К .т.н. Костюков В.А., Кульченко А.Е.

Технологический и нститут ЮФУ, г. Таганрог, Российская Федерация

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛЕТА ОДНОВИНТОВОГО МИНИ-ВЕРТОЛЕТА ПО ЦЕЛЕВОЙ ТРАЕКТОРИИ

 

Введение

Возможность зависания в совокупности с высокой маневренностью и скоростью обуславливают актуальность построения робототехнических платформ на базе вертолетов для решения различных задач. В [1] рассмотрена структурно-алгоритмическая реализация автопилота мини-вертолета. В данной работе приводятся результаты моделирования характерного тестового режима полета вертолета Caliber 90 ver .6, (взлетный вес – 6500 г ).

Полетное задание

Необходимо на заданной высоте   реализовать движение по эллиптической траектории с большой полуосью   и малой полуосью   (см. рис.1) с начальной скоростью   и целевой скоростью в первые , ; в интервале времени от   до   установить целевое значение скорости   . В момент времени   установить целевое значение скорости     и решать задачу позиционирования вертолета в точке на земле, максимально близкой к точке . Снижение окончить в момент времени .

Максимальное отклонение траектории движения на этапе горизонтального полета от целевой траектории – не более , среднеквадратичное отклонение – не более .

Принять следующие ограничения на управляющие воздействия:     Начальные значения внутренних и внешних координат положить равными: , , , ,

Рис.1. Параметры эллиптической траектории

 

Математическая модель вертолета Caliber 90 ver .6. базируется на уравнениях динамики твердого тела [2]. Посадка «по вертолетному» включает в себя следующий алгоритм [3]:

1.           Плавно снижаем поступательную скорость на высоте 5 м .

2.           Регулируя «шаг-газ» снижается до отметки 0.2 м и зависаем.

3.           Продолжаем снижение, удерживаем «шаг-газ».

4.           Как только вертолет приземлился, энергично переводим «шаг-газ» в нуль.

При снижении вертолет требует балансировки   по каналам АП управления циклическим шагом.

Особенности реализации регулятора

Система управления базируется на позиционно-траекторном регуляторе [4–5]. При синтезе системы управления вертолетом учитывались следующие конструктивные особенности его динамики: возможность вертикального взлета и посадки, а также висения; вектор силы тяги несущего винта может образовывать только небольшой угол с конструктивной осью вращения несущего винта (примерно до 12 ⁰ ); наличие реактивного вращающего момента, действующего на корпус вертолета; сильное влияние инерционных сил на несущий винт и корпус вертолета; влияние отбрасываемых несущим винтом потоков воздуха на корпус; эффект “воздушной подушки” при движении на слишком малой высоте, возможность режима авторотации.

Результаты моделирования

Моделирование производилось при отсутствии ветра. На рис. 2 а, б, в приведены графики зависимостей линейных пространственных координат друг от друга, характеризующих траекторию движения вертолета, а на рис.2 г – зависимостей угловой координаты от времени. Из графиков на рисунке 2 в) видно, что достигнутое СКО не превышает требуемое в полетном задании.

Воздушная скорость меняется согласно полетному заданию. При движении по эллипсу скорость поддерживается постоянной на 2 м/с, при снижении происходит постепенное уменьшение скорости.

На высоте 0.5 м скорость снижения гасится и вертолет постепенно снижается. Проекции аэродинамической силы Px и Py во времени изменяются слабо, на графике Py наблюдается переходный процесс, связанный с торможением на режиме посадки. Модуль проекции Pz изменяется с определенной периодичностью. Момент Mz во времени меняется слабо.

Заключение

Полученные результаты моделирования движения вертолета по эллиптической траектории и последующей посадки вполне соответствуют физическим представлениям, базирующимся на динамике твердого тела.

 

Рис.2. Графики зависимостей линейных и угловых координат положения вертолета от времени

 

Как видно из графиков, приведенных на рис.2, вертолет при отсутствии ветра отрабатывает траекторию с минимальным СКО, не превышающим заданное предельное значение.

Таким образом, синтезированный автопилот, построенный с применением позиционно-траекторного регулятора и учетом особенностей динамики вертолета, отрабатывает движения по целевой траектории с заданной точностью, энергетическими ограничениями и необходимыми требованиями на изменение земных координат.

 

Список использованных источников:

1.       Кульченко А.Е. Алгоритмы функционирования автопилота робота-вертолета // Инженерный Вестник Дона / А.Е. Кульченко. – 2011.

2.       Есаулов С.Ю. Вертолет как объект управления / Есаулов С.Ю., Бахов О.П., Дмитриев И.С. – М.: Машиностроение, 1977. – 192 с.

3.       Тиняков Г.А. Пилотирование вертолета / Г.А. Тиняков. – М.: Воениздат, 1957. – 191 с.

4.       Пшихопов В.Х.   Позиционно–траекторное управление подвижными объектами / В.Х. Пшихопов. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 183 с.

5.       Пшихопов В.Х. Синтез адаптивных систем управления летательными аппаратами / В.Х. Пшихопов, М.Ю. Медведев // Известия Южного федерального университета: Технические науки. – 2010. – Т.104. – № 3. – С. 187–196.