Принцип работы и управление квадрокоптером | AgroCounsel

.

 

СЕРГУНИН Н.А., ИГЭУ, г. Иваново

Науч. рук. ассистент ЗАХАРОВ М.А.

 

В наше время всё большее распространение и применение получают дроны и другие беспилотные аппаратные устройства. Дроны начали стремительно набирать популярность с 2015 года. Безусловно они появились значительно раньше, но в последнее время благодаря частому упоминанию в СМИ и довольно обширной сфере применения, их популярность стала расти еще быстрее. Теперь это не просто игрушки для детей, но и средства различных видов наблюдений, применяемых как в гражданской, так и в военной области.

Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы (рисунок)

 

 

Схема конструкции простейшего

 

Воздушные винты, расположенные на диагональных лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу. Управляемый четырьмя разнесенными винтами, квадрокоптер представляет собой нестабильную динамическую систему, которая в силу нелинейности математической модели должна быть стабилизирована сложными управляющими алгоритмами. Задачи управления пространственным движением беспилотных аппаратов рассматриваются, например, на основе модели движения центра масс, записанных в траекторной системе координат. Однако, в случае с четырехвинтовым аппаратом удобнее использовать модель движения, учитывающую движение вокруг центра масс. В научных публикациях имеются различные подходы к решению данной проблемы, включающие, например, использование ПИД-регуляторов, управление с прогнозирующими моделями, применяющие скользящий режим, backstepping-управление.

В работе используется метод, позволяющий при помощи линеаризации уравнений математической модели обрат ной связью перемещать аппарат в заданную в пространстве точку и поворачиваться на заданный угол вокруг вертикальной оси при минимальных дополнительных допущениях:

1) Квадрокоптер представляется шаром с радиусом и массой на расстоянии от центра которого расположены материальные точки с массой

2) Квадрокоптер считается симметричным телом, у которого главные оси инерции совпадают с осями строительной системы координат.

Синхронное регулирулирование оборотов моторов регулирует тягу, которая перемещает квадрокоптер по вертикали. Изменение оборотов моторов неравномерно вызывает горизонтальное перемещение квадрокоптера. Так, при увеличении оборотов двух задних моторов его задняя часть приподнимется и квадрокоптер полетит вперед. За счет неравномерного изменения оборотов всех моторов квадрокоптер способен лететь в произвольном направлении.

Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. При увеличении оборотов моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшении оборотов у вращающихся против часовой стрелки, суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент раскомпенсируется и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки. Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке.

Угловые отклонения по осям называют: Pitch (наклон вперед-назад), Roll (наклон вправо-влево), Yaw (вращение в горизонтальной плоскости) и Throttle (общий газ) Оборотами моторов в режиме реального времени управляет специальная вычислительная система на основе достаточно быстродействующего микроконтроллера, так называемый полетный контроллер. Он постоянно опрашивает встроенные гироскопы, акселерометры, барометр, сигналы от приемника радиоуправления и на основе полученных данных рассчитывает управляющие сигналы для каждого мотора в отдельности.

В работе описан вывод математической модели квадрокоптера и на ее основе построен механизм перемещения аппарата по заданной линейной траектории с определенным углом и его стабилизации в заданной точке. Полученные результаты смоделированы в системе MATLAB и приведен пример последовательного передвижения аппарата в пространстве.

 

УДК 62-03(075.8)

 

Эффективное подавление гармоник входного тока многоуровневого преобразователя частоты
для регулируемого электропривода

ХАБИБУЛЛИН А.И., УГНТУ, г. Уфа

Науч. рук. канд. техн. наук, доцент РЯБИШИНА Л.А.

В современных экономических условиях актуальны вопросы оптимизации потребления электроэнергии. Главные энергопотребители – мощные высоковольтные электроприводы. Современным направлением оптимизации режимов работы электропривода является внедрение частотного регулирования за счет применения преобразователей частоты (ПЧ).

При работе ПЧ важным свойством является уровень помех, возникающих вследствие двойного преобразования энергии. Наличие помех вызывает перегрев обмоток, преждевременное старение изоляции, увеличение потерь мощности, снижение КПД и т.д.

