ИСТИНА

Анализ особенностей динамики квадрокоптера, к которому подвешен груз, содержащий полость с жидкостью, и формирование управления квадрокоптером, направленного на достижение целевых характеристик движения.

In recent years, quadrotors became commonly used in various sectors of the economy. One of the promising areas of their use is the transportation of payloads on a cable suspension (for example, in the field of construction, when carrying out external repairs on high-rise buildings, etc.). At the same time, the size and mass of the payload can be comparable with the corresponding characteristics of the quadrotor, and the outer shape of the payload can be quite complex. In addition, the payload may contain movable internal masses, for instance, a cavity can be located inside it, wholly or partially filled with liquid (for example, a container with paint). It is natural to expect that the aerodynamic forces acting on the payload from the outside, and the hydrodynamic forces acting on it from the inside, will have a significant impact on the dynamics of the payload, and, hence, on the motion of the quadrotor. This project is aimed at studying the dynamics of a quadrotor with suspended load taking into account the above mentioned factors. As part of the project, a mathematical model of a quadrotor with a payload will be constructed, taking into account the aerodynamic forces acting on the payload and the presence of a cavity inside the payload, wholly or partially filled with liquid. Among other factors, the model will take into account the dependence of the aerodynamic forces acting on the payload on the orientation of the payload with respect to the incoming flow, which is especially important in the presence of wind. When describing the forces acting on the propellers of a quadrotor, it is supposed to take into account their dependence on the angular velocities of the propellers, the orientation of the propeller plane with respect to the incoming flow, and the speed of the incoming flow. To simulate the aerodynamic and hydrodynamic forces and moments, it seems appropriate to use phenomenological approaches that allow for integrally describing the interaction of the payload body with the air and with the liquid inside the cavity using a finite-order dynamic system. This will make it possible to effectively apply well-developed methods of control theory, qualitative analysis of dynamic systems, etc. In the context of the project, a series of experiments is planned in a subsonic wind tunnel to study the oscillations of a payload suspended in flow in the case when there is a cavity with liquid inside the payload. The results of the experiments will make it possible to verify the corresponding model, make corrections to it, if necessary, and identify its parameters. Some of the most important target modes of quadrotor motion (hovering, horizontal flight at constant speed, etc.) will be identified and appropriate software controls will be found to ensure the implementation of these modes. In this case, it is supposed to take the angular velocities of the propellers as control inputs. To stabilize the target mode and suppress oscillations of the payload and the liquid inside it (if any), a feedback control will be developed. When designing it, it is necessary to take into account the presence of limitations on the control, as well as the fact that some phase coordinates and velocities of the system may not be available for direct observation. A systematic analysis of the effect of different system parameters and coefficients in the control law on system dynamics will be carried out. This will allow for obtaining some estimates of the domain in the parameter space where the control target can be achieved. The results obtained during the implementation of the project can be useful in the development of quadrotors intended for transportation of payloads.

Будет создана математическая модель системы, состоящей из квадрокоптера и подвешенного к нему груза, в том числе, содержащего полость, заполненную жидкостью, в предположении, что система движется в вертикальной плоскости. Модель будет учитывать аэродинамическое воздействие на груз. Будет построено управление, обеспечивающее стабилизацию целевого режима (зависания, горизонтального равномерного полета) и гашение колебаний груза в условиях ветра. Будут даны оценки области в пространстве параметров, в которой такая стабилизация возможна. При этом будут учитываться ограничения, наложенные на управляющее воздействие. Для случая, когда внутри груза имеется полость, целиком или частично заполненная жидкостью, будет предложен закон управления, обеспечивающий стабилизацию целевых режимов движения. Будут даны оценки области в пространстве параметров, в которой такая стабилизация возможна. При этом будут учитываться ограничения, наложенные на управляющее воздействие. Будет создана математическая модель пространственного движения системы, состоящей из квадрокоптера и подвешенного к нему груза, в том числе, содержащего полость, заполненную жидкостью. В модели будет учитываться аэродинамическое воздействие на груз. Будет построено управление, обеспечивающее стабилизацию целевого режима и гашение колебаний груза при наличии ветра. Будут даны оценки области в пространстве параметров, в которой такая стабилизация возможна. Для случая, когда внутри груза имеется полость, целиком или частично заполненная жидкостью, будет предложен закон управления, обеспечивающий стабилизацию целевых режимов движения. Будут даны оценки области в пространстве параметров, в которой такая стабилизация возможна. Будут проведены эксперименты по изучению влияния жидкости в полости на колебания груза, подвешенного в потоке среды. Полученные данные будут использованы для верификации использованной математической модели, ее модификации (при необходимости) и идентификации ее параметров.

Участники коллектива обладают большим и многолетним опытом моделирования движения тел в среде, а также управления ими. Был разработан и внедрен программный комплекс для моделирования полета неуправляемых противоградовых ракет [1, 2]. В математической модели, лежащей в основе этого комплекса и созданной участниками коллектива, детально учитывались аэродинамические силы и моменты, действующие на ракету, а также переменная реактивная тяга, развиваемая двигателем. В процессе полета ракета должна в течение как можно более длительного времени находиться в заданном эшелоне высот внутри облака и рассеивать там реагент, предотвращающий образование града. Была предложена схема работы двигателя, обеспечивающая эффективное выполнение этой задачи.