Исследование колебаний конвертопланав вертикальной продольной плоскости
https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-4-42-56
Аннотация
Цель исследования. В статье проведено математическое моделирование и исследование движения кон-вертоплана, выполненного по квадрокоптерной схеме, в переходных режимах, под которым будем пони-мать момент перехода аппарата из вертикального полета в горизонтальный и обратно, осущест-вляемый за счет изменения направления вектора тяги несущих винтов. Такие задачи изучены недоста-точно, а именно, при выполнении таких маневров может происходить значительное отклонение конвер-топлана от заданной траектории, а при определенных условиях потеря его управляемости и падение. Поэтому целью данной статьи является изучение основных закономерностей движения в переходных режимах и особенностей алгоритмов управления на основе математических моделей, описывающих управляемое движение малогабаритных беспилотных конвертопланов.
Методы. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики и механики роботов, матричный подход к определению радиус-векторов и их производных для основных точек звеньев механизма. Достоинствами матричного метода являются простота, универсальность правил при выборе осей координат для формирования матриц перехода. При изучении закономерностей движе-ния конвертоплана использовались методыматематического моделирования динамических систем с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов формирования управляю-щих напряжений, и внешних периодических возмущений. При разработке управляющих алгоритмов исполь-зовались методы теории автоматического управления. Управление осуществлялось программно с помощью ПИД регулятора, позволяющего минимизировать фактические и требуемые значения управ-ляемой величины.
Результаты. Выявлено, что при отклонении несущих винтов возникают связанные колебания, опреде-лена область параметров регулятора, при которых эти колебания в переходный период затухают и конвертоплан восстанавливает равновесное состояние. Так же выявлены зависимости отклонения реальной позиции аппарата от заданной по координатам ОХ, OY при изменении значений коэффициента дифференциальной и пропорциональной составляющих регулятора САУ соответственно. Характер изменения графиков свидетельствует о существенном влиянии коэффициентов регулятора на характер переходного процесса в части амплитудных значений ошибки и времени переходного процесса.
Заключение. Разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование движения конвертоплана в переходных режимах движения. Показано, что управление углом тангажа, а так же движение в вертикальной плоскости состоят из нескольких контуров пропорционально-диффе-ренциального управления, поэтому необходимо, что бы каждый контур имел схему, препятствующую значительному отклонению управляемых параметров от заданных значений, при которых обеспечи-вается устойчивый переход конвертоплана в горизонтальное положение. Определены параметры минимизации средней квадратической ошибки.Об авторах
С. Ф. ЯцунРоссия
Яцун Сергей Фёдорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой механики, мехатроники
и робототехники
ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040
Б. В. Лушников
Россия
Лушников Борис Владимирович, кандидат технических наук, доцент
ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040
О. В. Емельянова
Россия
Емельянова Оксана Викторовна кандидат технических наук, доцент
ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040
С. П. Стуканева
Россия
Стуканева Светлана Павловна, магистрант
ул. 50 лет Октября, 94, г. Курск, 305040
Список литературы
1. Salazar-CruzS., KendoulF., LozanoR., Fantoni, I. Real-time stabilization of a small three-rotor aircraft // IEEE Transactions on aerospace and electronic systems. 2008. 44(2).
2. Atsushi Oosedo, Satok o Abiko, Shota Narasaki, Atsushi Kuno, Atsushi Konno, Masaru Uchiyama. Flight control systems of a quad tilt rotor unmanned aerial vehicle for a large attitude change //Robotics and Automation (ICRA), IEEE International Conference on. 2015. P. 2326-2331.
3. Cai G. et al. First-principles modeling of a miniature tilt-rotor convertiplane in low-speed operation //Proc. Int. MicroAirVeh. Conf. Competition. 2016. С. 161-166.
4. Поляков Р. Ю. Разработка летательных робототехнических средств для мониторинга окружающей среды на основе бионических идей //Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций: материалы XIII науч.-практ. конф. М.: ФКУ Центр «Антистихия» МЧС России, 2014. С. 101-102.
5. Емельянова О. В. [и др.] Мобильный летательный комплекс для раннего обнаружения очагов возгорания //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2018. С. 38.
6. Патент на полезную модель № 157967, МПК В64С 25/62. Движитель воздушный с изменяемым вектором тяги / Яцун С.Ф., Ефимов С.В., Мищенко В.Я., Яцун А.С., Емельянова О.В., Мартинез А. (РФ). № 2015131037/11 от 27.07.2015.
7. Патент на полезную модель №164555, МПК В64С 27/08. Летательный аппарат, выполненный по схеме трикоптера / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Емельянова О.В., Савин А.И. (РФ). № 2015148004/11 от 09.11.2015.
8. Патент на полезную модель №166334, МПК В64С 27/08. Мультироторный аппарат с изменяемым вектором тяги / Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Емельянова О.В., Са-вин А.И. (РФ). № 2016107088/11 от 29.02.2016.
9. Патент на полезную модель №166334, МПК В64С 33/02. Орнитоптер / С.Ф. Яцун, В.Я.Мищенко, А. Мартинез, О.В. Емельянова (РФ). №2019102951 от 04.02.2019.
10. Сантьяго М. Л. А., Емельянова О. В., Яцун С. Ф. Исследование колебаний конвертоплана-квадрокоптера при переходном режиме в вертикальной продольной плоскости //Наука и образование: отечественный и зарубежный опыт. 2019. С. 23-31.
11. Мартинез Леон А.С. Разработка конструкции конвертоплана // Сборник научных трудов 2-й Международной научно-практической конференции: в 2 т. Курск, 2015.Т. 2.С. 265-268.
12. Математическое моделирование робота с переменным вектором тяги/ В. Е.Павловский, С. Ф.Яцун, О. В.Емельянова, С. П. Стуканёва // Беспилотные транспортные средства с элементами искусственного интеллекта (БТС-ИИ-2015): труды второго всероссийского научно-практического семинара. СПб.: Изд-во «Политехника-сервис», 2015. С.99-106.
13. Яцун С. Ф., Емельянова О.В., Савин А.И. Моделирование движения квадрокоптера при отклонении осей несущих винтов относительно корпуса // Вибрационные технологии, мехатроника и управляемые машины: сб. науч. ст.: в 2ч. / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2014. Ч.1. С.329 - 338.
14. JatsunS. etal. ControlfligthofaUAVtypetricopterwithfuzzylogiccontroller //DynamicsofSystems, MechanismsandMachines (Dynamics). IEEE, 2017. С. 1-5.
15. Yatsun A., Lushnikov B., Emelyanova O. Motion Control Automation in the Quadcopter Convertiplane in a Transient Mode //International Russian Automation Conference (RusAutoCon). IEEE, 2018. С. 1-6.
16. Jatsyn S. F. et al. Mathematical model of the quadrotor type unmanned aerial vehicle with neurocontrollerl //Advances in Robotics, Mechatronics and Circuits: proc. of the 18th Int. Conf. onCircuits. 2014. С. 46-50.
17. Павловский М. А., Акинфиева Л. Ю., Бойчук О. Ф. Теоретическая механика: Динамика.Киев: Выща шк., 1990.
18. Синтез параметров электроприводов БПЛА типа конвертоплантрикоптер/ О.В. Емельянова, Г.К. Казарян, А.С. Мартинез Леон, С.Ф. Яцун, С.П. Стуканева// IV Международная школа-конференция молодых ученых «Нелинейная динамика машин» School-NDM 2017: сборник трудов. М.: ИМАШ РАН, 2017. С. 239-249.
19. Ефремов А. В., Захарченко В. Ф., Овчаренко В. Н. Динамика полета / под ред. Г.С. Бюшгенса. М.: Машиностроение,2011. 776 с.
20. EmelyanovaО.V., Kazaryan G.K., Martinez Leon A.S., Jatsun S.F. The synthesis of electric drives characteristics of the UAV of “convertiplane – tricopter” type/MATEC Web Conf. Volume 99, 2017 2016 Workshop on Contemporary Materials and Technologies in the Aviation Industry (CMTAI2016). DOI: http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20179902002.
Рецензия
Для цитирования:
Яцун С.Ф., Лушников Б.В., Емельянова О.В., Стуканева С.П. Исследование колебаний конвертопланав вертикальной продольной плоскости. Известия Юго-Западного государственного университета. 2019;23(4):42-56. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-4-42-56
For citation:
Yatsun S.F., Lushnikov B.V., Emelyanova O.V., Stukaneva S.P. Study of Tiltrotor Oscillations in a Vertical Longitudinal Plane. Proceedings of the Southwest State University. 2019;23(4):42-56. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-4-42-56