Диссертация (1025035), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Такиевоздействия приводят к росту углов наклона аппарата в стабилизируемых режимах.71Поэтому в первом приближении можно рассмотреть четыре возможных режимаполѐта, отличающихся настройками регуляторов. В режиме взлѐта или посадкилучше выбирать регулятор с уменьшенным перерегулированием, чтобы избежатьстолкновения с землей и уменьшить «дрожание» квадрокоптера из-за экранногоэффекта поверхности земли. В среде без ветра или со слабым (3,4–5,4 м/с) ветромможно выбирать регулятор с малыми изменениями крена и тангажа. В среде сумеренным (5,5–7,9 м/с) ветром можно выбирать регулятор с малым временемрегулирования, чтобы сочетать устойчивость и маневренность. Когда ветерпревышает допустимый предел, следует выбирать регуляторы с наименьшимвременем регулирования, а подсистему траекторного управления переводить врежим возврата к исходной точке.Множество режимов полѐта Q q1, q2 , q3 , q4 , где q1 : z zT , max , и max – взлѐт и посадка; q2 : z zT , vw vT , max , и max –отсутствие ветра или слабый ветер; q3 : z zT , vT vw vmax , max , и max – умеренный ветер; q4 : vw vmax или max или max – режимнештатного завершения полѐта.Множество соответствующих переходов ∑={w12, w13, w14, w21, w23, w24, w31,w32, w34}.Диаграммапереключениярежимовпоказананагде zT , vT , vmax , max , max – порог перехода режимов полета.Рис.
2.22. Диаграмма переключения режимовРис.2.22,72Разработка многорежимной системы стабилизации, содержащего наборрегуляторов управления угловым положением, показана на Рис. 2.23.Рис. 2.23. Принцип работы многорежимной системы стабилизацииРаботоспособность алгоритма проверялась моделированием реакций наступенчатые воздействия и полѐта по заданным траекториям в среде с ветром,модель которого включала стабильный ветер, турбулентность и порывистый ветер,как показано на Рис. 2.24.12скорость, м/сскорость, м/с2.50.51.51-0.50.500102030время, с(а) Стабильный ветер32100-1040102030время, с(в) Порывистый ветер102030время, с(б) Турблентность6скорость, м/сскорость, м/с404040420010203040время, с(г) Результирующий ветерРис. 2.24.
Скорость ветра. Синие линии – скорость ветра на направление X; зелѐныелинии – скорость ветра на направление Y; красные линии – скорость ветра нанаправление Z73Реакции канала угла наклона x и на ступенчатое воздействие – на Рис. 2.25.1.2110.8gamma, radx, m0.80.60.4входный сигналвыходный сигнал0.20051015(а) ПИД-Регулятор20время, cБЭК4БЭК30.60.4БЭК2БЭК10.2входный сигналвыходный сигнал005101520(б) бэкстеппинг-регулятор время, cРис. 2.25. Реакции канала угла наклона x и на ступенчатое воздействиеНа Рис. 2.25 (б): БЭК1 – регулятор для режима взлѐта и посадки; БЭК2 –регулятор для полета в среде без ветра или со слабым ветром; БЭК3 – регулятордля полета в среде с умеренным ветром; БЭК4 – регулятор для нештатногозавершения полѐта.Значения коэффициентов регуляторов по соответствующим переменным,выбранные методом Циглера – Николса [21], приведены в Таблице 6:Таблица 6.Значения коэффициентов ПИД-регуляторовKpKiKdx8,20,0157,8y5,10,0124,95z251030В Таблице 7 приведены значения коэффициентов для подсистемы угловогоуправления, рассчитанные методом «бэкстеппинг».74Таблица 7Значения коэффициентов регулятора «бэкстеппинг»k1k2k3k4k5k6БЭК13051,50,52010БЭК2203,51,20,3188БЭК340103,51,53515БЭК450154,52,54520На рис.
2.26 показаны результаты моделирования полета квадрокоптера позаданному маршруту, описанной в главе 1 (см. рис. 1.12).заданная траекториятраектроия полета в среде без ветратраектроия полета при влиянии ветра20Cz, м10DEO1B0G-1020FO2AH10y, м0-10-20 -100201030x, мРис. 2.26. Траектория полѐта квадрокоптераНа Рис. 2.27 показано сравнение изменения угла наклона γ с использованиемрегулятора БЭК1 и многорежимной системы стабилизации в среде без ветра и светром. Результатынаибольшуюмоделирования показывают, чтостабильностьсиспользованиемквадрокоптермногорежимнойимеетсистемыстабилизации, особенно в среде с сильным ветром и вблизи поверхности земли.75БЭК1БЭК1,2,3,40.5gamma, radgamma, rad10-0.510.5БЭК1БЭК1,2,3,40-0.5-101020время, с3040-101020время, с3040Рис.
2.27. Изменения угла наклона γ в случае без ветра и при влиянии ветраНа Рис. 2.28 показано отношение изменений скорости ветра и режимов полѐтаквадрокоптера. Видно, что режимы полѐта связаны с высотой полѐта и скоростьюветра.46режим полетаскорость ветра, м/с7543201020время, с3040321001020время, с3040Рис. 2.28.
Изменения скорости ветра и режимов полѐта квадрокоптераКогда скорость ветра выше умеренной, вероятность аварии значительновозрастает, следовательно, квадрокоптер должен иметь функцию автоматическоговозврата на базу при сложных метеоусловиях. Для проверки этой функциисистемы углового управления проведено моделирование, результаты которогопоказаны на Рис.
