Квадрокоптер является беспилотным летательным аппаратом (БЛА).
Он представляет собой платформу с четырьмя роторами, одна пара которых вращается по часовой стрелке, другая — против часовой стрелки. По сравнению с БЛА вертолетного типа с несущим и рулевым винтами, квадрокоптеры обладают рядом преимуществ, таких как: надежность и простота конструкции, большая стабильность, компактность и маневренность, малая взлетная масса при существенной массе полезной нагрузки.
Область применения квадрокоптеров достаточно широка. Он может быть использован как недорогое и эффективное средство для получения фото и видео изображений с воздуха, в том числе в плохих погодных условиях. Благодаря тому, что квадрокоптер дистанционно управляемый летательный аппарат, он хорошо подходит для наблюдения и контроля объектов и зон, доступ к которым затруднен (например, в случае естественных или техногенных катастроф) или в условиях непригодных для человека, таких как повышенный уровень радиации или сильное загрязнение воздуха.
Основной задачей управления таким БЛА является его стабилизации в условиях воздействия внешних возмущающих факторов, таких как сильный порывистый ветер.
Цель работы:
- разработка алгоритма стабилизации квадрокоптера на заданном расстоянии от объекта на основе комплексной обработки информации, получаемой от двух разнесённых видеокамер и датчиков положения БЛА (акселерометры, гироскопы);
- исследование эффективности разработанного алгоритма с применением математической модели мультикоптера, разработанной в системе MatLab.
1.Объект исследования, .1 Устройство и принцип работы квадрокоптера
Квадрокоптер представляет собой платформу с четырьмя роторами. Центральная часть квадрокоптера служит для размещения контроллера, батареи и полезной нагрузки (например, видеокамеры).
Радиально от центра на балках устанавливаются микроэлектродвигатели с несущими винтами, образуя крестообразную конструкцию аппарата.
Рис. 1.1. Схематическое изображение квадрокоптера
Во время полета квадрокоптер поддерживает горизонтальное положение относительно земли, может парить на месте, вращаться относительно вертикальной оси, перемещаться в любом направлении. Для компенсации вращающего момента, вызванного вращением роторов, у квадрокоптера 1-й и 3-й роторы вращаются по часовой стрелке, а 2-ой и 4-ый — против часовой стрелки. Для того чтобы квадрокоптер начал движение необходимо вывести его из состояния баланса путем увеличения силы тяги (скорости вращения) части пропеллеров, в результате квадрокоптер наклоняется и начинает движение в нужном направлении. Для поворота квадрокоптера вокруг своей оси необходимо ускорить вращение одной пары пропеллеров вращающихся в одном направлении и замедлить вращение другой пары пропеллеров.
Моделирование работы системы управления вентильным двигателем ...
... и _ оценки параметров и соответственно. 1.1 Состав квадрокоптера Квадрокоптер состоит: 4 бесколлекторных двигателя; аккумулятор; 4 электронных регулятора ... осей фаз. Эта информация поступает с ДПР. квадрокоптер двигатель вентильный управление Информация с ДПР обрабатывается системой ... гексакоптера, например, даёт 12 моторов и 12 пропеллеров, расположенных попарно на 6 несущих лучах. Скорость ...
Например, чтобы повернуть аппарат вокруг своей оси против часовой, 1-й и 3-й роторы должны вращаться быстрее, а 2-й и 4-й роторы должны замедлиться. Основные режимы полета и стабилизация квадрокоптера обеспечивается с помощью контроллера размещенного на нем. Контроллер на основании данных полученных от датчиков при помощи специальной программы рассчитывает скорости вращения роторов и подает на двигатели соответствующие управляющие сигналы. Минимальным набором датчиков необходимых для стабилизации квадрокоптера являются акселерометры — для измерения ускорения и гироскопы — для определения углов наклона. Кроме того, квадрокоптер может быть оборудован барометром, магнитомером (компасом) и даже GPS-навигатором.
1.2 Постановка задачи
Задача состоит в том, чтобы при наблюдении за объектом стабилизировать квадрокоптер на некотором расстоянии от него. Причем стабилизации должна заключаться не только в стабилизации летательного аппарата как материальной точки, но и в стабилизации квадрокоптера по направлению, т.к. для наблюдения необходимо, чтобы видеокамеры были направлены на объект.
Таким образом, необходимо на автопилоте или ручном управлении приблизить квадрокоптер на некоторое расстояние до цели, при этом по стереозибражению с оптических камер будет вычисляться в реальном масштабе времени расстояние до цели. Как только квадрокоптер приблизиться на достаточное расстояние на его контроллер будет передан сигнал, который передаст управление квадрокоптером программе стабилизации, которая выберет точку в пространстве и затем стабилизирует в ней летательный аппарат.
2.Модель квадрокоптера, .1 Системы координат
При практическом использовании уравнений движения БЛА их записывают в проекциях на оси выбранных систем координат (СК).
