Прикладные методы синергетического синтеза систем управления беспилотными летательными аппаратами с жестким крылом

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Ингабире Алин
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Введение ……………………………………………………………………………………………………. 5
Глава 1. Математическое описание динамики БПЛА с жестким крылом
и обзор методов синтеза автопилотов для управления их движением………… 14
1.1 Классификация БПЛА ………………………………………………………………………. 14
1.2 Системы координат БПЛА ………………………………………………………………… 18
1.3 Нелинейная математическая модель БПЛА ……………………………………….. 23
1.4 Модели продольного и бокового движения ……………………………………….. 33
1.4.1 Модель продольного движения …………………………………………………… 33
1.4.2 Модель бокового движения ………………………………………………………… 35
1.5 Линейные методы управления БПЛА ………………………………………………… 37
1.5.1 Линейно-квадратичный регулятор ………………………………………………. 38
1.5.2 Линейно-квадратичное гауссово управление ………………………………. 44
1.6 Нелинейные методы управления БПЛА …………………………………………….. 48
1.7 Выводы по первой главе ……………………………………………………………………. 53
Глава 2. Прикладной метод синергетического синтеза законов управления
пространственным движением беспилотными летательными аппаратами в
условиях ветровых возмущений ……………………………………………………………….. 54
2.1 Проблема управления беспилотным летательным аппаратом в среде с
ветровыми возмущениями………………………………………………………………………. 54
2.2 Влияние ветра на динамику БПЛА ……………………………………………………. 56
2.3. Атмосферная турбулентность и ее влияние на полет ………………………… 59
2.4 Математическая модель движения беспилотного летательного аппарата
в условиях ветровых возмущений …………………………………………………………… 65
2.5 Процедура синергетического синтеза законов управления по базовой
нелинейной модели пространственного движения БПЛА ……………………….. 69
2.6. Учет реальной аэродинамической схемы БПЛА ……………………………….. 85
2.7. Процедура метода синергетического синтеза законов управления
пространственным движением БПЛА в условиях ветровых возмущений … 92
2.8. Выводы по главе ………………………………………………………………………………. 93
Глава 3. Прикладной метод синергетического синтеза законов управления
пространственным движением БПЛА при разделении задач продольного и
бокового движений в условиях ветровых возмущений ……………………………… 94
3.1. Процедура синергетического синтеза законов управления продольным
движением БПЛА в условиях ветровых возмущений ………………………………. 99
3.2. Процедура синергетического синтеза законов управления боковым
движением БПЛА в условиях ветровых возмущений …………………………….. 109
3.3. Исследование системы пространственного движения БПЛА с
жестким крылом при взаимодействии систем управления продольным
и боковым движением ………………………………………………………………………….. 120
3.4. Процедура прикладного метода синергетического синтеза законов
управления пространственным движением БПЛА при разделении задач
продольного и бокового движения в условиях ветровых возмущений …… 131
3.5. Выводы по главе …………………………………………………………………………….. 134
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 136
Список литературы ………………………………………………………………………………… 138
Приложение А. Листинг программы синергетического синтеза векторного
нелинейного регулятора пространственным движением БПЛА с
жестким крылом …………………………………………………………………………………….. 152
Приложение Б. Схема моделирования БПЛА ………………………………………….. 174
Приложение В. Схема моделирования блока управления БПЛА ……………… 175
Приложение Г. Листинг функции вычисления управляющих воздействий . 176
Приложение Д. Листинг программы вычисления воздействий на
управляющие органы БПЛА …………………………………………………………………… 187
Приложение Е. Модернизированная схема моделирования БПЛА…………… 194
Приложение Ж. Аэродинамическая схема БПЛА ……………………………………. 195
Приложение И. Блок преобразования управляющих воздействий ……………. 196
Приложение К. Листинг программы синергетического синтеза векторного
нелинейного регулятора продольным движением БПЛА с жестким крылом . 199
Приложение Л. Схема моделирования замкнутой системы управления
продольным движением БПЛА с жестким крылом ………………………………….. 210
Приложение М. Блок вычисления аэродинамических сил и моментов при
продольном движении БПЛА …………………………………………………………………. 211
Приложение Н. Блок вычисления управляющих воздействий …………………. 212
Приложение П. Функция для вычисления управляющих воздействий …….. 213
Приложение Р. Листинг программы синергетического синтеза векторного
нелинейного регулятора боковым движением БПЛА с жестким крылом …. 221
Приложение С. Схема моделирования замкнутой системы управления
боковым движением БПЛА с жестким крылом ……………………………………….. 230
Приложение Т. Аэродинамическая схема БПЛА …………………………………….. 231
Приложение У. Система управления боковым движением ………………………. 232
Приложение Ф. Блок вычисления управляющих воздействий …………………. 233
Приложение Х. Схема моделирования комбинированной системы
управления …………………………………………………………………………………………….. 236
Приложение Ц. Подсистема управления боковым движением…………………. 237
Приложение Ш. Блок вычисления управляющих воздействий ………………… 238
Приложение Щ. Подсистема управления продольным движением ………….. 241
Приложение Э. Блок вычисления управляющих воздействий ………………….. 242
Приложение Ю. Аэродинамическая схема БПЛА ……………………………………. 249
Приложение Я. Математическая модель БПЛА ………………………………………. 250
Приложение 1. Блок вычисления правых частей дифференциальных
уравнений ………………………………………………………………………………………………. 251
Приложение 2. Модифицированная схема моделирования комбинированной
системы управления ……………………………………………………………………………….. 252

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены
объект, цель и предмет исследования, сформулирована научная задача и
методы исследования, описаны положения, выносимые на защиту, их научная
новизна и соответствие паспорту специальности.
В первой главе произведен аналитический обзор существующих
подходов к описанию динамики полета БПЛА с жестким крылом и в рамках
первой частной задачи исследований обоснован выбор математических
моделей, наиболее адекватно описывающих их поведение в характерных
режимах движения, которые были проанализированы в рамках второй
частной задачи исследования.
Для рассматриваемого класса объектов были рассмотрены наиболее
распространённые существующие подходы к разработке автопилотов.
Выявлено, что достаточно часто на практике получили применение подходы,
опирающиеся на раздельное рассмотрение режимов полета БПЛА в
продольной и боковой плоскостях. В частности, был представлен анализ
систем управления продольной динамикой полета БПЛА с жестким крылом с
использованием линейно-квадратичного регулятора (ЛКР) и линейно-
квадратичного гауссово управления (ЛКГ), которое представляет собой
комбинацию ЛКР с фильтром Калмана. Рассматриваемые системы с
достаточно хорошим качеством способны регулировать отклонение угла
тангажа от требуемого значения в области небольших отклонений. Однако
эти системы не способны гарантировать эффективное функционирование
системы при больших отклонениях и при необходимости управления по
нескольким координатам.
Отдельное внимание уделено вопросам разработки нелинейных
регуляторов для систем управления БПЛА с жестким крылом, которые все
чаще используются для обеспечения надежности движения, расширения
областей устойчивого движения, компенсации внешних и параметрических
возмущений. Именно нелинейные автопилоты имеют наибольшие
перспективы при создании высокоточных и надежных систем управления
полетом. Однако большинство известных подходов требуют применение
определенных допущений при рассмотрении режимов работы БПЛА с
жестким крылом.
Сделанный в главе анализ современных разработок в области
построения нелинейных автопилотов для систем управления БПЛА,
позволяетопределитьметоданалитическогоконструирования
агрегированных регуляторов (АКАР) синергетической теории управления
(СТУ) как основной метод синтеза, который будет использован в настоящем
диссертационном исследовании для проведения процедур синтеза векторных
нелинейных систем управления пространственным движением БПЛА. При
применении метода АКАР используются достаточно полные нелинейные
модели движения БПЛА, осуществляется проектирование систем управления,
гарантирующих асимптотически устойчивое поведение замкнутых систем и
инвариантность их к неизмеряемым возмущающим воздействиям.
Во второй главе рассматривается проблема управления БПЛА с
жестким крылом в среде с ветровыми возмущениями, а также предлагается
новыйметодсинергетическогосинтезазаконовуправления
пространственным движением БПЛА в условиях ветровых возмущений.
В рамках решения третьей частной задачи исследования
рассматривается модель пространственного движения БПЛА в связанной
системе координат с учетом действия ветровых возмущений:
x  t   Vx cos cos   Vy  sin  sin  cos  cos sin   
Vz  cos  sin  sin  cos sin   ;
y  t   Vx sin   Vy cos  cos   Vz sin  cos  );
z  t   Vx sin cos   Vy  sin  cos  cos  sin sin   
Vz  cos  cos  sin  sin sin   ;
Vx  t   Vy z  Vz  y  (u1  mg sin  )  Wx ;
m
Vy  t   Vz  x  Vx z   u2  mg cos  cos    Wy ;
(1)
m
Vz  t   Vx y  Vy x   u3 qS  mg cos  sin    Wz ;
m
I I1I I1
 x  t   y z  y z  u4 Sql ;  y  t   z x  x z  u5 Sql ;
IxIxIyIy
Ix  I y1
z  t   x y u6 SqbA ;   t    y sin    z cos  ;
IzIz
 y cos   z sin   ,
  t    x  tg ( y cos    z sin  ;   t  
cos 
где x, y, z – координаты центра масс БПЛА в земной системе координат;
Vx ,Vy ,Vz – проекции вектора линейной скорости БПЛА на оси связанной
системы координат;  x ,  y ,  z – проекции вектора угловой скорости БПЛА на
оси связанной системы координат;  ,  , – углы тангажа, крена и рыскания
БПЛА соответственно; g – ускорение свободного падения; m – масса
БПЛА; I x , I y , I z – моменты инерции БПЛА относительно соответствующих
осей; S – площадь крыла аппарата; q – скоростной напор, определяемый
формулой q   Va2 ;  – плотность воздуха; Va – величина воздушной
скорости; l – размах крыла; bA – средняя аэродинамическая хорда крыла
БПЛА; Wx ,Wy ,Wz – проекции ветровых возмущений (проекции силы ветра);
u1  cx qS  Pcos ; u2  c y qS  P sin  ; u4  mx ; u3  cz ; u5  my ; u6  mz ; P –
сила тяги двигателя БПЛА; cx , c y , cz – коэффициенты аэродинамических сил;
mx , m y , mz – коэффициенты аэродинамических моментов.
В соответствии с процедурой синтеза для рассматриваемой системы
необходимо ввести шесть инвариантов, которые должны выполняться в
замкнутой системе и формировать необходимую динамику поведения БПЛА.
Очевидно, что под воздействием синтезируемой системы пространственного
управления, БПЛА должен осуществлять движение в заданном направлении и
с соблюдением выделенного эшелона полета, при этом необходимо сохранять
требуемую скорость, а также ориентацию в пространстве БПЛА. Исходя из
этих целей управления БПЛА можно сформировать необходимую
совокупность инвариантов: инвариант линейной скорости БПЛА Vx  Vx* ,
инвариант высоты полета y  y0 , инвариант направления движения z  z0 и
инварианты пространственной ориентации   0 ,    0 ,    0 . Здесь Vx*
– желаемое значение линейной скорости движения БПЛА, y0 – требуемая
высота полёта, z0 – необходимое боковое смещение, 0 – требуемое
значение угла тангажа,  0 – требуемое значение угла крена,  0 – требуемое
значение угла рыскания.
В соответствии с выбранной совокупностью инвариантов составляется
модель синергетического синтеза, в которой действие неизмеряемых
ветровыхвозмущающихвоздействийоцениваетсяспомощью
дополнительных переменных состояния регулятора z1 , z2 , z3 :
x  t   Vx cos cos   Vy  sin  sin  cos  cos sin   
Vz  cos  sin  sin  cos sin   ;
y  t   Vx sin   Vy cos  cos   Vz sin  cos  );
z  t   Vx sin cos   Vy  sin  cos  cos  sin sin   
Vz  cos  cos  sin  sin sin   ;
Vx  t   Vy z  Vz  y  (u1  mg sin  )  z1 ;
m
Vy  t   Vz  x  Vx z   u2  mg cos  cos    z2 ;
m(2)
Vz  t   Vx y  Vy x   u3 qS  mg cos  sin    z3 ;
m
I y  Iz1I I1
x  t   y z  u4 Sql ;  y  t   z x  x z  u5 Sql ;
IxIxIyIy
Ix  I y1
z  t   x y u6 SqbA ;   t    y sin    z cos  ;
IzIz

