Аунг Тху. Разработка и исследование модели управления легкими дронами в условиях ветровой нагрузки

brief description

Аунг Тху. Разработка и исследование модели управления легкими дронами в условиях ветровой нагрузки;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»], 2021

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Национальный исследовательский университет
«Московский институт электронной техники»

На правах рукописи
АУНГ ТХУ
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕГКИМИ
ДРОНАМИ В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ
Специальность 05.13.01
Системный анализ, управление и обработка информации
(технические системы)
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: к.т.н., профессор Лупин Сергей Андреевич
Москва - 2022
Оглавление
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
ГЛАВА 1. Классификация и применение беспилотных аппаратов 11
1.1 Области применения беспилотников 12
1.2 Гражданское использование 13
1.2.1 Фото и видеосъёмка 13
1.2.2 Доставка грузов 14
1.2.3 Преодоление последствий стихийных бедствий 14
1.2.4 Спасательные операции 15
1.2.5 Археологические исследования 15
1.2.6 Географическое картографирование 15
1.2.7 Здоровье людей 16
1.2.8 Проверка безопасности 16
1.2.9 Наблюдение за жизнью животных 17
1.2.10 Прогноз погоды 18
1.3 Использование БПЛА в сельском хозяйстве 18
1.3.1 Анализ полевой почвы 19
1.3.2 Выявление заболеваний сельскохозяйственных культур 19
1.3.3 Защита растений с помощью опыления 20
1.3.4 Оценка состояния посевов 21
1.3.5 Наблюдение за домашним скотом 21
1.4 Использование дронов в силовых структурах 22
1.4.1 Распознавание взрывоопасных объектов 23
1.4.2 Разведка и патрулирование 23
1.4.3 Ударные дроны 23
1.4.4 Безопасность 24
1.5 Варианты функциональных БПЛА 24
1.5.1 Поисково-спасательные дроны 24
1.5.2 Защита окружающей среды 25
1.5.3 Почтовая рассылка и доставка 26
1.5.4 Космические беспилотники 27
1.5.5 Морские беспилотники 28
1.5.6 Различные приложения беспилотных летательных аппаратов 28
1.5.7 Приложения для малых беспилотных летательных аппаратов 29
1.6 Выводы 30
ГЛАВА 2. Варианты реализации БПЛА 32
2.1 Основные типы БПЛА 32
2.1.1 Системы с неподвижным крылом 32
2.1.2 Многороторные системы 33
2.1.3 БПЛА других типов 35
2.2 Модели БПЛА 36
2.2.1 Delfly 36
2.2.2 Hubsan x4 37
2.2.3 Parrot AR 38
2.2.4 DJI Phantom 39
2.2.5 Raven 39
2.2.6 ScanEagle 40
2.3 Уровни автономности БПЛА 41
2.4 Технические характеристики БПЛА 42
2.4.1 Корпуса и рамы 42
2.4.2 Размер и вес 44
2.4.3 Приводная система 44
2.4.4 Источники энергии 45
2.5 Особенности моделирования квадрокоптеров 46
2.6 Сенсоры и контроллеры 48
2.6.1 Датчики для измерения скорости атмосферного ветра 49
2.6.2 Различные датчики на борту БПЛА 54
2.7 Дрон с дистанционным управлением 60
2.8 Программируемый дрон 64
2.8 Выводы 66
ГЛАВА 3. Моделирование полёта квадрокоптера при воздействии ветра 67
3.1 Среда моделирования 67
3.2 Движение квадрокоптера при воздействии ветра 69
3.3 Моделирование стратегий полёта 74
3.3.1 Реализация стратегии 1 в модели 78
3.3.2 Реализация стратегии 2 в модели 80
3.3.3 Влияние точности сенсоров на траекторию полёта 82
3.6 Выводы 86
ГЛАВА 4. Верификация и исследование имитационной модели 88
4.1 Аналитический расчёт траектории полёта 88
4.2 Моделирование стратегий полётов 90
4.2.1 Линейная траектория 90
4.2.2 Треугольная траектория 94
4.2.3 Четырехугольная траектория 97
4.3 Сравнение стратегий 100
4.4 Расширение функционала модели 101
Заключение 103
Список литературы 105
Приложение 1 Акт внедрения результатов работы 115
Приложение 2. Конечные точки линейной траектории (стратегия 1) 116
Приложение 3. Конечные точки первого сегмента линейной траектории
(стратегия 2) 118
Приложение 4. Конечные точки линейной траектории (стратегия 2) 120

bibliography

Заключение
1. Анализ особенностей применения беспилотных летательных аппаратов в различных областях человеческой деятельности показал, что сегодня они широко используются не только в армии и в силовых структурах, но и в гражданской сфере. Следует также отметить, что развитие дронов именно для гражданских областей применения происходит наиболее динамично. Это связано с заинтересованностью компаний в расширении рынка сбыта своей продукции. Наиболее перспективным с этой зрения следует считать класс малых и сверхмалых летательных аппаратов, которые сегодня воспринимаются скорее как игрушки и развлечения. Актуальной задачей является увеличение функциональности легких и дешёвых БПЛА не имеющих на борту мощных сенсоров. Для её решения необходимо совершенствовать методы управления дронами в реальных условиях, в частности при воздействии ветровой нагрузки.
2. Существующая классификация БПЛА основана на разнообразии конструктивных вариантов их построения и принципов обеспечения мобильности. Анализ различных классов БПЛА показывает, что для легких аппаратов характерно использование многороторной платформы и электропривода. Относительно небольшая ёмкость аккумуляторных батарей является основным фактором, ограничивающим функциональность лёгких дронов. Использование аккумуляторов с большей ёмкостью приводит к повышению и общей массы устройства и его стоимости. Одним из возможных путей решения проблемы является использование на борту БПЛА микромеханических сенсоров, способных обеспечить его автономность без существенных затрат энергии. Это позволит более широко использовать лёгкие беспилотные летательные аппараты.
3. Задача планирования автономного полёта квадрокоптера при воздействии ветровой нагрузки аналогична задаче, которую решает штурман самолёта при прокладке его курса. Разработанная математическая модель движения квадрокоптера включает ряд уравнений, содержащих параметры, которые определяются с помощью различных сенсоров: скорость и угол полёта объекта, скорость и направление ветра. Определены уравнения движения дрона, учитывающие реальные показания всех сенсоров и рассчитывающие соответствующее им положение квадрокоптера.
Проведена оценка вычислительной сложности моделирования и предложен метод её снижения, обеспечивающий возможность использования модели в полевых условиях. Решение основано на определении только граничных точек зоны ошибки.
4. В среде Matlab разработана модель автономного полёта квадрокоптера при воздействии ветровой нагрузки, направленная на оценку реализуемой траектории движения с точки зрения затрат энергии и точности позиционирования. Она позволяет сравнивать различные стратегии и выбирать ту, которая обеспечит выполнение полётного задания.
В процессе верификации модели подтверждено, что получаемые результаты полностью соответствуют аналитическому расчёту.
5. В ходе исследований функциональности модели для трёх вариантов маршрутов полёта проведены симуляции, результаты которых подтвердили возможность её использования для оценки точности позиционирования автономных квадрокоптеров при полёте в условиях ветровой нагрузки. Получены количественные оценки - затраты энергии и площадь зоны ошибки, достаточные для проведения сравнительного анализа различных стратегий планирования полёта. Выбранные параметры значимо изменяются в зависимости от стратегии полёта.
Разработано не требующее значительных вычислительных ресурсов приложение, позволяющее рассчитать и передать на борт контроллеру параметры автономного полёта дрона в условиях ветровой нагрузки.