Белоконь С.А. Разработка матмоделей, методов и средств исследования аэродинамики (2018) (1245245), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Разработан новый метод управления угловым положением летательногоаппарата. Метод основан на расчете потребных моментов вращения ипозволяет привести летательный аппарат в заданное пространственноеположение по определенным заранее желаемым траекториям в пространствесостояний системы.2. Организация вынужденного движения по заданным траекториям впространствесостоянийсистемыпозволилаполучитьустойчивыепереходные процессы без перерегулирования с заданным временемпереходного процесса.3. Проведено численное моделирование в системе MATLAB/Simulink сиспользованиеммоделитехнологическоголетательногоаппарата,представленной в главе 2 данной работы. По вычисленным потребныммоментамрассчитанынеобходимыеуглыотклоненияуправляющихповерхностей.
Моделирование подтвердило эффективность предложенногометода для управления угловым положением.57Глава 4. Планирование маршрутов движения летательногоаппарата с использованием гладких траекторий4.1 ВведениеПри разработке и применении беспилотных летательных аппаратовнеобходимо обеспечение их автономного полета. Для этого следует решить такиезадачи, как: планирование маршрута перед полетом и в процессе полета;управление траекторным полетом и стабилизация БПЛА; навигация.
Одной изосновныхзадачявляетсяпланированиемаршрута,которыйобеспечитбезопасное и эффективное перемещение аппарата из текущего местоположения кжелаемой цели [78, 79].Длярешенияпроблемыпланированиямаршрута,заданногопоследовательностью поворотных пунктов маршрута (ППМ), используются дваосновных метода. В первом способе аппарат должен следовать за точкой,передвигающейся вдоль желаемой траектории с установленной скоростью; этотспособ называется «отслеживанием траектории» [80]. При этом неявно требуется,чтобы аппарат находился в определенном положении в определенное время.Второй способ – это «следование вдоль пути» [81].
Цель следования вдоль пути– нахождение аппарата на пути, а не в определенном положении в определенноевремя. Алгоритмы следования вдоль пути используют либо метод векторныхполей, либо метод потенциальных полей [82, 83].Полученный алгоритмом планирования маршрут должен быть реализуемБПЛА.
Основное различие между планированием маршрута наземного робота иБПЛА заключается в том, что летательные аппараты имеют ограничения,связанные например с маневрированием, минимальной скоростью движения,направлением движения только вперед [84 — 86].58Алгоритм планирования маршрута определяет количество упорядоченныхпутевых точек на карте, которые необходимо последовательно связывать, чтобысформировать путь.
Соединение путевых точек может быть достигнуторазличными способами, каждый из которых имеет свои преимущества инедостатки. Можно выделить две основные категории [87]:• соединение прямых и дуговых сегментов;• использование сплайнов.Простой и интуитивно понятный способ получения непрерывных путей безуглов состоит в том, чтобы начертить круг между двумя линиями. В 1957 годуДубинс показал, что для частицы, которая движется вперед с постояннойскоростью, кратчайший путь между исходным положением с определеннойориентацией(начальнаяпозиция)иконечнымположениемсзаданнойориентацией (финишная позиция), состоит из не более трех частей, каждая изкоторых является либо прямой, либо дугой окружности радиуса R>0 [88].ОсновнымнедостаткомдиаграммДубинсаявляетсяразрывкривизны,возникающий в точках сопряжения прямой и дуги окружности.Использование сплайнов для соединения путевых точек позволяет создаватьнепрерывные маршруты, но форма траектории может быть непрактичной инеэффективной.
Кроме того, использование сплайнов подразумевает, что покрайней мере одна из управляющих поверхностей всегда будет активной из запостоянно меняющейся кривизны. Для более быстрой и надежной оценкинеизвестных внешних возмущений (течение, ветер) так же предпочтительнеедвижение по прямой [87].В работе [87] предложен алгоритм построения криволинейной траектории наплоскости, основанный на использовании спиралей Ферма. Спираль Фермаобладает нулевой кривизной в начале, что позволяет ей плавно соединяться спрямой.
