CC BY
63
Verba Gennady Efimovich - Augur Aeronautical Centre; e-mail: [email protected]; 68, Leningradsky avenue, bld. 16, Moscow, 125315, Russia; phone: +74959897425; International Airship Association member; Chairman of the Board.
Shchugarev Sergey Nikolaevich - cand. of eng. sc.; academician Russian Academy of cosmonautics.
Ivchenko Boris Aleksandrovich - cand. of eng. sc.; deputy General director - chief designer -head of the Design Bureau.
Ponomarev Pavel Ardalionovich - cand. of eng. sc.; deputy General director - government relations director.
Talesnikov Mikhail Valentinovich - International Airship Association member; deputy General director - commercial director.
УДК 629.73.015:533.6:519.711.3
B.X. Пшихопов, H.E. Сергеев, М.Ю. Медведев, A.E. Кульченко
АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В ЗАДАЧЕ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МИНИ-ВЕРТОЛЕТА CALIBER V90
Приводится постановка задачи идентификации параметров мини-вертолета в рамках проекта создания роботизированного вертолетного комплекса. Рассматриваются тан проведения экспериментального исследования и алгоритмы постобработки данных. Предлагаются алгоритмы оценивания центра масс и сил, и моментов, действующих на .
данных. Приводится процедура определения указанных параметров вертолета по результатам экспериментального взлета и посадки вертолета. Проведенный анализ показал необходимость увеличения частоты измерений и фильтрации вибрационных шумов для повышения точности определения параметров.
Робот; вертолет; идентификация; алгоритмы обработки; экспериментальное ис.
V.Kh. Pshihopov, N.E. Sergeev, M.Y. Medvedev, A.E. Kulchenko
APPROACH FOR DATA PROCESSING IN THE PROBLEM IDENTIFICATION OF PARAMETERS OF MINI-HELICOPTER CALIBER V90
In this paper, we present a problem identification of helicopter parameters for robotics project. Paper presents scenarios of experiments and post-processing approach for data. We describe the approaches for estimation of center of inertia, moments and forces which effect on a helicopter. There are described approaches of filtering and smoothing for experimental data and procedure of helicopter parametric identification, which based on take-off — landing mode, as well. Analysis showed what increasing of measurement rate and noise/vibration filtering are needed to improve parametric identification.
Robot; helicopter; identification; data processing algorithm; experiment.
Введение. Проведение экспериментального исследования является обязательным этапом в создании системы управления роботизированного вертолета. В работах [1-4] были рассмотрены задачи, связанные с теорией вертолета, численным моделированием, некоторыми алгоритмами. Однако для использования системы управления с позиционно-траекторным управлением необходимо иметь корректную математическую модель [7, 9, 11, 12]. В этой связи целью эксперимента является идентификация параметров мини-вертолета. Задачи эксперимента состоят в следующем:
♦ определить неизвестные параметры, входящие в уравнения динамики вертолета;
♦ разработать метод обраб отки данных эксперимента;
♦ провести сравнение теоретических расчетов и результатов обработки экс-
;
♦ проверить аппаратное обеспече ние в реальных условиях полета, выявить
.
В статье рассматривается задача построения алгоритма обработки данных эксперимента. Данные эксперимента представляют собой информационные массивы следующих датчиков:
♦ ультразвуковой дальномер 8ЯР05, который позволяет измерять высоту к, от 0,01 до 5м, с точностью 0,01 м;
♦ энкодер ЛИР119А измеряет и-обороты на валу НВ;
♦ микропроцессорная плата Агёшпо БиетЛапоуе измеряет РРМ сигналы по 6 каналам на выходе приемника радиоуправления, поступающие на вход
;
♦ ИНС КомпаНав-2 позволяет измерять: углы тангажа, крена и рысканья, линейные и угловые скорости вертолета в связанной СК, кажущиеся линейные ускорения в связанной СК, барометрическую высоту и т.д.
Выдвигаются требования к условиям полета из учета типа двигателя минивертолета (ДВС): температура окружающей среды +3 и выше, ровная площадка, ясная погода без осадков, тумана и пр.
Для получения наиболее полного набора данных по базовым режимам полета выполняются следующие упражнения:
♦ взлет-посадка (с разным ускорением);
♦ взлет-висение-посадка (с разным ускорением);
♦ - - - ( );
♦ взлет-полет по прямой - посадка (с разным ускорением);
♦ взлет-полет по П-образной траектории (хвост удерживается) - посадка ( );
♦ взлет-полет по П-образной траектории (хвост поворачивается) - посадка ( );
♦ ( ).
Полностью подготовленный к полету мини-вертолет с бортовой системой измерений приведен на рис. 1.
Рис. 1. Мини-вертолет с бортовой системой измерений в сборе
Обработка данных эксперимента. Рассмотрим алгоритмы обработки экспериментальных данных на примере режима взлет-посадка. Перед тем как приступить к непосредственной обработке данных из общего массива измерений, необходимо выделить интересующий участок. Этот участок может соответствовать нескольким режимам полета либо одному конкретному, например режиму взлета. Эксперимент проводился в условиях низкой температуры, поэтому требовалось дополнительное время на прогрев двигателя вертолета. Предварительная обработка позволяет убрать данные, поступившие во время прогрева. Полет вертолета со. -терпретацию данных измерений (рис. 2).
Рис. 2. Взлет мини-вертолета с полезной нагрузкой на борту
В результате эксперимента получен массив измерений, содержащий время, обороты рулевого винта, углы крена, тангажа и курса, линейные и угловые скорости, линейные ускорения, воздушную скорость, барометрическую высоту, ШИМ-, . РВ приводится в действие посредством ременной тяги. Для перехода к оборотам несущего винта (НВ) или оборотам двигателя, необходимо перемножить обороты РВ на соответствующие передаточные числа: 9,8:1:4,8. Таким образом, формулы для перехода имеют следующий вид:
* =~^~
ДВ 9,8
РВ
(1)
ДВ 9,8
4,8.
Результаты эксперимента показали, что обороты РВ практически не содержат шумов, поэтому дополнительной обработки не требуется. Для остальных данных: углов ориентации вертолета, линейных и угловых скоростей, линейных ускорений, показаний высоты и воздушной скорости применяется фильтрация. Дополнительно применяется метод сглаживающих сплайнов (smooth spline) из инструментария Matlab Curve Fitting Tool (рис. 3).
Рис. 3. Угол тангажа вертолета
* dVx_nabl vs. t
fit
H t *
h ;
: р [ : ..Jlj
1 А М | ^
У у 1-1 : i'Ai
У \ | W
: У
О i % 6 В 10 12- 14 Ш
Рис. 4. Линейное ускорение Ax (k]=6, k2=9).
Для получения линейных и угловых ускорений, соответствующие скорости Vx,Vy,Vz,wx,wy,wz дифференцируются. При этом применяется оценивание с помощью рекуррентного наблюдателя производных (РНП) [5, 6, 8, 10]. Например, для нахождения линейного ускорения Ax (рис. 4) решаются уравнения следующего вида:
= ^ + кл (У -
1 2 1 х 1
* 2 = кі(У - гі);
2 1 х 1
У » * 2 ; (2)
х2
2
к1
к =---------,
2 4
где к1 - задаваемый параметр, начальные значения т1 = 0, ^ = 0.
Аналогично (2) вычисляются оценки остальных ускорений. На основании результатов измерений и оценок ускорений вычисляются оценки сил и моментов, действующих на вертолет и кооорднаты Ц.М. Указанные оценки базируются на уравнениях динамики вертолета:
' * 2 2 ш(Ух + юУ - юУ + о)угт - озгут + озхюуут + сзхюгтт - хтюу - хтюг) = ^;
т(У +азУ -азУ +азхТ - аз гт +аз аз хт +аз аз гт - утаз2 - утаз2) = ^ ;
^ у їх х і г Т х^Т у х Т у іТ ^Т х •/Т г' у’
а - а
(3)
т(Уг + а) У - а)У + азхуТ - азх + азгазххТ + азгазууТ - г^а? - г^ю2 ) = );
(4)
3хОх - (0У -3Юг ) + (3г - Зу )0уЗ - - Зу (3хО* + 3гуОу ) +
+ 3уО +т ( — - —у - УтУх3у + УтУу3х - ТТУхЗ + ТТУЮх ) = Мх ’
3уОу - Зху (Ох + Оу3 ) + (3х - 3г )ОхОг - Зуг° - 3° +
+юх (3хОх + 3 ту3у ) + т —х - —г + —хОу - утУу3х - ТтУуОг + ТтУЮу ) = Му)
3г3г - 3ху (3х2 - 3,2) + (3у - 3. )ОхОу - - 33у - О (3уг3х - 3хг3у ) +
+т —у - —х + —хО - хтУгОх + утУуОг - утУгОу ) = ). где Бх, Бу, - проекции полной силы, в которую входят: внешние силы действующие на вертолет и неизмеряемые внешние возмущения, действующие на вертолет (ветер, влияние метеорологических элементов и явлений); Мх, Му, М7 -моменты сил вертолета; 1х, 1у, 17, - моменты инерции.
В полете т (масса вертолета) меняется во времени, меняются координаты . . . . . Для получения хт,уг,2т, Рх,Ру,РЪ,Мх,Му,М2 решаются две системы линейных , :
А =
X т II X 1 (5)
-т(а2у +т\) т(а>х ту -&>г) т(ту +тХа тг) -1 0 0
т(тг +ауа тх) -т(а_2 +аг2) т(ау тг -тх) 0 -1 0
т(а>г тх -ту) т(ах +тг^ азу) -т(т1 + т2у) 0 0 -1
-т(а? + аз] ) У(, +1) го+1) ' т(ах озу -аг ) х(,+1) уо +1) г0 +1) т(ау +тх аг ) у(+1) х( +1) г0+1) -1 0 0
т(аг + ау азх ) г0+1) у(+1) х0+1) -т(а_2 + аз2 ) хо+1) го+1) т(ау аг -тх ) у(,+1) г0+1) х0+1) 0 -1 0
т(аг азх -ау ) г0+1) х0+1) у('+1) т(тх +аг ау ) х0+1) г('+1) у('+1) -т(а2 + а2 х0+1) у(<+1) 0 0 -1
-т(Ух +°уУг -°гУх) ■ х"
-т(Уу + югУх -юхуг) у,
-т(Уг+°хУу -юуУх) -т(Ух +юу Уг - юг Ух ) х0'+1) у0+1) т('+1) т('+1) х('+1) X = г К Г
- т(У + о У -о У ) у(1+1) г0+1) х(1+1) х(1+1) г(1+1) Гу Г
-т(У +ю У -о У ) г(1+1) х(1+1) у(>+1) у('+1) х(1+1) _ г _
где X - вектор неизвестных.
Для хт, ут, гт производится оценка дисперсии и расчет среднего арифметического. Ниже приведены графики для у, гт. Так, для данного режима дисперсия принимает следующие значения: Бх1 = 0,0327; Бу1 = 0,0060; = 0,0070, среднее
арифметическое Ср.х1 = 0,0053; Ср.у = 0,0033; Ср.г1 = 8,8756е-004.
И ■
J____________________________________________I___________________________________________I___________________________________________I__________________________________________I___________________________________________I__________________________________________I___________________________________________I-
о х а м в м ив мш
а
б
в
Рис. 5. Координаты Ц.М. по оси ОХ(а), ОУ(б), 02(в)
Из графиков (рис. 5) и результатов анализа видно, что математическое ожидание хт, ут , ст близко к нулю, что соответствует действительности. Однако дисперсии оценок велики. Для повышения качества оценивания планируется повышение частоты измерений и дополнительная фильтрация.
Выводы. Создан задел для экспериментального исследования параметров .
борту роботизированного вертолета для идентификации модели и синтеза системы .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кост юков В А., Кульченко АЖ. Моделирование полета одновинтового мини-вертолета по целевой траектории. VI Международная научно-практическая Интернет-
конференция «Спецпроект: анализ научных исследований» 2011. - (тезисы).
2. Кульченко АЖ. «Алгоритмы функционирования автопилота робота-вертолета» // Инженерный Вестник Дона, 2011.
3. Кульченко АЖ. Программно-аппаратный моделирующий комплекс для робота - верто-
// - .
4. Кульченко АЖ., Федоренко РЖ. Структурно-адгоритмическая организация системы
- // -
ния:Материалы Пятой Всероссийской научно-практической конференции. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. - С. 135-139.
5. . . //
Мехатроника, автоматизация и управление. - 2006. - № 6. - С. 17-22.
6. Медведев ММ. Структура и алгоритмическое обеспечение нелинейного наблюдателя
// .
науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 20-25. '
7. . . -
дах // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 6-20.
8. . ., . . системах. - М.: Физматлит, 2009. - 295 с.
9. . ., . .
аппаратами // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. - № 3 (104). - С. 187-196.
10. Пшихопое В.Х., Медведев ММ. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений // Информационно-измерительные и управляющие системы.
- 2006. - № 1. - С. 103-109.
11. Пших опое В.Х., Медведев ММ., Сиротенко ММ., Носко О.Э., Юрченко Л.С. Проектирование систем управления роботизированных воздухоплавательных комплексов на базе дирижаблей // Известия ТРТУ. - 2006. - № 3 (58). - С. 160-167.
12. . . - . - -рог: ТТИ ЮФУ, 2009. - 183 с.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор РА. Нейдорф.
Пшихопов Вячеслав Хасанович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88634371694; кафедра электротехники и мехатро-ники; зав. кафедрой; д.т.н.
Медведев Михаил Юрьевич - e-mail: [email protected]; кафедра электротехники и мехатроники; к.т.н., доцент.
Кульченко Артем Евгеньевич - e-mail: [email protected]; кафедра электротехники и мехатроники; аспирант; ассистент.
Сергеев Николай Евгеньевич - e-mail: [email protected]; тел.: 88634312241; учебный военный центр ЮФУ; зам. нач. УВЦ ЮФУ; д.т.н.
Pshixopov Vyacheslav Xasanovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371694; the department of electrical engineering and mechatronics; department head; dr. of eng. sc.
Medvedev Mixail Yur’evich - e-mail: [email protected]; the department of electrical engineering and mechatronics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Kulchenko Artem Evgenievich - e-mail: [email protected]; the department of electrical engineering and mechatronics; postgraduate student; lecturer.
Sergeev Nicolay Evgenievich - e-mail: psichop @rambler.ru; phone: +78634312241; the millitary educational center; assistant chief; dr. of eng. sc.; assistant chief.
УДК 623.827:001.89 (075.8) (021.5)
..
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВОЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ ЗА РУБЕЖОМ
Рассмотрены вопросы военного применения подводных робототехнтеских систем и комплексов в ряде зарубежных стран. Формулируются главные цели методы ведения боевых действий на море, анализируются стратегические концепции ВМС США и НА ТО. На основе проведенного анализа формулируются зада, , перспективные направления развития подводной техники. Проведенный анализ может использоваться при разработке концепции противодействия ВМС США и НА ТО при ведении боевых действий в мировом океане и в прибрежной акватории.
Военно-морские сипы; автономные необитаемые подводные аппараты; боевые подводные роботы; сетеценрический способ боевых действий.
