Стабилизация квадрокоптера на заданном удалении от объекта
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Стабилизация квадрокоптера на заданном удалении от объекта
Введение
Квадрокоптер является беспилотным летательным аппаратом (БЛА). Он представляет собой платформу с четырьмя роторами, одна пара которых вращается по часовой стрелке, другая - против часовой стрелки. По сравнению с БЛА вертолетного типа с несущим и рулевым винтами, квадрокоптеры обладают рядом преимуществ, таких как: надежность и простота конструкции, большая стабильность, компактность и маневренность, малая взлетная масса при существенной массе полезной нагрузки.
Область применения квадрокоптеров достаточно широка. Он может быть использован как недорогое и эффективное средство для получения фото и видео изображений с воздуха, в том числе в плохих погодных условиях. Благодаря тому, что квадрокоптер дистанционно управляемый летательный аппарат, он хорошо подходит для наблюдения и контроля объектов и зон, доступ к которым затруднен (например, в случае естественных или техногенных катастроф) или в условиях непригодных для человека, таких как повышенный уровень радиации или сильное загрязнение воздуха.
Основной задачей управления таким БЛА является его стабилизации в условиях воздействия внешних возмущающих факторов, таких как сильный порывистый ветер.
Цель работы:
разработка алгоритма стабилизации квадрокоптера на заданном расстоянии от объекта на основе комплексной обработки информации, получаемой от двух разнесённых видеокамер и датчиков положения БЛА (акселерометры, гироскопы);
исследование эффективности разработанного алгоритма с применением математической модели мультикоптера, разработанной в системе MatLab.
1.Объект исследования
.1 Устройство и принцип работы квадрокоптера
Квадрокоптер представляет собой платформу с четырьмя роторами. Центральная часть квадрокоптера служит для размещения контроллера, батареи и полезной нагрузки (например, видеокамеры). Радиально от центра на балках устанавливаются микроэлектродвигатели с несущими винтами, образуя крестообразную конструкцию аппарата.
Рис. 1.1. Схематическое изображение квадрокоптера
Во время полета квадрокоптер поддерживает горизонтальное положение относительно земли, может парить на месте, вращаться относительно вертикальной оси, перемещаться в любом направлении. Для компенсации вращающего момента, вызванного вращением роторов, у квадрокоптера 1-й и 3-й роторы вращаются по часовой стрелке, а 2-ой и 4-ый - против часовой стрелки. Для того чтобы квадрокоптер начал движение необходимо вывести его из состояния баланса путем увеличения силы тяги (скорости вращения) части пропеллеров, в результате квадрокоптер наклоняется и начинает движение в нужном направлении. Для поворота квадрокоптера вокруг своей оси необходимо ускорить вращение одной пары пропеллеров вращающихся в одном направлении и замедлить вращение другой пары пропеллеров.
Например, чтобы повернуть аппарат вокруг своей оси против часовой, 1-й и 3-й роторы должны вращаться быстрее, а 2-й и 4-й роторы должны замедлиться. Основные режимы полета и стабилизация квадрокоптера обеспечивается с помощью контроллера размещенного на нем. Контроллер на основании данных полученных от датчиков при помощи специальной программы рассчитывает скорости вращения роторов и подает на двигатели соответствующие управляющие сигналы. Минимальным набором датчиков необходимых для стабилизации квадрокоптера являются акселерометры - для измерения ускорения и гироскопы - для определения углов наклона. Кроме того, квадрокоптер может быть оборудован барометром, магнитомером (компасом) и даже GPS-навигатором.
1.2 Постановка задачи
Задача состоит в том, чтобы при наблюдении за объектом стабилизировать квадрокоптер на некотором расстоянии от него. Причем стабилизации должна заключаться не только в стабилизации летательного аппарата как материальной точки, но и в стабилизации квадрокоптера по направлению, т.к. для наблюдения необходимо, чтобы видеокамеры были направлены на объект.
Таким образом, необходимо на автопилоте или ручном управлении приблизить квадрокоптер на некоторое расстояние до цели, при этом по стереозибражению с оптических камер будет вычисляться в реальном масштабе времени расстояние до цели. Как только квадрокоптер приблизиться на достаточное расстояние на его контроллер будет передан сигнал, который передаст управление квадрокоптером программе стабилизации, которая выберет точку в пространстве и затем стабилизирует в ней летательный аппарат.
2.Модель квадрокоптера
.1 Системы координат
При практическом использовании уравнений движения БЛА их записывают в проекциях на оси выбранных систем координат (СК). В данной работе удобно использовать две правых прямоугольных системы координат, назовем их неподвижной и подвижной системами координат:
.Неподвижная система координат. Начало находиться в точке O, в которой необходимо стабилизировать квадрокоптер. Оси OX и OY расположены в горизонтальной плоскости, а ось OZ направлена вверх.
2.Подвижная система координат. Начало находиться в центре масс квадрокоптера, в точке . Оси этой системы координат: , и сонаправлены с осями координат неподвижной СК. Таким образом, подвижная СК получается из ?/p>