  t    x  tg ( y cos    z sin  ;   t  
cos 
 y cos   z sin   ;
z1  t   1 Vx  Vx*  ; z2  t   2  y  y0  ; z3  t   3   0  ,
где 1 , 2 ,3 – константы, определяющие динамику оценки влияния
возмущений.
На первом этапе синтеза вводится совокупность из шести
макропеременных
1  Vx*  Vx  z1 ;  2  Vy  1 ;  3  Vz   2 ;
(3)
 4   x  3 ; 5   y   4 ;  6   z  5 ,
удовлетворяющаярешению i  0, i  1, 6системыфункциональных
уравнений
Ti  i  t    i  0, i  1, 6 .(4)
Здесь Ti , i  1, 6 – постоянные времени, определяющие время попадания
изображающей точки (ИТ) замкнутой системы в окрестность пересечения
инвариантных многообразий (ИМ)  i  0 ; i , i  1,5 – некоторые функции,
называемые в СТУ «внутренними управляющими воздействиями».
При попадании ИТ замкнутой системы на пересечение ИМ
 i  0, i  1, 6 в системе в силу уравнений (3) и (4) будут гарантированно
выполняться следующие соотношения: Vx  Vx*  z1 ; Vy  1 ; Vz   2 ;  x  3 ;
 y  4 ;  z  5 . Тогда, в соотвествии с принципом расширения-сжатия
фазового пространства СТУ, в замкнутой системе происходит динамическая
декомпозиция на пересечении ИМ  i  0, i  1, 6 , и поведение системы в
окрестности данного пересечения ИМ будет описываться редуцированной
системой дифференциальных уравнений:
x  t   Vx*  z1  cos  cos  1  sin  sin  cos  cos sin   
  2  cos  sin  sin  cos sin   ;
y  t   Vx*  z1  sin   1 cos    2 sin   cos  ;
z  t    Vx*  z1  cos  sin  1  sin  cos  cos  sin sin   (5)
  2  cos  cos  sin  sin sin   ;
  t    4 sin   5 cos  ;   t   3  tan   4 cos   5 sin   ;
4 cos   5 sin 
 t  ; z1  t   1 z1 ; z2  t    2  y0  y  ; z3  t   3  0   .
cos 
На втором этапе синтеза для декомпозированной системы (5) введем
вторую совокупность макропеременных:
 7  y0  y  z2 ;  8   0   z3 ;
 9  z0  z ; (6)
10  0   ;11   0   ,
удовлетворяющую решению  i  0, i  7,11 системы функциональных
уравнений:
Ti  i  t    i  0, i  7,11(7)
Совместное решение (6) и (7) с учетом декомпозированной системы (5)
позволяет получить выражения для внутренних управляющих воздействий
i , i  1,5 , выражения которых не здесь приводятся ввиду ограниченности
объема автореферата. С учетом полученных выражений для внутренних
управлений и математической модели синтеза (2) из совместного решения (3)
и (4) получаем выражения для базового векторного закона управления БПЛА
с жестким крылом: ui , i  1, 6 .
В рамках четвертой частной задачи исследования рассматривается
методика учета реальной компоновочной схемы БПЛА при реализации
синергетических законов управления БПЛА. При рассмотрении БПЛА с
жестким крылом мы располагаем следующим набором регулирующих
органов: P – сила тяги двигателя;  э – угол отклонения элеронов;  В – угол
отклонения руля высоты;  Н – угол отклонения руля направления. Задачей
является определение законов управления регулирующими органами БПЛА
через полученные выражения базовых алгоритмов управления ui , i  1, 6 . Для
этого составлена схема связи:
u1   cx0  cx   cx В  В  qS  P cos  ; u2   c 0y  cy   cy В  В  qS  P sin  ;

u4  mx  
2 V  Vy2  Vz2
l
mx
x
y

 x  mx  y  mx  э  mx  Н ;
эН

x

m
lxy(8)
u5  m y  y x  m y  y  my  э  my  Н ;
эН

2 V V V
x
y
z
l
u3  cz0  cz   cx Н  Н ; u6  mz  mz z  z  mz В  В ,
V  Vy2  Vz2
x
где  – угол атаки,  – угол скольжения, cij , mik – постоянные
коэффициенты, i   x, y, z , j  0,  ,  В ,  Н  , k   ,  ,  x ,  y ,  z ,  В ,  Э ,  Н  .
В результате выполнения некоторых математических преобразований
находим выражения для управления регулирующими органами БПЛА.
Полученные в результате применения сформулированной в рамках пятой
частнойзадачиисследованияпроцедурыприкладногометода
синергетического синтеза законов управления пространственным движением
БПЛА с жестким крылом в условиях ветровых возмущений и учета его
реальной компоновочной схемы выражения для законов управления
представлены в тексте диссертации. В рамках девятой частной задачи
исследования были разработаны программы аналитического синтеза законов
векторного управления БПЛА с жестким крылом и программы для
компьютерного моделирования.
Эффективность синтезированной системы управления БПЛА
исследовалась методом компьютерного моделирования. При моделировании
предполагалось, что на БПЛА воздействует ветровые возмущения, проекции
скорости которых имеют форму, представленную на рис. 1 – 3.

Рис. 1. ПроекцияРис. 2. ПроекцияРис. 3. Проекция скорости
скорости ветра на ось xскорости ветра на ось yветра на ось z

Результаты моделирования,представленные нарис.4–7,
демонстрируют, что синтезированная замкнутая системауправления
пространственным движением БПЛА с жестким крыломобеспечивает
решение заданных технологических задач, а такжегарантирует
асимптотическую устойчивость системы и инвариантностьк действию
ветровых возмущений.

Рис. 4. ГрафикиРис. 6. Графики
Рис. 5. График
переходных процессов попереходных процессов
переходного процесса
проекциям курсовойуглов тангажа, крена и
курсовой скорости БПЛА
скорости БПЛАрысканья

Рис. 7. Траектории движения БПЛА в пространстве
В третьей главе решаются шестая, седьмая и восьмая частные задачи
исследования, а также дополняется решение девятой частной задачи.
Рассмотренные в предыдущей главе процедуры синтеза законов
управления БПЛА с жестким крылом по полной нелинейной модели
пространственного движения БПЛА дают достаточно сложный результат,
который может требовать больших вычислительных ресурсов для
реализации. При этом, так как мы рассматриваем небольшие БПЛА, для нас
важно обеспечить минимальные расходы энергии, чтобы обеспечить большее
время полета БПЛА. В этом случае целесообразно предложить более простые
алгоритмы управления БПЛА, обеспечивающие решение поставленной
технологической задачи и асимптотически устойчивое поведение
управляемого БПЛА. При этом потребуется рассмотрение математической
модели пространственного движения БПЛА, записанную в траекторной
системе координат, из которой при выполнении общепринятых допущений
получаются частные модели продольного и бокового движения. Данной
совокупностью моделей можно описывать поведение БПЛА при различных
задачах пространственного движения. В диссертации отмечалось, что
предлагаемый подход к построению систем управления БПЛА может быть
использован для проектирования перспективных систем управления
пространственным движением БПЛА, выполняющих доставку в автономном
режиме лекарственных препаратов и других средств в труднодоступные
районы. На рис. 8 представлено возможное разбиение общей доставки груза
на фазы в продольной и боковой плоскостях.

Рис. 8. Перемещение в продольной и поперечной плоскостях

В рамках решения шестой частной задачи исследования на основе
общеизвестной модели движения БПЛА в продольной плоскости с учетом
действия на БПЛА ветровых возмущений и сформированной совокупности
технологических инвариантов для задачи движения в продольной плоскости (
Vk  Vk0 , H  H 0 ) в соответствии с предложенной процедурой составляется
расширенная модель синергетического синтеза системыуправления
продольным движением БПЛА:
P
Vk (t )   g sin   cos       
m
qS  cx  cx      cx  В  cos       1
В
 0

 z1 ;
m   c 0y  cy      cy В  В  sin     
 
gP
 (t )  cos  sin       
VkmVk
(9)
qS  cx  cx      cx  В  sin       1
0В

 z2 ;
mVk   c 0y  cy      cy В  В  cos     
 
qSbA l z
 mz      mz  z  mz  В  ; x(t )  Vk cos  cos  ;
В
z (t ) *

IzV k
H (t )  Vk sin  ; (t )   z ; z1   t   1  Vk0  Vk  ; z2   t   2   H 0  H  ,
1111

где Vk – путевая скорость;  – угол наклона траектории полета к горизонту;
x – дальность полёта; H – высота полёта;  * – текущее значение угла
пути; z1  , z2  – внутренние динамические переменные подсистемы
управления продольным движением, с помощью которых оценивается
влияние ветровых возмущений на БПЛА; 1  ,  2  – постоянные
коэффициенты; Vk0 – задание по скорости движения БПЛА; H 0 – задание по
высоте полета.
Разработанная процедура синтеза предполагает введение двух
совокупностей макропеременных и функциональных уравнений, указанных в
таблице 1. Применение предложенной процедуры синтеза позволяет
получить выражения для законов управления продольным движением БПЛА,
которые приведены в тексте диссертации.