2.29, где чѐрной линией представлена траектория полѐта передпрерыванием миссии. Когда скорость ветра становится выше умеренной,квадрокоптер начинает автономно возвращаться на базу, как показано на данномРис. синей линией. На Рис. 2.30 показано сравнение изменения угла наклона γ сиспользованием регулятора БЭК1 и многорежимной системы стабилизации всреде с более умеренным ветром.76начальная точкаточка прерываниямиссивыполнениемиссии полетавозвращениена базу100z, м500-5020100y, м-10 -5051510x, мРис. 2.29. Траектория автоматического возврата на базуgamma, rad10.5БЭК1БЭК1,2,3,40-0.501020время, с3040Рис.
2.30. Изменения угла наклона γ в суровой средеИзменения скорости ветра и режимов полѐта показаны на Рис. 2.31.48режим полетаскорость ветра, м/с1064203211020время, с3040001020время, с3040Рис. 2.31. Изменения скорости ветра и режимов полѐта квадрокоптера в среде сболее умеренным ветром772.6. Выводы по главе 2В данной главе была разработаны алгоритмы глобального планированиямаршрута, отслеживания спланированного маршрута, облета препятствий имногорежимнной системы стабилизации для автономнной системы управленияполетом квадрокоптера в сложной среде.1.
Составлена общая структура автономной системы полѐта квадрокоптера,которую можно разделить на две основные части: системаавтоматическогоуправления полѐтом квадрокоптера с возможностью облета препятствий в сложнойсреде; комплексная навигационная система.2. Разработан алгоритм планирования глобального маршрута на основенового способа представления информации о среде в виде облачно-точечнойкарты и улучшенного муравьиного алгоритма. Этот улучшенный алгоритм имеетвысокую скорость вычислений и возможность применения для планированияглобального пространственного маршрута в режиме реального времени.3.
Предложен алгоритм отслеживания спланированного маршрута, которыйможет быть применѐн для отслеживания сложного трѐхмерного маршрута, наоснове улучшенного метода "L1" c адаптивным выбором точки маршрута вкачестве опорной точки отслеживания. Результаты моделирования отслеживанияпоказывают, что предложенный алгоритм точнее отслеживает спланированныймаршрут.4. Разработан новый простой алгоритм ОП на основе управления поворотомвектора скорости полѐта квадрокоптера. Результаты моделирования показывают,что предложенный алгоритм имеет более высокую скорость вычислений. Крометого, подобный алгоритм может быть применѐн в динамической среде для облѐтаподвижных препятствий.5.
Построена математическая модель ветра вблизи поверхности земли припостоянном ветре, турбулентности земли и порывистом ветре.6. Разработан алгоритм повышения стабильности полѐта квадрокоптера всреде с атмосферным влиянием на основе многорежимной системы стабилизации,78содержащей набор бэкстеппинг-регуляторов управления угловым положением,автоматически выбираемых в соответствии с условиями полѐта (высота, угловоеположение, ветровые воздействия, режимы взлѐта-посадки), а также – подсистемуаварийного возврата к исходной точке.79ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫС ВКЛЮЧЕНИЕМ ВИЗУАЛЬНОЙ ЛОКАЦИИ ДЛЯ КВАДРОКОПТЕРА СВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИЗОЛЯЦИИ НЕИСПРАВНОСТЕЙДля работы представленных алгоритмов управления необходимо иметьинформацию о движении аппарата и препятствиях.
Минимально необходимыйнабор датчиков для этого: БИНС; СНС; визуальная система; барометрический ирадиовысотомер. Известно, что каждый источник имеет свои недостатки и неможет самостоятельно обеспечивать точность навигационной информации врежиме реального времени в различных условиях полета достаточно долго.Например, ошибки бесплатформенной инерциальной навигационной системы(БИНС) быстро накапливаются с течением времени, прежде всего – из-за ошибокчувствительных элементов, из-за чего БИНС не могут быть использованы какединственное навигационное средство для БПЛА в режиме сколь либопродолжительного полѐта [104].
СНС может предоставить информацию оместоположении, путевой скорости и высоте без накопления ошибок с течениемвремени, но не может работать в режиме реального времени, особенно с учѐтомнеобходимостирешениязадачи стабилизацииаппарата [67]. Визуальнаянавигационная система имеет высокую точность, но из-за ограниченностидиапазона визуального наблюдения и сложности вычислений для обработкиизображений, тоже трудноприменима в режиме реального времени [109].Барометрический высотомер имеет большую методическую ошибку, еслифактические атмосферные условия не соответствуют стандартной атмосфере.Точность измерения радиовысотомера сильно зависит от неровности земнойповерхности и наклона платформы БПЛА [35, 55]. Кроме того, в практическихприложенияхприсутствуетмногофакторов,влияющихнаточностьидостоверность измеренной информации, например ошибки передачи данных,помехи окружающей среды, методические ошибки датчиков и т.д.
Поэтомуфункция обнаружения и изоляции неисправностей также необходима для КНС.80В последние годы для улучшения работоспособности систем навигации былопроведено большое число исследований и предложено достаточно многоинтегрированных навигационных систем. Например, КНС, сочетающая IMU илидар на основе расширенного фильтра Калмана [56, 73]; встроеннаянавигационная система с видеокамерой и лазерным сканером в карданном подвеседля автономного полѐта беспилотных летательных аппаратов [63]; КНС БПЛА наосновесогласованияизображений[45];комплексированнаяинерциальноспутниковая система навигации малогабаритных беспилотных летательныхаппаратов в условиях сложной среды в случае кратковременного отсутствияспутниковых сигналов [20]; использование иерархии фильтров в комплекснойнавигационной системе [116, 62] и др.В данной работе предлагается КНС для БПЛА на основе преобразованиярежимов навигации [17], фильтра Калмана и слияния навигационной информации снескольких источников: СНС, ВНС на основе алгоритма SLAM, барометрическоговысотомера, радиовысотомера и ИНС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