В данной работе удобно использовать две правых прямоугольных системы координат, назовем их неподвижной и подвижной системами координат:
- Неподвижная система координат. Начало находиться в точке O, в которой необходимо стабилизировать квадрокоптер. Оси OX и OY расположены в горизонтальной плоскости, а ось OZ направлена вверх.
2.Подвижная система координат. Начало находиться в центре масс квадрокоптера, в точке . Оси этой системы координат: , и сонаправлены с осями координат неподвижной СК. Таким образом, подвижная СК получается из неподвижной СК параллельным переносом на радиус вектор центра масс квадрокоптера в неподвижной СК.
Рис. 1.2. Неподвижная и подвижная системы координат
2.2 Момент инерции
Пусть квадрокоптер лежит в плоскости OXY, его центр масс находиться в точке O, а балки AC и BD, на которых расположены роторы, лежат вдоль осей OX и OY. Момент инерции квадрокоптера одинаков вокруг любой оси MN, лежащей в плоскости квадрокоптера OXY. Обозначим массу квадрокоптера как . Пусть масса каждого ротора сосредоточена в точках A, B, C и D и равна , а вся масса корпуса равномерно распределена на отрезках АС и BD и равна .
Координаты на плоскости
... процесс обучения математике. Предметом исследования является использования компьютерных технологий на уроках математики. Цель данной работы: определение задач и некоторых форм использования ИКТ на уроках математики в начальных классах. Гипотеза: использование информационных технологий на уроках математики активизирует деятельность учащихся на уроке. Задачи исследования: ...
Рис. 1.3. Расчет момента инерции
Тогда момент инерции квадрокоптера относительно любой оси MN составляющей с осью BD угол α равен:
(2.2.1)
Момент инерции относительно оси OZ, перпендикулярной плоскости OXY и проходящей через точку O, вычисляется по формуле:
(2.2.2)
2.3Уравнения движения
Квадрокоптер, как и любое твердое тело, является системой с шестью степенями свободы, соответственно для описания его движения требуется шесть независимых числовых уравнений или два векторных уравнения.
Уравнения движения центра масс
Вектор силы тяжести приложен к центру масс квадрокоптера и имеет вид: , где — ускорение свободного падения.
Сила сопротивления воздуха , где — безразмерный аэродинамический коэффициент, — плотность воздуха, — площадь поверхности. Таким образом, сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости с некоторым коэффициентом и направлена противоположно скорости.
Вектор суммарной силы тяги всех роторов также приложен к центру масс и имеет вид: , где , , и — силы тяг первого, второго, третьего и четвертого роторов соответственно
Вектор некоторой посторонней силы обозначим как . В случае когда сила вызвана ветром , так как сила, с которой действует ветер на квадрокоптер фактически является силой сопротивления воздуха.
Таким образом, векторное уравнение описывающее движение цента масс квадрокоптера в неподвижной системе координат имеет вид:
Скорость можно получить выразив ускорение и проинтегрировав его по времени:
Проинтегрировав скорость, получается радиус вектор до центра масс квадрокоптера, т.е. координаты положения центра масс квадрокоптера:
Уравнение моментов:
Уравнение моментов в данном случае удобно рассматривать относительно центра масс, в подвижной системе координат. Уравнение моментов описывает вращение тела относительно мгновенной оси. В этой модели вращение может быть вызвано только силами, которые создают роторы. Введем векторы
, , и — радиус векторы роторов в подвижной системе координат. Длины этих векторов равны между собой и равны .
Рис. 1.4. Схематическое изображение квадрокоптера в подвижной СК
В данном случае удобней разбить это уравнение на два: первое уравнение будет описывать вращение вокруг оси симметрии квадрокоптера, второе уравнение будет описывать вращение вокруг оси лежащей в плоскости квадрокоптера. Тогда первое уравнение имеет вид:
Выразив угловое ускорение из этого уравнения и проинтегрировав его по времени, можно получить угловую скорость:
где , и в — компоненты вектора по осям координат.
Проинтегрировав по времени угловую скорость, можно получить углы поворота квадрокоптера вокруг осей подвижной СК:
где компоненты , и вектора представляют собой углы поворота вокруг осей нормальной системы координат OX, OY и OZ соответственно.
Уравнение движения летательного аппарата
... угол наклона вектора скорости к местному горизонту, [град]; масса летательного аппарата, [кг]; ... масс с учетом моментов, действующих на самолет. Задачи курсовой работы: решение системы уравнений движения ЛА как материальной точки с помощью пакета MATLAB. Построение графиков зависимости ускорения, скорости, координат, ... координат, связанное с вращением Земли, не учитывается (1) где, - угол между вектором ...
Рассмотрим вращение квадрокоптера вокруг оси перпендикулярной плоскости. Обозначим реактивный момент винтов как . Вектор этого зависит только от величины и направлен вдоль нормали к плоскости квадрокоптера. Кроме реактивного момента сущ