Таблица 1 – Совокупность макропеременных и функциональных уравнений
для системы управления продольным движением
МакропеременныеФункциональные уравнения
Первая1
1  Vk  Vk  z1
01
T1 1  t   1   0
1 11

совокупность
 2   sin   1 T2   2   t    2   0
11111

Вторая 3   H 0  H  z2 T3   3   t    3   0
11111

совокупность
В рамках решения седьмой частной задачи исследования
сформирована расширенная модель синергетического синтеза систем
управления боковым движением БПЛА, которая учитывает оценки
действующих ветровых возмущений и технологические инварианты для
задачи бокового движения     0 ,    0  :


P* cos   qS cx0  cx в  в* sin   
 (t ) *
mVk


P* sin   qS c 0y  cy в  в* cos   
* 
mVk

qS  cz      cz н н 

mVk*
 cos      sin        z   ;
qSl  
 x (t ) 
Ix 
l
2Vk
xy

 mx      * mx  x  mx  y  mx  э  mx  н  
эн



Iz  I y
 y2 ;(10)
Ix
qSl  
 y (t ) 
Iy 
l
2Vk
x

 m y      * m y  x  m y  y  m y  э  m y  н  
yэн
 
Ix  Iz
 x y  ;
Iy
z (t )  Vk* sin ;  (t )   x ;  (t )   y ;
z1
2
 t   1 2   0    ; z2 2  t   2 2  0    ,
где  – угол пути;  0 – требуемый значении угол пути БПЛА,  0 –
необходимый угол крена; z1  , z2  – внутренние динамические переменные
подсистемы управления боковым движением, с помощью которых
оценивается влияние ветровых возмущений на БПЛА; 1  ,  2  – постоянные
коэффициенты.
Процедура синтеза системы управления боковым движением
предполагает введение двух совокупностей макропеременных и
функциональных уравнений, указанных в таблице 2. Предложенная
процедура синтеза позволяет получить выражения для законов управления
боковым движением БПЛА, которые приведены в тексте диссертации.
Полученные результаты моделирования для продольного и бокового
движения позволяют сделать утверждение, что синтезированные системы
управленияпродольнымибоковымдвижениемобеспечивают
асимптотически устойчивое поведение БПЛА при движении соответственно в
продольной и поперечной плоскостях, а также гарантируют компенсацию
влияния внешних неизмеряемых возмущающих воздействий, имеющих
кусочно-постоянную форму.
Таблица 2 – Совокупность макропеременных и функциональных уравнений
для системы управления боковым движением
МакропеременныеФункциональные уравнения
Первая
1 1  t   1
 2 2 2  2 2
1      z1
T0
совокупность
 2    x  1 T2   2   t    2   0
22222

