими колебаниями корпуса БПЛА с помощью конструктивных методов необходимо внесение изменений в саму конструкцию или увеличение числа датчиков и элементов управления. Это может привести к увеличению веса БПЛА. Поэтому на практике часто используются алгоритмические методы, которые позволяют изменять характеристики стабилизации без изменений в конструкции. Для решения этих задач часто применяются приближенные методы из-за сложности построения точных моделей. [1]

Обеспечение стабильности полета беспилотных летательных аппаратов является ключевым аспектом для их безопасной и эффективной работы. С увеличением использования БПЛА в различных областях, таких как военное дело, гражданская авиация, сельское хозяйство, мониторинг окружающей среды и других, важность стабилизации и управления их полетом постоянно возрастает. [1]

Важность обеспечения стабильности БПЛА заключается в обеспечении надежности и безопасности их работы, снижении вероятности аварий и увеличении точности выполнения задач. Этот аспект технологии беспилотных летательных аппаратов является ключевым для успешного использования их в различных областях. Также стоит отметить, что данную проблему можно решить без изменения конструкции, путем улучшения алгоритма управления. [1]

Полеты при сильном ветре влияют на БПЛА разными способами. Вот несколько заметных эффектов:

1. Непредсказуемые движения

Сильный порыв ветра может сбить БПЛА с трассы и вызвать непредсказуемые движения в обоих боковых направлениях.

2. Чрезмерный разряд батареи

Полет при сильном ветре означает, что БПЛА выполняет дополнительную работу, чтобы не отставать от высокой скорости ветра и противостоять ему. Это приведет к тому, что двигатели потребляют больше тока от батареи и быстрее разряжают батарею.

3. Дрожащие изображения и видео

Если камера БПЛА установлена на чувствительном подвесе, она может компенсировать боковые движения и движения вверх/вниз из-за ветра, но достаточно сильный ветер может привести к дрожанию изображений и видео.

4. Скомпрометированные датчики

Некоторые БПЛА полагаются на визуальную обработку изображений для поддержания правильной высоты и позиционирования. Если ветер вызывает небольшую пыльную бурю под БПЛА, это может поставить под угрозу его способность сохранять свое положение.

Рассмотрим алгоритмические этапы решения данной задачи:

1. Анализ физических процессов, происходящих при движении БПЛА по траектории под воздействием ветрового потока. Необходимо изучить характеристики ветрового потока, его воздействие на динамику БПЛА, а также возможные причины возникновения нестабильности.
2. Разработка математической модели, описывающей движение БПЛА по траектории под воздействием ветрового потока. Модель должна учитывать все факторы, влияющие на динамику БПЛА, такие как аэродинамические силы, массу и геометрические параметры.
3. Использование методов теории управления для разработки алгоритмов стабилизации. Необходимо определить оптимальные параметры системы управления, которые позволят обеспечить стабильность движения БПЛА при любых условиях ветрового потока.
4. Разработка программного обеспечения для реализации алгоритмов стабилизации. Необходимо создать программу, которая будет управлять работой БПЛА и обеспечивать его стабильность при движении по траектории под воздействием ветрового потока.
5. Проведение экспериментальных исследований для проверки эффективности разработанных методов стабилизации. Необходимо провести серию испытаний на специально подготовленной площадке с различными условиями ветрового потока и оценить работу системы стабилизации в реальных условиях.

Описание датчиков

Для осуществления стабилизации беспилотного летательного аппарата используется датчики – акселерометр и гироскоп, которые представлены на рисунке 1.

Акселерометр (трехосевой) прибор, измеряющий проекцию ускорения на три перпендикулярные друг другу оси.

Гироскоп (трехосевой) прибор, измеряющий проекцию угловой скорости на три перпендикулярные друг другу оси.

Рисунок 1. Принципиальная схема подключения датчиков.

Существующий метод стабилизации

В данном методе представлен стабилизатор, основанный на работе пид-регулятора. Здесь произведены расчеты для вывода расчетной формулы для ПИД-регуляции по крену. [2]

Общая формула ПИД-регулятора имеет следующий вид (1):

     (1)

где K_p, K_l, K_d – коэффициенты усиления пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих регулятора, соответственно, а e – ошибка, то есть отклонение от заданной величины или рассогласование. [2]

Рассмотрим квадрокоптер только с лицевой проекцией, на примере крена. Уровень газа sp - это среднее арифметическое значение между скоростями вращения каждого мотора, который передается с устройства управления (2,3).

l = sp + gaz (2)

r = sp – gaz (3)

где gaz – усилие, которое зависит от нужного (t_roll) и текущего (roll) угла наклона, его и нужно нам в конечном итоге получить. r, l – скорости вращения правого и левого винтов, соответственно. Введем ошибку (error), которую нам нужно минимизировать (4):

error = t_roll – roll (4)

Чем больше ошибка, тем сильнее должна быть реакция. Выведим это соотношение (5):

gaz = P x error (5)

где Р – коэффициент пропорциональности. Чем сильнее нужна реакция, тем больше должен быть этот коэффициент. Но эту формулу нужно еще дополнить, если оставить все как есть, то из-за усилия он будет постоянно колебаться и не остановится в нужном положении. Дополним это соотношение следующим образом (6):

   (6)

где D – дифференциальный коэффициент. Чем сильнее нужно останавливающее усилие, тем больше он должен быть. Покажем эту формулу в более простом виде (7):

   (7)

Данная формула уже пропорционально-дифференциальная регуляция, осталось добавить интегральную составляющую для того чтобы убрать ошибку, которая накапливается со временем, к примеру, из-за неравномерной развесовки квадрокоптера. Добавим эту составляющую к нашему соотношению, заменив также интегрирование на дискретное для возможности это запрограммировать.

   (8)

где I – коэффициент интегрирования. Получилась нужная формула для ПИД - регуляции по крену. [2]

Заключение

Подводя итоги к вышесказанному, можно сделать вывод, что существуют много различных методологий для решения проблемы стабилизации беспилотного летательного аппарата, как конструкционно, так и алгоритмически. Для алгоритмического решения проблемы требуется предложить математическое решение, построить математическую модель, осуществить написание ПО.

Список литературы

1. Крамарь В. А. Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стойкость и математические модели систем стабилизации.
2. Системы стабилизации беспилотных летательных аппаратов (URL от 14.04.2024 https://cyberleninka.ru/article/n/sistemy-stabilizatsii-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov?ysclid=luzs3fctlj600838500).