Розробка та комп'ютерна реалізація моделі руху та алгоритмів управління гібридного мультикоптера

Abstract

Серед сучасних безпілотних літальних апаратів особливе місце займають гібридні мультикоптери, в яких для створення підйомної сили поряд з електричними двигунами використовуються також двигуни внутрішнього згоряння. Вони можуть нести більш тяжке навантаження більш тривалий час. Але поєднання більш потужного двигуна з менш потужними, змінність інерційних характеристик в процесі польоту, значно ускладнюють динаміку такого об’єкту та його управління. Тому майже відсутній практичний досвід експлуатації, що мотивує проведення дослідження та розробок для практичної реалізації подібних апаратів. Розглянуто мультикоптер гелікоптерного типу с п’ятьма електричними двигунами (4+1 на хвості) та центральним двигуном внутрішнього згоряння. Створено математичний опис динаміки і кінематики апарата з метою комп’ютерного моделювання керованого польоту. Опис враховує всі внутрішні взаємодії динамічних чинників та дається одночасно відносно інерціальної та зв’язаної систем координат, що максимально спрощує розв’язання задачі управління польотом. Для останнього розроблено багатоконтурну схему управління рухом за допомогою двигунів. В основі алгоритмів – декомпозиція задачі за умов типових режимів руху та метод модального управління, який забезпечує бажані перехідні процеси. Описано універсальний автомат взаємодії алгоритмів управління кожним двигуном. Проведено моделювання типової програми польоту, яка містить набір висоти, зміну курсу, прямування до встановленої точки зависання та посадка під нею. Наведені результати засвідчили працездатність алгоритмів та визначили напрями подальшого дослідження. Результати у формі математичної моделі, методів декомпозиції та конкретних алгоритмів можуть бути використані у процесі проектування системи управління мультикоптера гібридного типу.Among modern unmanned aerial vehicles, a special place is occupied by hybrid multicopters, in which internal combustion engines are used along with electric motors to create lift. They can carry a larger load for a longer time. But the combination of a more powerful engine with less powerful ones, the variability of the inertial characteristics during the flight, significantly complicate the dynamics of such an object and its control. Therefore, there is almost no practical experience in operating such devices, which is the motivation for research and development in this area. The article deals with a helicopter-type multicopter with five electric motors (4+1 on the tail) and a central internal combustion engine. A mathematical description of the dynamics and kinematics of the apparatus has been created for the purpose of computer simulation of a controlled flight. The description takes into account all internal dynamic factors and is given simultaneously with respect to the inertial and associated coordinate systems, which simplifies the solution of the flight control problem as much as possible. For the latter, a multiloop motion control scheme with the help of motors has been developed. The algorithms are based on the decomposition of the problem under the conditions of typical motion modes and the modal control method, which provides the desired quality of transient processes. A universal automaton for the interaction of control algorithms for each engine is described. A typical flight program is simulated, containing climb, course change, following to the set hovering point and landing under it. The presented results showed the performance of the algorithms and determined the directions for further research. The results in the form of a mathematical model, recommendations for task decomposition and specific algorithms can be used in the process of designing a hybrid multicopter control system.