Диссертация (1025035), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Инициализация:ˆ 0  EX0 XP  E  X  Xˆ 0 X0  Xˆ0 T00Tˆ 0a  E X 0a  E X0x , X0 , X  Xˆ T0 ,0n1,0m1X0P0 0 0 TP a  E X a  Xˆ 0a X0a  Xˆ 0a  0 Q 000  0 0 R   (2.10)где n – величина шума процесса; m – величина шума наблюдения; X 0x – векторсостояния системы; X 0 – вектор состояния шума процесса; X0 – вектор состоянияшума наблюдения.2. Расчѐт сигма-точек:63 ax   ˆ a ,Xˆa χ k  χ k , χ k , χ k   Xk1k 1L  N  n  m3. Обновление процесса:L   Pka1 , Xˆ ak 1  L   Pka1 (2.11) x  f  x ,  k k k 1L m xˆX k 1  Wi i,k 1i 0LT c xˆ K 1  xˆ K 1XPk 1  Wi i, k 1  Xi , k 1i 0x Yk 1  h  k ,  kLZˆ k 1  WimYi , k 1i 0(2.12)4.

Обновление наблюдения:2LTcˆ k 1  Yi, k 1  Zˆ k 1P Z k 1Z k 1  Wi Yi, k 1  Zi 02Lc TPX ZˆˆWXYZk 1i , k 1k 1 k 1 k 1 i  0 i i, k 11K  PX k 1Z k 1 PZ k 1Z k 1X k 1  X k 1  K Z k 1  Zˆ K1Pk 1  Pk1  KPZ Z K Tk 1 k 1(2.13)2.4.2. Стратегия облѐта неподвижных препятствийНеобходимо отрегулировать направление полѐта квадрокоптера с помощьюнормального ускорения ac , необходимого для столкновения.64Рис. 2.16. Процесс облѐта препятствияНа Рис. 2.16 представлен процесс облѐта неподвижных препятствий.

В данномслучае минимальное нормальное ускорение, необходимое для облѐта препятствия i,можно записать следующим образом:Vc2Vc22  Vc2  sin ai RG d AD 2  sin  d AD(2.14)где d AG – расстояние от текущей точки до целевой точки.Для включения процесса облета неподвижных препятствий, необходимыопределенные условия:-di  d r , d r  порог расстояния облета;- вектор скорости робота Vc находится в области наблюдения scope _ i и внутриугла  i .Уравнениенормальногоускорения,необходимогодляисключениястолкновения с препятствием i , можно записать следующим образом:ai  ki  aiгде ki – коэффициент безопасности облѐта.(2.15)65В качестве нормального ускорения для облета всех препятствий выбираетсясамоебольшоеизмножествабезопасныхнормальныхускорений,т.е.ac  maxac1, ac2 ,, aci ,, acn .2.4.3.

Стратегия облѐта подвижных препятствийВ неизвестной среде квадрокоптеру нужно избежать столкновения не только снеподвижными препятствиями, но также и с подвижными препятствиями.Квадрокоптер, рассматриваемый в данной работе, в основном получаетинформацию о препятствиях с помощью нескольких бортовых датчиковрасстояния (см. рис. 2.17). Для облѐта подвижных препятствий сначала нужнополучать информацию о движении препятствий и предсказать местоположениестолкновения в режиме реального времени с помощью сигма-точечного фильтраКалмана, затем поместить виртуальное статическое препятствие в данном месте вкачестве объекта обхода.Рис.

2.17. Модель предсказанного столкновения квадрокоптера с подвижнымпрепятствиемПодобная стратегия облѐта подвижного препятствия имеет два основныхпреимущества:661) Уменьшение ненужных действий при облете препятствий, что делает полетболее стабильным, а скорость вычисления алгоритма более высокой;2) Снижение влияния визуального слепого поля на эффективность алгоритмаоблета подвижных препятствий.Работоспособность предложенного алгоритма ОП (Управление поворотом –УП)проверяласьсравнениемрезультатовмоделированиясуществующихпопулярных алгоритмов облѐта неподвижных препятствий (Нечѐткая логика – НЛ;Генетический алгоритм – ГА; Потенциальное поле – ПП; Дорожная карта – ДК;А*) в двумерной среде, как показано на Рис.

2.18.11Препятствие1098y, m76Целевая точка54Управление поворотом(УП)Нечеткая логика(НЛ)Генетический алгоритм(ГА)Потенциальное поле(ПП)Дорожная карта(ДК)A* алгоритм321Начальная точка0012345 x, м 67891011Рис. 2.18. Облѐт неподвижных препятствийВ Таблице 4 приведены данные неподвижных препятствий.Таблица 4.Данные неподвижных препятствийПрепятствиеⅠⅡⅢⅣⅤⅥКоординаты (4.0, 4.5) (1.2, 6.0) (9.0, 7.5) (6.1, 1.8) (9.0, 4.0) (2.0, 8.2)Радиус (м)1.21.01.00.80.50.767Сравнение результатов моделирования приведено в Таблице 5:Таблица 5.Сравнение результатов моделированияАлгоритмНЛВремя вычисления (с)Длина маршрута (м)ГЛППДК0.7625 2.8273 0.3833А*2.122УП2.5506 0.461818.807 16.533 5.8807 17.671 18.120 16.246Гладкий маршрутдададанетнетдаСтолкновениенетнетданетнетнетРезультаты моделирования показывают, что предложенный алгоритм имеетвысокую скорость вычисления.Дляпроверкиработоспособностипредложенногоалгоритмаоблѐтаподвижных препятствий в динамической среде добавлено подвижное препятствиена карте, результаты моделирования показаны на Рис.

2.20. Начальныекоординатыподвижногопрепятствия3.8, 9.0 ;1,1 ;скоростиускорения  0.1   x ,  0.1   y , где  x ,  y  – гауссовский шум, как показаны на Рис.2.19.-0.088Ускорение препятствия, м/c2-0.09-0.092-0.094-0.096-0.098-0.1Ускорение axУскорение ay-0.102-0.1040102030Число итераций4050Рис. 2.19. Изменение ускорения подвижного препятствия6068y,мy,мПодвижноепрепятствие10886644Неподвижноепрепятствие202406(а)y,м810x,м866442200246(в)81024x,м6810x,м810x,м(б)Целеваяточка1080Траектория движения робота0y,мСовпадение подвижного препятствияс виртуальным препятствием10Виртуальноепрепятствие2Начальнаяточка0Траектория движения препятствия100246(г)Рис.

2.20. Облѐт подвижного препятствия в динамической среде:(а) – начальный момент; (б) – момент обнаружения возможности столкновения; (в)– момент после облѐта подвижного препятствия; (г) – момент прибытия в целевуюточкуРезультаты фильтрации состояний подвижного препятствия показаны на Рис.2.21.0.040.02Oшибка, м0-0.02-0.04-0.06Ошибка координат xОшибка координат y-0.08-0.10102030Число итераций(а)405060690.3Oшибка, м/c0.20.10Ошибка скорости vxОшибка скорости vy-0.1-0.20102030Число итераций405060(б)0.9Радиус препятствия, м0.850.80.75Реальный радиусРадиус с шумам наблюденияПредсказанный радиус UKF0.70.650102030Число итераций405060(в)Рис. 2.21.

Фильтрации состояний движения подвижного препятствия:(а) – изменение ошибки координаты подвижного препятствия; (б) – изменениеошибки скорости подвижного препятствия; (в) – изменение радиуса подвижногопрепятствияРезультаты моделирования показывают, что квадрокоптер может эффективноизбегать столкновения с неподвижными и подвижными препятствиями.

Крометого, сигма-точечный фильтр Калмана (UKF) может достаточно точно предсказатьсостояния движения и радиуса подвижного препятствия.2.2. Разработка алгоритма повышения стабильности полѐтана основе многорежимной системы стабилизации70Внешняя метеорологическая обстановка значительно влияет на угловоеположение и даже безопасность полѐта квадрокоптера в наружной окружающейсреде. Из метеорологических характеристик окружающей среды, таких как ветер,облака, дождь, туман, лѐд, град, молнии и т.д., главным источником влияния наугловое положение является ветер [125]. Основная задача системы угловогоуправления полетом квадрокоптера заключается в компенсации этих возмущенийполѐта или замедлении их негативного воздействия.Для упрощения моделирования и математической обработки, пользуясьинформацией исследователей [122, 123], можно считать, что упрощенная модельветра вблизи поверхности земли имеет три компонента: ветер с постояннойвеличиной скорости; турбулентность [80, 112]; порывистый ветер [66, 112].Конструктивно аппарат квадрокоптера очень прост, так как оси винтов и углылопастей зафиксированы и регулируются лишь скорости вращения.

Длявертикального перемещения синхронно изменяются скорости вращения всехвинтов, для горизонтального перемещения нужно наклонять квадрокоптер, длячего соответствующим образом меняются скорости вращения разных винтов.Компенсациюмоментовсопротивленияобеспечиваетпротивоположноенаправление вращения пар винтов. Но нелинейность характеристик квадрокоптера,их зависимость от многих факторов, низкая помехозащищѐнность создаютопределѐнные сложности при создании системы управления полѐтом. В частности,существует проблема потери устойчивости при изменении режимов и условийполѐта, прежде всего – при изменении характера ветровых воздействий.Для решения этой задачи предлагается многорежимная система стабилизации,содержащая набор регуляторов управления угловым положением, автоматическивыбираемых в соответствии с условиями полѐта (высота, угловое положение,ветровые воздействия, режимы взлѐта-посадки), а также – подсистему аварийноговозврата к исходной точке.Другим основным возмущающим фактором полѐта квадрокоптера являетсяэкранный эффект, особенно в случае полѐта вблизи поверхности земли.

Характеристики

Список файлов диссертации