Стабилизация квадрокоптера на заданном удалении от объекта

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

?еподвижной СК параллельным переносом на радиус вектор центра масс квадрокоптера в неподвижной СК.

 

Рис. 1.2. Неподвижная и подвижная системы координат

 

 

2.2 Момент инерции

 

Пусть квадрокоптер лежит в плоскости OXY, его центр масс находиться в точке O, а балки AC и BD, на которых расположены роторы, лежат вдоль осей OX и OY. Момент инерции квадрокоптера одинаков вокруг любой оси MN, лежащей в плоскости квадрокоптера OXY. Обозначим массу квадрокоптера как . Пусть масса каждого ротора сосредоточена в точках A, B, C и D и равна , а вся масса корпуса равномерно распределена на отрезках АС и BD и равна .

 

Рис. 1.3. Расчет момента инерции

 

Тогда момент инерции квадрокоптера относительно любой оси MN составляющей с осью BD угол ? равен:

 

(2.2.1)

Момент инерции относительно оси OZ, перпендикулярной плоскости OXY и проходящей через точку O, вычисляется по формуле:

 

(2.2.2)

 

2.3Уравнения движения

 

Квадрокоптер, как и любое твердое тело, является системой с шестью степенями свободы, соответственно для описания его движения требуется шесть независимых числовых уравнений или два векторных уравнения.

Уравнения движения центра масс

Вектор силы тяжести приложен к центру масс квадрокоптера и имеет вид: , где - ускорение свободного падения.

Сила сопротивления воздуха , где - безразмерный аэродинамический коэффициент, - плотность воздуха, - площадь поверхности. Таким образом, сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости с некоторым коэффициентом и направлена противоположно скорости.

Вектор суммарной силы тяги всех роторов также приложен к центру масс и имеет вид: , где , , и - силы тяг первого, второго, третьего и четвертого роторов соответственно

Вектор некоторой посторонней силы обозначим как . В случае когда сила вызвана ветром , так как сила, с которой действует ветер на квадрокоптер фактически является силой сопротивления воздуха.

Таким образом, векторное уравнение описывающее движение цента масс квадрокоптера в неподвижной системе координат имеет вид:

 

Скорость можно получить выразив ускорение и проинтегрировав его по времени:

 

 

Проинтегрировав скорость, получается радиус вектор до центра масс квадрокоптера, т.е. координаты положения центра масс квадрокоптера:

 

 

Уравнение моментов:

 

 

Уравнение моментов в данном случае удобно рассматривать относительно центра масс, в подвижной системе координат. Уравнение моментов описывает вращение тела относительно мгновенной оси. В этой модели вращение может быть вызвано только силами, которые создают роторы. Введем векторы

, , и - радиус векторы роторов в подвижной системе координат. Длины этих векторов равны между собой и равны .

Рис. 1.4. Схематическое изображение квадрокоптера в подвижной СК

 

В данном случае удобней разбить это уравнение на два: первое уравнение будет описывать вращение вокруг оси симметрии квадрокоптера, второе уравнение будет описывать вращение вокруг оси лежащей в плоскости квадрокоптера. Тогда первое уравнение имеет вид:

 

 

Выразив угловое ускорение из этого уравнения и проинтегрировав его по времени, можно получить угловую скорость:

 

,

 

где , и в - компоненты вектора по осям координат.

Проинтегрировав по времени угловую скорость, можно получить углы поворота квадрокоптера вокруг осей подвижной СК:

 

,

 

где компоненты , и вектора представляют собой углы поворота вокруг осей нормальной системы координат OX, OY и OZ соответственно.

Рассмотрим вращение квадрокоптера вокруг оси перпендикулярной плоскости. Обозначим реактивный момент винтов как . Вектор этого зависит только от величины и направлен вдоль нормали к плоскости квадрокоптера. Кроме реактивного момента существует еще сонаправленый ему момент сил, вызванный гироскопическим эффектом из-за изменения гироскопических моментов роторов, который тоже может вращать корпус квадрокоптера вокруг этой оси, но так как роторы вращаются в разных направлениях его можно не рассматривать. Тогда модуль углового ускорения выражается формулой:

 

,

 

Где - некоторая функция зависящая от величины .

Проинтегрировав это выражение можно получить модуль угловой скорости, при этом полученная угловая скорость всегда будет направлена перпендикулярно плоскости квадрокоптера. Обозначим единичный вектор направленный перпендикулярно плоскости квадрокоптера как . Таким образом, получаем:

 

А проинтегрировав это уравнение получается углы поворота квадрокоптера вокруг осей подвижной СК.

 

 

Таким образом, суммарные значение угловой скорости и углов поворота будут равны:

 

 

 

3.Алгоритм

 

.1 Стабилизация квадрокоптера как материальной точки

 

Пусть центр масс квадрокоптера находиться в точке М с радиус вектором . Пусть квадрокоптер перемещается со скоростью , на него действуют внешняя сила . Требуется стабилизировать квадрокоптер в точке O. Примем точку O за начало неподвижной системы координат. Будем рассматривать квадрокоптер как материальную точку с массой . Для того чтобы стабилизировать квадрокоптер требуется подействовать на него с некоторой силой .

 

Рис.

 

Для стабилизации достат?/p>