 3   H 0  H  z2T3   3   t    3   0
Вторая22222

совокупность

В рамках решения восьмой частной задачи исследования разработана
процедура прикладного метода синергетического синтеза систем управления
пространственным движением БПЛА, использующего принцип разделения
задач управления продольным и боковым движением БПЛА, а также
обеспечивающего инвариантность синтезируемых систем к действию
внешних неизмеряемых возмущений:
1. Записывается математическая модель БПЛА в траекторной системе
координат. Определяются уравнения аэродинамических сил и моментов,
соответствующие конкретной компоновочной схеме БПЛА.
2.Выполняетсяпроцедурасинтезанелинейнойсистемы
синергетического управления продольным движением БПЛА. В рамках
которой выполняются следующие действия:
2.1. Записывается модель продольного движения БПЛА, учитывающая
действие ветровых возмущающих воздействий. При составлении модели
переменные общей модели пространственного движения, которые не входят в
модель продольного движения, полагаются равными некоторым постоянным
значениям:    *  const .
2.2. Записываются уравнения аэродинамических сил и моментов,
соответствующие модели продольного движения.
2.3. Определяются технологические инварианты, выполнение которых
должно гарантироваться в синтезируемой системе управления продольным
движением БПЛА.
2.4. Составляется расширенная модель синергетического синтеза
системы управления продольным движением БПЛА (9).
2.5. Вводится первая совокупность макропеременных  i  , i  1, 2 .
2.6. Записывается декомпозированная модель синергетического
синтеза продольным движением БПЛА, описывающая поведение БПЛА на
пересечении инвариантных многообразий  i   0, i  1, 2 .
 3 
2.7. Вводитсямакропеременнаяи соответствующее
функциональное уравнение, из совместного решения которых с учетом
декомпозированной модели синергетического синтеза получаем выражение
для внутреннего управляющего воздействия 1  .
2.8. Из совместного решения первой совокупности макропеременных и
соответствующей системы функциональных уравнений, с учетом
расширенной модели синергетического синтеза (9) находим выражения для
управляющих воздействий подсистемы продольного движения БПЛА.
2.9. В результате выполнения данной процедуры получена
динамическая структура синергетической системы управления продольным
движением БПЛА, включающая полученные в предыдущем пункте законы
управления и выражения в модели (9) для переменных z1  , z2  .
3. Выполняется синтез нелинейной системы синергетического
управления боковым движением БПЛА:
3.1. Записывается модель бокового движения БПЛА, учитывающая
действие ветровых возмущающих воздействий. При составлении модели
переменные общей модели пространственного движения, которые не входят в
модель продольного движения, полагаются равными некоторым постоянным
значениям: Vk  Vk*  const ,    *  const .
3.2. Записываются уравнения аэродинамических сил и моментов,
соответствующие модели бокового движения и учитывающие условия
составления модели бокового движения.
3.3. Определяются технологические инварианты, выполнение которых
должно гарантироваться в синтезируемой системе управления боковым
движением БПЛА.
3.4. Составляется расширенная модель синергетического синтеза
системы управления боковым движением БПЛА (10).
3.5. Вводится первая совокупность макропеременных  i  , i  1, 2
3.6. Записывается декомпозированная модель синергетического
синтеза боковым движением БПЛА, описывающая поведение БПЛА на
пересечении инвариантных многообразий  i   0, i  1, 2 .
 3 
3.7. Вводитсямакропеременнаяи соответствующее
функциональное уравнение, из совместного решения которых с учетом
декомпозированной модели синергетического синтеза получаем выражение
для внутреннего управляющего воздействия 1  .
3.8. Подставляя первую совокупность макропеременных  i  , i  1, 2 в
соответствующую систему функциональных уравнений, с учетом
расширенной модели синергетического синтеза (10) получаем систему
уравнений, из решения которой находим выражения для управляющих
воздействий подсистемы бокового движения БПЛА.
3.9. В результате выполнения данной процедуры получена
динамическая структура синергетической системы управления боковым
движением БПЛА, включающая полученные в предыдущем пункте законы
управления и выражения в модели (10) для переменных z1  , z2  .
4. Составляется комбинированная система управления пространственным
движением БПЛА, состоящая из двух подсистем: подсистемы управления
продольным движением и подсистемы управления боковым движением. При
этом устанавливаются связи между подсистемами, учитывающие, что
переменные состояния и управляющие воздействия, которые при применении
процедур синтеза полагались постоянными величинами в комбинированной
системой изменяются во времени. Структура получаемой системы
управления представлена на рисунке 9.

Рис. 9 – Структура системы управления пространственным движением

На рисунке 10 представлено моделирование ситуации, когда БПЛА
стартуя из точки А начинает движение с учетом информации, поступающей
от систем пространственной ориентации, маневрируя в нужном направлении
движения. При приближении к конечной точке сброса груза Б БПЛА
снижается и сбрасывает груз в нужно районе. Далее БПЛА осуществляет
возврат в исходную точку А.
Б

А

Рис. 10. Пространственное движение БПЛА
В рамках третьей главы решение девятой частной задачи
исследованиядополненопрограммнымипродуктамисинтеза и
моделирования синтезированных замкнутых систем управления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации рассмотрены методы синергетического синтеза
нелинейных систем управления БПЛА с жестким крылом, обеспечивающих
его устойчивое движение по заданной траектории полета в условиях действия
ветровыхвозмущений.Основнымирезультатаминастоящей
диссертационной работы являются:
 Обзор существующих подходов к описанию динамики полета БПЛА с
жестким крылом и обоснование выбора математических моделей,
наиболее адекватно описывающих их поведение в характерных режимах
движения;
 Обзор существующих подходов к разработке автопилотов для БПЛА с
жестким крылом: анализ управления продольной динамикой полета
БПЛА с жестким крылом с использованием линейного управления ЛКР и
ЛКГ;
 Обзор научной литературы, посвященной разработке нелинейных
регуляторов для систем управления БПЛА с жестким крылом;
 Применение нового метода синергетического синтеза законов управления
пространственным движением БПЛА в условиях ветровых возмущений,
который отличается от имеющихся процедурой синтеза законов
управления, с учетом реальной компоновочной схемы БПЛА, а также
предложенный метод гарантирует асимптотически устойчивое поведение
БПЛА в окрестности введенной совокупности целевых инвариантов
замкнутой системы, результаты применения предложенной процедуры
метода синергетического синтеза законы управления пространственным
движением БПЛА гарантируют инвариантность замкнутой системы к
действию неизмеряемых ветровых возмущений;
 Осуществление синтеза и моделирования замкнутых систем управления
БПЛА в соответствии с предложенной процедурой метода
синергетического синтеза законов управления пространственным
движением БПЛА в условиях ветровых возмущений;
 Применение нового метода синергетического синтеза законов управления
пространственным движением БПЛА в условиях ветровых возмущений,
отличающийся от имеющихся использованием раздельных процедур
синтеза законов управления продольным и боковым движением БПЛА, а
также предложенный метод гарантирует асимптотически устойчивое
поведение БПЛА в окрестности совокупностей целевых инвариантов
каждой из подсистем;
 Осуществление синтеза и моделирования замкнутых систем управления
БПЛА в соответствии с предложенной процедурой метода
синергетического синтеза законов управления пространственным
движением БПЛА при разделении задач продольного и бокового
движения в условиях ветровых возмущений.
Таким образом полученные результаты исследования демонстрируют
достижение цели исследования – повышение надежности функционирования
БПЛА с жестким крылом за счет применения алгоритмов управления,
обеспечивающих асимптотически устойчивое поведение БПЛА на заданных
траекториях движения и инвариантность к действию ветровых возмущающих
воздействий.

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), широко известные как дроны,
являются одной из самых мощных технологий, доступных сегодня, из-за их
разнообразного использования и применения. Их также можно назвать
беспилотными самолетами и дистанционно управляемыми летательными
аппаратами.
Стремительное развитие БПЛА и расширение областей их применения
обусловлено новым достижениям в области электроники, оптики,
вычислительной техники [1], совершенствованием таких технологий, как
глобальные навигационные спутниковые системы (ГЛОНАСС), инерциальные
измерительные блоки (IMU), лазерные дальномеры (ЛИДАР), радары с
синтезированной апертурой (SAR), другие датчики внешней среды, электронные
регуляторы скорости (ESC) для бесщеточных двигателей, литий-полимерные
аккумуляторы (Li-Pol), цифровое формирование изображения [2] и др.
За последнее десятилетие БПЛА получили широкое распространение в
гражданской сфере [3]. БПЛА применяются в различных областях [1‒12],
включая наблюдение за местностью, опрыскивание посевов, мониторинг
животного мира на особо охраняемых природных территориях, мониторинг
пожаров, освещение спортивных и развлекательных мероприятий, аварийно-
спасательные службы, мониторинг стихийных бедствий, научные исследования и
т.д. БПЛА позволяют совершать полеты в места, в которые существенно
усложнен доступ по поверхности, избегая риски для экипажей пилотируемых
самолетов.
Наиболее перспективным способом управления БПЛА является автономное
управление с помощью интегрированной системы «автопилот» [ 13], которая
полностью контролирует аппарат, осуществляет решение требуемой
технологической задачи управления и связь с оператором. Работа автономных
БПЛА непрерывно совершенствуется благодаря созданию новых перспективных
систем управления, появления нового типа силовых установок, навигационных
средства и однокристальные встраиваемые системы [14].
В последние годы происходят инновации в оборудовании и программном
обеспечении БПЛА [15]. Например, применение легких композитных материалов
и систем глобального позиционирования (GPS/ГЛОНАС) повышают
эффективность применения БПЛА. Кроме того, быстрое совершенствование
литиевых батарей способствует увеличению времени полета БПЛА без
подзарядки. Отслеживание и навигация БПЛА может осуществляться с помощью
программного обеспечения, которое устанавливается на мобильный телефон или
планшет. Навигационные системы БПЛА способны осуществлять мониторинг
метеорологических данных с наземных станций и оптимизировать маршруты
полетов БПЛА с учетом этих данных и других факторов риска.
Одним из типов БПЛА, который получил наибольшее распространение
благодаря применению вышеперечисленных инноваций, является БПЛА с
жестким крылом, отличающийся по техническим характеристикам от других
сопоставимым по массогабаритным размерам типов БПЛА тем, что БПЛА с
жестким крылом способны совершать автономные полеты более длительное
время, они могут осуществлять полеты на большей высоте и с большей
скоростью. Однако у БПЛА с жестким крылом есть главный недостаток: они
чувствительны к внешним возмущениям из-за малых моментов инерции, размера
и веса. Одним из главных факторов, ограничивающих применение БПЛА с
жестким крылом, является сильный ветер, поскольку он может оказать такое
влияние на БПЛА, которое приведет к существенным отклонениям от желаемых
траекторий движения, что, в свою очередь, может привести к нештатным
ситуациям и авариям [16‒18]. Таким образом, для того чтобы иметь возможность
осуществлять выполнение технологической задачи в ветреную погоду,
необходимо при синтезе законов управления БПЛА с жестким крылом учитывать
влияние ветровых возмущений.
В настоящее время задачи навигации и управления автономными БПЛА с
жестким крылом в условиях влияния ветровых возмущений приобретают
первостепенное значение, и наиболее значимые результаты по их решению
отражены в работах следующих авторов: Эткин Б., Фурери Л., Хервас Х. Р., Чой
Х. С., Коно С., Родригес Л., Шопферер С., Стастный Т., Фан Б., Кыонг Н.
Д., Нгуен В. Ф., Колесников А. А., Лысенков А. Н., Доброленский Ю. П., Кобзев
В. А., Никитин А. И. и др.
Одной из важнейших научно-технических задач, решаемых при
проектировании систем управления движения автономных БПЛА является задача
синтеза законов управления, обеспечивающих максимальную область
устойчивого движения по заданному маршруту в условиях действия ветровых
возмущений. Очевидно, что решение такой задачи возможно при применении
методов синтеза управляющих воздействий, максимально учитывающих
нелинейные свойства математических моделей пространственного движения,
обеспечивающие асимптотически устойчивое движение БПЛА с жестким крылом
и инвариантное поведение к действию ветровых возмущений.
Противоречие в практике состоит в том, что существующие подходы к
проектированию систем управления БПЛА с жестким крылом не обеспечивают
условия применения БПЛА в автономном режиме при воздействии ветровых
возмущений.
Противоречие в теории обусловлено тем, что существующие методы
синтеза систем управления БПЛА с жестким крылом не позволяют осуществлять
аналитический синтез по полным нелинейным моделям движения БПЛА с учетом
заданных компоновочных схем и не гарантируют асимптотически устойчивое
поведение синтезированных замкнутых систем управления БПЛА относительно
требуемых траекторий движения.
Объект исследования – беспилотный летательный аппарат с жестким
крылом, движущийся в условиях действия ветровых возмущений.
Целью исследования повышение надежности функционирования БПЛА с
жестким крылом за счет применения алгоритмов управления, обеспечивающих
асимптотически устойчивое поведение БПЛА на заданных траекториях движения
и инвариантность к действию ветровых возмущающих воздействий.
Предмет исследования являются прикладные методы синтеза нелинейных
систем управления автономными БПЛА с жестким крылом в условиях действия
ветровых возмущений.
Научная задача диссертационного исследования состоит в разработке
прикладного метода синергетического синтеза нелинейных систем управления
БПЛА с жестким крылом в условии действия ветровых возмущений,
гарантирующего асимптотически устойчивое поведение замкнутой систем
управления БПЛА с жестким крылом при решении требуемой технологической
задачи движения, а также инвариантность к действию возмущающих воздействий.
Для решения общей научной задачи в работе поставлены и решаются
следующие частные задачи исследования:
1. Анализ существующих способов математического описания движения
БПЛА с жестким крылом и обоснование выбора математических моделей,
наиболее адекватно описывающих динамику их полета в условиях действия
ветровых возмущений.
2. Анализ характерных задач управления движением БПЛА с жестким
крылом, обзор существующих подходов к синтезу систем замкнутого управления
движением БПЛА с жестким крылом.
3. Разработка процедуры синергетического синтеза законов управления
БПЛА с жестким крылом в условиях действия ветровых возмущений по базовой
нелинейной модели его пространственного движения.
4. Разработка методики учета реальных компоновочной и
аэродинамических схем БПЛА при реализации законов синергетического
управления БПЛА с жестким крылом.
5. Формирование процедуры прикладного метода синергетического синтеза
законов управления пространственным движением БПЛА с жестким крылом в
условиях ветровых возмущений и учета его реальной компоновочной схемы.
6. Разработка процедуры синергетического синтеза законов управления
продольным движением БПЛА с жестким крылом в условиях действия ветровых
возмущений.
7. Разработка процедуры синергетического синтеза законов управления
боковым движением БПЛА с жестким крылом в условиях действия ветровых
возмущений.
8. Формирование процедуры прикладного метода синергетического синтеза
законов управления пространственным движением БПЛА с жестким крылом в
условиях ветровых возмущений при разделении задач управления движения по
продольной и боковой плоскостям.
9. Разработка прикладного программного обеспечения для синтеза и
компьютерного моделирование замкнутых систем управления БПЛА с жестким
крылом в условиях действия ветровых возмущений.
Положения, выносимые на защиту:

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Читать «Прикладные методы синергетического синтеза систем управления беспилотными летательными аппаратами с жестким крылом»

    Публикации автора в научных журналах

    Метод синергетического синтеза законов управления беспилотными летательными аппаратами при пространственном движении в условиях ветровых возмущений
    Г.Е.Веселов, А. Ингабире // Известия вузов. Северо-Кавказский регион.Технические науки. – 2– №– С. 38‒– 0,53 п. л. / авт. вклад 0,45п. л.

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Екатерина С. кандидат наук, доцент
    4.6 (522 отзыва)
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    #Кандидатские #Магистерские
    1077 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Виктор В. Смоленская государственная медицинская академия 1997, Леч...
    4.7 (46 отзывов)
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выв... Читать все
    Имеют опыт грамотного написания диссертационных работ по медицине, а также отдельных ее частей (литературный обзор, цели и задачи исследования, материалы и методы, выводы).Пишу статьи в РИНЦ, ВАК.Оформление патентов от идеи до регистрации.
    #Кандидатские #Магистерские
    100 Выполненных работ
    Олег Н. Томский политехнический университет 2000, Инженерно-эконо...
    4.7 (96 отзывов)
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Явл... Читать все
    Здравствуйте! Опыт написания работ более 12 лет. За это время были успешно защищены более 2 500 написанных мною магистерских диссертаций, дипломов, курсовых работ. Являюсь действующим преподавателем одного из ВУЗов.
    #Кандидатские #Магистерские
    177 Выполненных работ
    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ
    Александр Р. ВоГТУ 2003, Экономический, преподаватель, кандидат наук
    4.5 (80 отзывов)
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфин... Читать все
    Специальность "Государственное и муниципальное управление" Кандидатскую диссертацию защитил в 2006 г. Дополнительное образование: Оценка стоимости (бизнеса) и госфинансы (Казначейство). Работаю в финансовой сфере более 10 лет. Банки,риски
    #Кандидатские #Магистерские
    123 Выполненных работы
    Юлия К. ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск 2017, Институт естественных и т...
    5 (49 отзывов)
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - ин... Читать все
    Образование: ЮУрГУ (НИУ), Лингвистический центр, 2016 г. - диплом переводчика с английского языка (дополнительное образование); ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, 2017 г. - институт естественных и точных наук, защита диплома бакалавра по направлению элементоорганической химии; СПХФУ (СПХФА), 2020 г. - кафедра химической технологии, регулирование обращения лекарственных средств на фармацевтическом рынке, защита магистерской диссертации. При выполнении заказов на связи, отвечаю на все вопросы. Индивидуальный подход к каждому. Напишите - и мы договоримся!
    #Кандидатские #Магистерские
    55 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету