小型无人机的自动控制系统设计及功能解析

第九届国际会计师联合会控制教育进展国际自动控制联合会，俄罗斯下诺夫哥罗德，2012年小型无人机自动控制系统。教育方面V.D. Kukhar，A.V. Ladonkin，M.N. Mashnin，V. Ya. 拉斯波波夫高等职业教育联邦国家预算教育机构tgupu@yandex.ru文摘：本文论述了自动控制系统设计的目的、实质和步骤。小型无人机（UAV）。科学和教育综合体致力于研究设备，测量模块和无人机自动控制系统的结果。关键词：无人机，自动驾驶仪，微系统航电，自动控制系统。1. 介绍小型无人机（UAV）的重量可达10公斤。它们为部署环境监测设备提供了一个有效的平台。无人机由机体、发动机、机载控制系统和地面控制系统组成。无人机自动控制系统的设计是无人机研制过程中的关键环节。ACS的功能目标是提供手动、半手动和自动飞行模式.自动飞行模式是最重要的，因为没有与无人机的直接视觉接触。在自动模式下，ACS解决了以下任务：执行自动驾驶仪并保证沿着给定的飞行补丁移动。该报告的目的是揭示小型无人机定位和导航系统的发展成果，并在此基础上创建一个科学和教育综合体。这些成果是在TSU控制系统系的创新科学教育中心微系统设备中获得的。2. 航空电子小 型 无 人 机 航 电 系 统 由 机 载 控 制 系 统（OCS）和地面控制系统（GBCS）组成。GBCS由控制和通信设备（CCE）和PC组成（图1）。①的人。Fig. 1.接触网结构方案：SOSCCE是连接到PC的独立单元（图2）。该单元用于OCS与PC机之间的数据传输。图二.控制和通信设备PC是必要的，用于创建飞行轨迹和可视化从OCS接收的数据。© 2012 IFAC 138 10.3182/20120619-3-RU-2024.000772012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会1393. 自动控制系统机载导航系统由微控制器、捷联惯性导航系统（包括卫星导航系统）和各种传感器组成。微控制器解决了两个主要任务：生成控制信号和与GBCS通信。无人机的ACS设计过程包括以下几个方面：1. 无人机气动方案气动力系数的确定2. 传感器的选择3. 自动驾驶仪在环境监测任务中控制律的选择和自动驾驶仪系数的计算。4. 识别ACS中使用的所有元素的参数。5. ACS模式的数学建模。6. 开发车载设备，包括硬件和软件。7. 原型制作、建模和测试。在设计ACS时，开发人员面临以下问题：-提高了无人机在强风条件下飞行的稳定性和可控性;-控制设备的质量和尺寸参数减小;-捷联定向系统（SOS）校正的有前途的方法的发展。上述任务的解决，可以显着提高ACS的质量。4.教育目标航空电子设计是一项系统工程。在教学中，小型无人机设计应强调以下几点：1. 飞行器气动力系数和惯性矩的确定。2. 研究了无人机导航定位算法。3. 定位系统功能分析。4. 系统UAV-ACS功能的设计和建模。5. ACS元件的原型制作。参与无人机试飞，随后对收到的数据进行分析。4.1. 飞行器气动力系数和惯性矩的确定。在考虑无人机空气动力学时，建议学生确定给定飞行器的气动力和力矩的值。借助Solidworks软件实现了虚拟风洞试验方法。包括飞行器三维模型的建立、三维模型流程的建模和结果分析三个阶段。当 确 定 系 数 时 ， 使 用 来 自 Solidworks 软 件 的 模 块Floworks。在虚拟风洞试验方法实施之前，需要将三维模型的轴线与计算区域的轴线进行匹配。为了提高建模结果的精度，需要在计算区域内增加有限元单元的数目。这导致建模时间的增加。但是，可以在最接近三维模型的区域（子区域）中减小有限元的尺寸，并使其余单元的尺寸保持不变（图3）。它将允许在不降低精度的情况下减少建模时间。图三.分区三维模型最后一个阶段是结果分析（图）。4）。见图4。c_（系数随攻角α增大的曲线所建议的方法的优点是学生获得了确定气动力系数的实用技能，并且可以分析气动力和旋转力矩如何根据攻角变化。此外，所描述的方法可以内置于3-D设计概念中，并且可以包括在UAV设计的一个阶段中。根据接收到的数据，学生们可以创建一个无人机的数学模型。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会1401V4.2.研究了无人机导航定位算法。学习自动控制基础的过程从偏航、俯仰和滚转角稳定的算法开始，这些算法具有以下一般形式uk ус ский其中，φ c，φ是给定的和当前角度值;ky，kyc是角度和角速率的系数。导航算法的考虑包括自动油门算法和沿给定飞行区域的运动算法。通过非线性微分方程组描述了自动油门算法对无人机地速的影响1) 在预选的高度移动高度稳定的规律如下：ukhkhk其中h是预选高度和当前高度;h是俯仰;k，k，kh，kh是一个基于指定的函数的函数。2) 沿着给定的飞行补丁的运动。它是在必要的无人机偏航计算的帮助下进行的：зKL其中K是取决于飞行器动态特性的系数，ΔL是UAV与给定补丁的偏差。4.3. 定位系统功能分析。(t) 1(PcxSM第二节Gsin）;2在这一阶段，学生考虑不同的定向系统（SOS，光学等）的工作原理，以及T[K（V，n）n 05 -23]，他们的优点和缺点。考虑了三种SOS算法：欧拉式中，T是发动机时间常数;n是给定的，n是当前发动机转速;K是连接V、n和推力P的函数。学生将根据进场流速确定螺旋桨的推进性能特性（图5）。这可以在PropCalc 3.0软件的帮助下完成。图五.不同来流速度基于接收到的数据，可以定义UAV速度控制律的参数。研究沿给定面片运动算法的过程从无人机自动飞行主要原理的解释开始，即：方向余弦和Rodriga-Hamilton参数。为了估计每个SOS的精度，进行Matlab建模过程。图6所示的结构方案是利用欧拉角进行SOS建模的示例见图6。虚拟航空装备定位算法。光学定向系统的研究始于经典系统，包括一个相机。描述了它们的优点和主要缺点，即有限的视角。然后将学生引入到折反射定向系统中。在描述该结构时，特别强调视角加宽的原理。2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会141学生在专用软件的帮助下进行精度估计（图7）。该软件模拟折反射定向系统的工作，并允许改变其参数。见图7。软件面4.4.系统UAV-ACS功能的设计和建模。在无人机自动控制系统建模阶段，学生们设计了自动驾驶仪控制通道的结构方案。使用软件Koef_Prog（由控制系统部门开发），学生们确定自动驾驶仪系数的最佳值（图1）。（八）。见图8。软件面：1 -界面控制元件及数据输入区; 2 -计算自动舵系数输入显示区; 3 -图形信息瞬态过程显示区;4.1、4.2 -分贝对数频率响应图显示区学生研究真实无人机与其数学模型的对应关系。使用Matlab软件，他们考虑并考虑风的出现，并在终端导航条件下对系统进行建模。图9示出了在飞行通过四个检查点并返回到起始点时的UAV-AP系统建模的结果。见图9。考虑强风的无人机终端航行条件下的飞行补片4.5. ACS元件的原型制作。参与无人机试飞，随后对收到的数据进行分析。在图拉州立大学，学生有机会在TSU教师的指导下制作不同的ACS原型和各种模块。创建原型的过程包括几个阶段：1) 选择和分析必要的电子元件（传感器、电源设备、微控制器、模数转换器等）;2) 设备电路及其印刷电路板的开发;3) 模块组装，包括部件的焊接;4) 开发计算和通信算法，微控制器编程;5) 算法的最终调试、传感器的校准等。在组装之后，该装置经历了几次测试，包括飞行测试（图10）。因此，学生熟悉填写有关测试的文件和进行测试的规则，获得飞行器控制的实用技能，以及分析收到的数据。见图10。进行飞行试验2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会1425. 航空微系统在创新科教中心的‘MICROSYSTEMS EQUIPMENT’ OF CONTROLSYSTEMS DEPARTMENT OF来自“微系统设备”创新科学教育中心的科学家们已经创建了不同方向系统的原型（小型SOS，反射折射，高温，磁力）。表1-4列出了上述系统的技术细节。小型SOS -无人机控制系统的中心-是最普遍的（图11）。该装置实现了惯性、磁力和卫星导航系统信息的综合处理。见图11。小型SOS的观点。表1.小型SOS参数值技术细节偏航角测量范围0º ...360º俯仰测量范围±90º测量的滚动范围±180º角速率范围300º/s俯仰和滚转测量误差1.5º偏航测量误差3º表3.高温定位系统参数值俯仰测量范围±90º测量的滚动范围±90º角速率范围300º/s俯仰和滚转测量误差1.5º方向数据频率10 Hz电源5V尺寸60x60x25 mm质量60 g表4.磁力定向系统的技术细节参数值偏航测量0度... 360º测得的螺距范围±90º测量辊的范围±180º角速率300º/s纵摇和横摇测量1º偏航测量3º定向数据频率20 Hz电源5V尺寸50x90x25毫米质量<100克6. 教育和科学综合体教育和科学综合体（ESC）包括学习指南中描述的科学实践和实验室作业。该指南包括三个部分：1. 物理量的传感器。2. 捷联定位系统。3. 无人机作为控制对象。第一部分主要介绍了液压伺服系统的结构、工作原理和动态特性。经纬度误差测量10米微机械传感器（加速度计、陀螺仪、压力传感器）。高度测量误差15 m导航数据频率1 Hz方向数据频率100 Hz电源7V尺寸50x50x50 mm质量150表2.折反射定向系统第二部分介绍了SOS（含欧拉角、方向余弦和Rodriga-Hamilton参数）的工作原理和各种计算算法。SOS错误进行了调查。研究了折反射定向系统。第三部分对无人机自适应制导系统及其各组成部分进行了全面的数学描述.指 南 （ 实 践 和 实 验 室 ， 2011 ） 的 科 学 基 础 是 作 品（ Raspopov ， 2007; Matveev 等 人 ， 2009; Raspopov ，2010）。这项工作（方向微系统，2011年）具有关于无人机微定位系统的科学和实践经验的概括。参数值测得的螺距范围±90º测量辊的范围±180º角速率360度/秒定向数据频率30 Hz电源5V尺寸90x60x15毫米质量50 g2012年6月19日至21日，俄罗斯下诺夫哥罗德，国际会计师联合会第九届研讨会1437. 结论航空电子学的复杂性--作为一门技术学科和一门科学--要求对其专家进行系统的培训。上述无人机控制系统设计方法，以及控制系统部门人员的丰富实践经验，可以培养高水平的专家。使用ESC允许教授学生创建UAV所需的全方位设计程序。在设计ACS时解决紧迫的问题，可以与学生形成个人的科学观点。这种复杂方法的使用导致学生中年轻科学家的增加。引用Matveev，V.V.和Raspopov，V.Ya.（2009年）。非平台惯性导航系统基础/学习指南。SPb：SSC RF JSC拉波波夫，V.Ya.（2007年）。微机械 系统.出版社Raspopov，V.Ya.（2010年）。微机械航空电子学：学习指南。Grif Co，Tula.Raspopov V.Ya.（2011年）。微系统航空电子学的实践与实验室工作：高等教育机构学习指南。TSU出版社，图拉。Raspopov，V.Ya.（2011年）。无人驾驶飞机的定向微系统。出版社“Mashinostroenie”，莫斯科。