Принцип работы многоуровневого ПЧ (МПЧ) подразумевает, что выходное напряжение образуется как сумма импульсов напряжений автономного инвертора напряжения (АИН), сдвинутых по несущей частоте. При всем при этом наряду с основной гармоникой складываются и высшие гармоники.

Как быстро научиться управлять квадрокоптером и не разбить его в первые 10 секунд?

Чтобы достичь высокого качества выходного напряжения, необходимо несущую частоту принимать достаточно высокой. Даже при минимальной несущей частоте 600 Гц возникают значительные потери на переключение ключей. Из этого следует, что, достигая уменьшения потерь на переключение ключей, мы добьемся также и уменьшения потерь в инверторном блоке за счет применения многоуровневой схемы. Также проблемой является то, что в звене постоянного тока происходит возникновение высших гармоник входного тока.

Регулирование напряжения на выходе АИН возможно с помощью синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и ШИМ с высокой частотой.

Для подавления субгармоник во входном токе выпрямителя необходима определенная организация звена постоянного тока. Эффективное подавление данных субгармоник во входном токе МПЧ достигается при питании выпрямителя АИН одного уровня в разных фазах МПЧ от вторичных обмоток трансформатора с одинаковой фазой напряжения. В данном случае применяется ШИМ с высокой частотой. Данная модуляция приводит к уменьшению потерь на переключение ключей АИН. В таком случае импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем напряжения на стороне переменного тока, имеет гармонический состав, в котором основная и высшая гармоники существенно различаются по частоте. Таким образом, нарушаются условия для качественной фильтрации высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети с помощью буферных реакторов. Следовательно, при ограниченных значениях индуктивности буферных реакторов решается задача потребления из сети практически синусоидальных токов.

⇐ Предыдущая89909192939495969798Следующая ⇒



МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ КВАДРОКОПТЕРА С УЧЁТОМ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ И СИЛ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
MATHEMATICAL MODEL OF QUADROCOPTER DYNAMICS WITH THE ACCOUNT OF GYROSCOPIC MOMENTS AND DRAG FORCES
Авторы: Синицын Алексей Витальевич, Рассадкин Юрий Иванович, Клочков Павел Сергеевич, Фадеев Дмитрий Павлович
Степень (должность): Доцент, Доцен, Магистрант, Магистрант
Место учебы/работы: Московский государственный технический университет им.

Как управлять квадрокоптером — понятная инструкция, секреты и советы

Н.Э.Баумана

Аннотация на русском языке: В статье проведён результат анализ научных работ, отражающих результаты исследований в области разработки беспилотных летательных аппаратов, обоснована необходимость разработки математической модели квадрокоптера, учитывающей гироскопические моменты и силу лобового сопротивления воздуха представлена математическая модель, отвечающая таким требованиям.

The summary in English:
The paper presents the modeling of flight dynamics of a quadrotor unmanned aerial vehicles helicopter type. The analysis of scientific publications in state of research and development of quadcopters was carry out. The result of the analysis and research: model, taking gyroscopic moments and drag forces in account- are given in the paper.

Ключевые слова: квадрокоптер, БЛА, математическая модель, моделирование.
Key words:quadcopters, UAV, mathematical model, modeling

Следующей может быть Ваша статья!

E-mail: info@synergy-journal.ru
Группа Вконтакте: vk.com/synergy_journal
© 2016 Электронный журнал «Синергия Наук».
Любое использование размещённых на сайте журнала статей и материалов возможно только с обязательной ссылкой на сайт журнала
«synergy-journal.ru» и автора статьи.

В предыдущей части я описывал источник своего вдохновения.
Теперь настала очередь рассказать как я проектировал квадрокоптер. В наших краях есть несколько моделистов, которые создали и успешно используют коптеры в коммерческих целях. Я нашел их на форуме Modelka. Но таких людей немного и обширного распространения идей квадрокоптеров пока нет. Зато на европейских и американских форумах уже есть много наработок в этой области. Есть и готовые решения как для развлекательных целей (например ar parrot drone) так и для коммерческих нужд. Цена квадрокоптера в сборе может колебаться от $200 до $5000 в зависимости от степени выполняемых задач. Идея купить готовый аппарат меня не очень интересовала, поскольку интересно было собрать самому и разобраться в тонкостях его работы. Заодно попрактиковаться в полетах на дешевой модели. Не очень хочется за 10 секунд разбить дорогую модель и заказывать потом новую за бешеные деньги.