Кроме того, спирали Ферма описываются простыми параметрическимиуравнениями, которые тривиальны для вычисления. В работе приведеноподробное описание процесса построения маршрута непрерывной кривизны.59Алгоритм может использоваться как для построения маршрута («глобальноепланирование»), так и для отслеживания траектории движения в реальномвремени.В статье [89] применен подход к построению траектории движения,основанный на соединении сегментов кубических сплайнов. На основаниикривизны траектории и ограничений объекта определяется профиль скорости.Таким образом, сложная нелинейная динамика летательного аппарата отделена отгеометрического планирования пути и генерации траектории.
Представлена такжесистема слежения за траекторией. Эффективность предложенных алгоритмовподтверждена испытаниями на беспилотном мультироторном аппарате.В работе [79] предложен адаптивный алгоритм планирования маршрута вреальном времени на основе двухуровневого программирования и переменногоинтервалапланирования.Алгоритмучитываетизменениехарактеристиклетательного аппарата при выполнении различных миссий, а так же на отдельныхэтапах миссий, что позволяет при необходимости перестроить траекторию полета.В работе [90] описан подход к решению задачи планирования траекториибеспилотноголетательногоаппаратамультикоптерноготипавусловияхограничений на динамику полета. Предложен метод определения ограничений нагеометрию полета по имеющейся модели движения и метод планирования,учитывающий эти ограничения. Применение описанного подхода позволяетдобиться следующих преимуществ: на этапе планирования не требуетсявыполнять ресурсоемкое моделирование полета; построенный планировщикомпуть реализуем при некоторых допустимых условиях (заданных режиме полета,ветровых нагрузках и т.
д.), т. е. учитывает ограничения на динамику движенияобъекта управления, задаваемые математической моделью. Приведены результатыэкспериментальныхисследованийалгоритма.Вкачествемодельнойрассматривается задача планирования траектории маловысотного полета вгородских условиях.60В статье [91] представлен новый подход к решению задачи планирования вреальном режиме времени трехмерной траектории движения беспилотноголетательного аппарата в условиях сложного рельефа местности, в основе которогоположенметодуправленияспрогнозирующимимоделями.Результатымоделирования разработанного алгоритма показали, что с его помощью вреальном режиме времени БПЛА успешно избежал все препятствия. Данныйалгоритм, полностью учитывающий ограничения на маневренные качества БПЛА,может эффективно применяться при его движении в неизвестных средах или вситуации постепенного обнаружения препятствий в условиях реального полёта.Работааппаратами.[92]посвященаРассматриваетсяуправлениюнесколькобеспилотнымисхемдлялетательнымипереходовмеждуконфигурациями путевых точек с использованием алгоритмов следования попрямолинейной и круговой траекториям.
Описывается переход между сегментамимаршрута с путевыми точками, использующий полуплоскость и вставлениескругления между сегментами. Вводятся в рассмотрение траектории Дубинса ипоказано, как построить такую траекторию между конфигурациями путевыхточек.В [93] задача планирования траекторий формулируется как задачаопределения траектории динамической системы с заданными начальным итерминальным условиями, которая минимизирует некоторый функционал,характеризующий интегральный риск и терминальный промах.
Решается задачаопределения оптимальной допустимой траектории при заданном стационарномраспределении рисков и заданном рельефе местности. Предполагается движение спостоянной линейной скоростью, причем траектория выбирается с цельюминимизации интегрального риска и отклонения от заданных границ высотыполета.В работе [94] представлен алгоритм планирования маршрута для несколькихБПЛА, позволяющий им одновременного приходить к цели.
Маршрут состоит изпрямых отрезков, соединенных клотоидами. В данной работе клотоиды61используются для выравнивания длины пути всех объектов, а так же дляпредотвращения столкновения объектов.В статье [86] представлен алгоритм, который позволяет найти кратчайшийпуть при маневрировании БПЛА. Метод вычисления кратчайшего пути для БПЛАопределяется теорией кривых Дубинса. Для отслеживания траектории во времядвижения разработан алгоритм планирования маршрута в реальном временипутем преобразования ограничений кривой Дубинса в уравнение динамики.Результаты численных экспериментов показывают эффективность предложенногоалгоритма для планирования маршрутов БПЛА.В работе [95] рассмотрен алгоритм планирования разворота летательногоаппарата с использованием полиномов по энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
