Динамика неустановившихся режимов пространственного движения робота-квадрокоптера по заданной траектории

• Автор: Попов, Николай Иванович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Курск
• Количество страниц: 153 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Различные типы летающих роботов
1.2. Описание конструктивных схем многороторных систем
1.3. Описание систем управления летающих роботов
1.4. Математические методы расчета движения летающих роботов
1.5 Цель и задачи диссертации
Глава 2. Математическое моделирование управляемого движения квадрокоптера.
2.1 Кинематика квадрокоптера
2.2 Математическая модель квадрокоптера
2.3 Описание работы винта квадрокоптера
2.3.1 Математическое моделирование движения винта
2.4 Математическое моделирование взлета квадрокоптера
2.4.1 Алгоритм системы управления квадрокоптером
2.5 Выводы по главе
ГлаваЗ. Исследование различных режимов движения коптера
3.1 Исследование колебаний коптера при различных алгоритмах управляющих воздействий
3.2 Исследование колебаний квадрокоптера относительно продольной оси
3.3 Исследование колебаний коптера при использовании нелинейного логического алгоритма формирования корректирующих моментов
3.4 Исследование колебаний навесного оборудования
3.5 Выводы по главе
Глава4. Исследование поведения коптера в основных режимах движения
4.1 Экспериментальные исследования тяговых возможностей винтов, приводимых в движение безколлекторными электродвигателями
4.2 Определение управляющих токов в обмотках электропривода пропеллера квадрокоптера, создаваемых управляющим напряжением
4.3 Описание экспериментального стенда для изучения закономерностей движения квадрокоптера
4.4 Структурная схема САУ электропривода
4.4.1 Регулятор оборотов двигателя
4.4.2 Аккумуляторные батареи
4.5 Применение квадрокоптера для автоматического мониторинга опор высоковольтных линий электропередач
4.6 Исследование процесса мониторинга квадрокоптером опоры линий электропередач
4.7 Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В настоящее время в мире интенсивно расширяется область использования мобильных роботов. Для успешного выполнения обширных задач мониторинга окружающей среды и чрезвычайных ситуаций роботы должны обладать высокой маневренностью, быстродействием и точностью движения по заданным траекториям. В последние годы получает развитие новый класс небольших мультироторных аппаратов, способных нести диагностическую и информационную фото- или видеоаппаратуру. Мультикоптеры обладают рядом достоинств, таких, как простота и надежность конструкции и схемы стабилизации, а также малая масса при существенной массе полезной нагрузки, компактность и маневренность. Особенно эффективным, является применение коптеров в режимах автономного полета. Теория управляемого движения многороторных роботов основывается на работах многих отечественных исследователей, в том числе отечественных ученых: С.А.,Белоконь,
Ю.Н.,Золотухин, A.C. Мальцев, A.A. Нестеров, М.Н. Филлипов (Институт автоматики электрометрии СО РАН), П. А. Гриценко, А.Б.Бушуев, Ю.В. Литвинов, Г.М.Шмигальский (НИУ ИТМО), A.C. Панов, С.П. Чашников (МГТУ им. Баумана), а также и зарубежных ученых: G. Bastin, G. Campion, C. Canudas de Wit, W. Dixon, Y.H. Fung, A., Isidori Hoffmann, N.Goddemeier, T.Bertram, Tommaso Bresciani и др. В то же время вопросы динамики нестационарных режимов движения робота при внешних воздействиях, быстрого взлета, разгона и выхода на заданный уровень высоты и скорости изучены недостаточно. Особый интерес представляет изучение поведения навесного оборудования, предназначенного для мониторинга окружающей среды. Именно здесь скрываются резервы повышения эффективности и быстродействия роботов.

Поэтому исследования посвященные дальнейшему
совершенствованию роботов-мультикоптеров на основе методов математического моделирования нестационарных режимов движения и навесного оборудования являются актуальными.
Объектом исследования является робот-квадрокоптер с четырьмя вращающимися винтами, оснащенный системой управления и средствами стабилизации динамических режимов, а также установленным на упруго-вязком подвесе навесным оборудованием.
Предметом исследования являются динамические процессы, протекающие в многозвенной электромеханической системе в нестационарных режимах движения.
Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание научных основ и инструментальных средств проектирования квадрокоптера и подвеса навесного оборудования в нестационарных режимах движения при наличии возмущающей ветровой нагрузки.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались различные разделы теоретической механики, теории механизмов и машин, методы математического моделирования динамических систем. При создании программных продуктов использованы математические пакеты МаШСАЭ, МаНаЬ^тшПпк, 8оНс1\к)гк8.
Достоверность научных положений и результатов. Основные научные результаты диссертации получены на основе математического аппарата теоретической механики, а также методов экспериментальных исследований. Результаты экспериментальных исследований полностью согласуются с теоретическими результатами.
Научная новизна работы заключается в разработке -математических моделей, описывающих динамику управляемого движения мобильного робота при движении по заданным траекториям, с учетом свойств электроприводов, кинематики вращения корпуса, алгоритмов

Рис. 2.1 Схема поворота системы координат.
Введенные самолетные углы весьма наглядны для описания положения тела при его движении: угол рыскания указывает отклонение от
горизонтальной плоскости продольной оси тела от некоторого выбранного направления, угол тангажа характеризует подъем продольной оси над плоскостью горизонта, а угол крена равен углу поворота тела вокруг продольной оси. Эти углы соответствуют следующим поворотам:
1. Поворот на угол ф относительно вертикальной оси 02 (поворот определяется матрицей К г,ц/ ) — рыскание.
2. Поворот на угол 0 относительно главной поперечной оси инерции ОУ (поворот определяется матрицей Я у,в ) — тангаж.
3. Поворот на угол ф вокруг продольной оси ОХ (поворот определяется матрицей Я х,ф) — крен.
Таким образом, положение центра масс квадрокоптера определяют координаты вектора, связывающего точки О и С систем координат, г0(^[ХУ2]т.