Электроника.
Я нашел достаточно хороший американский проект AeroQuad. Ребята сделали несколько вариантов электроники и ведут open-source разработку прошивок. На сайте есть Wiki с подробной информацией по деталям, сборке, пайке, прошивке и т.д. За основу я взял бюджетный вариант AeroQuad на контроллере Arduino Mega и с платой расширения на которую устанавливаются инерционные датчики (гироскоп, акселерометр), магнитный компас и барометр. Прелесть этого решения заключается в том, что комплектующие достаточно доступны по адекватным ценам и есть хороший запас на развитие проекта. Платформа позволяет подключать видеокамеру с сервостабилизацией и наложением на видеосигнал некоторой информации с самого контроллера (высота, направление, расход энергии т.д.). Можно подключить GPS и реализовать автоматическое пилотирование по заданной траектории. Также есть возможность подключения датчиков расстояния и реализовать возможность автоматического взлета и посадки.
С электроникой определились. Теперь дело за механикой и шасси.

Конфигурация.
Для создания подъемной силы можно использовать множество вариантов конфигураций — от 3-х до 8-и двигателей, размещенных треугольником, крестом, звездой и даже соосно. Я выбрал Х-образную конфигурацию с четырьмя двигателями.

Рама.
Для установки двигателей я пытался использовать фанерную раму с Хоббикинга, она оказалась ненадежной и я от нее отказался. Позже отдельно отпишусь почему. Пришлось самостоятельно сделать другую раму. На радиорынке купил несколько кусков текстолита, а в строительном магазине алюминиевый профиль квадратного сечения. Несколько часов с лобзиком и дрелью и рама готова.

Двигатели.
Сейчас хобби-промышленность выпускает огромное количество бесколлекторных двигателей для разных типов моделей — авто, авиа, лодок и т.д. Какие использовать на квадрокоптере — это вопрос довольно сложный. Слишком много переменных. Основные характеристики — напряжение питания, сила тока в рабочем режиме и в пиках, размещение ротора, тип крепления, диаметр и длина вала, количество обмоток и витков на обмотках, количество оборотов на вольт. Я выбрал turnigy 2830, но это не самый лучший вариант. В отдельной статье опишу свой опыт работы с бесколлекторными двигателями.

Регуляторы хода.
Или ESC. У регуляторов тоже множество параметров и требований по совместимости, но с выбором меньше всего проблем. Основные параметры — рабочий ток, пиковый ток, возможность управления бесколлекторным двигателем. Я взял дешевый вариант — hobbyking 30A esc и программатор к нему. Пока что мне его вполне хватает.

Аккумуляторы.
Я взял пару аккумуляторов. Один малой емкости для питания микроконтроллера и один на 3Ач для питания двигателей. К аккумуляторам нужно зарядной устройство и источник напряжения.

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ КВАДРОКОПТЕРА

Я рассчитывал сэкономить на блоке питания и использовать автомобильную зарядку, но с ней не очень хорошо получается заряжать из-за особенностей её работы. Сейчас я держу дома старый свинцовый аккумулятор от источника бесперебойного питания и использую его для зарядка аккумуляторов квадрокоптера.

Всякая полезная мелочь.
Для соединения всей электроники между собой нужно бесчисленное количество переходников, соединителей, разъемов, проводов, термоусадки и др. Я дополнительно заказывал пачку 5мм буллет коннекторов для аккумулятора, пачку 3,5мм буллет коннекторов для подключения двигателей и регуляторов, несколько термоусадочных трубок для изоляции и газовую горелку для пайки контактов. Также мне понадобилось некоторое количество velcro стяжек для разборного крепления аккумуляторов и некоторых деталей, несколько десятков пластиковых стяжек 3М для жеского крепления проводов к раме. Нужен еще пенопласт или плотный поролон для зашиты некоторых частей коптера и пластиковые пищевые коробки для защиты электроники. Ну и скотч (всмысле липкая лента).

Ссылки на другие посты по теме:

Все посты про квадрокоптер:

This entry was posted by Michael Saygak on 12 March 2012 at 4:29 pm, and is filed under Квадрокоптер. Follow any responses to this post through RSS 2.0. You can skip to the end and leave a response. Pinging is currently not allowed.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *