Software and Hardware Complex for Simulation Modeling of a Multirotor UAV Flight

Full Text

Для проектирования и определения характеристик беспилотного летательного аппарата (БЛА) необходимо решение ряда практических инженерных задач, обеспечивающих их эксплуатацию и функционирование в различных условиях. С этой целью производится разработка различных образцов имитационных моделей, программно-аппаратных комплексов, на которые возлагаются задачи тестирования программных и аппаратных решений, отладки программного обеспечения систем управления. В настоящее время имитационное моделирование является мощным средством по реализации инженерных и научных задач при создании БЛА, позволяющим проводить тестирование систем в критических и аварийных ситуациях, снижая затраты на дорогостоящие прототипы. Состояние вопроса Наиболее широкие возможности предоставляет программно-аппаратный метод, использующий достоинства математического моделирования с включением в работу реальных бортовых и наземных систем. Эксперименты на программноаппаратном комплексе, в отличие от летных, легко воспроизводимы при различных задаваемых режимах полета и условиях окружающей среды. Известны следующие решения программноаппаратных комплексов имитационного моделирования: 1. Размещение исследуемого оборудования на платформах, имитирующих движение БЛА [1-3]. Это позволяет проводить отработку измерительных систем и идентификацию их характеристик. Однако данный метод имеет ограничения на воспроизводимую динамику движения, что влияет на исследование количественных и качественных характеристик БЛА. 2. Использование вычислительных машин под управлением операционной системы реального времени в комплексе с внешним бортовым и наземным оборудованием [4]. Данный способ позволяет моделировать динамику БЛА в режиме реального времени, однако требует наличия дорогостоящих специализированных вычислительных машин, специальной подготовки имитационной модели, что для практической реализации зачастую является сложно преодолимым препятствием. 3. Подключение полетного контроллера к специализированным робототехническим симуляторам, которые создают виртуальную среду с возможностью моделирования различных подвижных объектов и их взаимодействие с окружающей обстановкой [5]. Такое решение предоставляет широкие возможности работы с готовыми моделями, но требует сложной подготовки собственных объектов моделирования. В статье предлагается подход, использующий математическую модель мультироторного БЛА, которая реализована в среде MatLab/Simulink в комплексе с бортовой системой управления и наземной станцией управления (НСУ), позволяющий функционировать программно-аппаратному комплексу в режиме, близком к реальному времени (см. рисунок 1). Рисунок 1. Структурная схема программно-аппаратного комплекса Постановка задачи Проведем постановку задачи разработки программно-аппаратного комплекса. Исходя из целевой установки исследования, зададим следующие исходные данные: характеристики полетного задания, координаты точки старта, высоту точки старта над уровнем моря, направление и силу ветра. В качестве аппаратной части используем систему управления мультироторного БЛА и наземную станцию управления. Требуется разработать программно-аппаратный комплекс имитационного моделирования, который использует в составе программной части математическую модель мультироторного БЛА типа квадрокоптер, реализованную в среде MatLab/Simulink. Программно-аппаратный комплекс должен обеспечивать: - оценку времени полета БЛА при различных комбинациях воздушных винтов, бесколлекторных электродвигателей, аккумуляторных батарей; - моделирование характеристик и состояния силовой батареи (емкость, напряжение как функцию от оставшейся емкости исследуемой батареи); - моделирование ветровой нагрузки, направления и скорости ветра, его нарастающих порывов, турбулентности; - снятие исследуемых характеристик в режиме, близком к реальному времени; - проверку логики работы системы управления (функционирование БЛА в различных условиях и этапах полета); - полет по маршруту (формирование траектории движения БЛА); - ручное полуавтоматическое управление (управление БЛА манипулятором НСУ при сохранении автоматического управления скоростью полета); - ручное управление (управление углами ориентации); - оценку времени полета в зависимости от высоты точки старта над уровнем моря; - проверку работы системы управления БЛА при отказе командной радиолинии. Ограничениями при разработке программноаппаратного комплекса являются: - работа воздушных винтов моделируется в режиме осевого обдува; - аэродинамическое сопротивление конструкции БЛА задается постоянным коэффициентом; - моделируется мультироторный БЛА малого класса взлетной массой до 6 кг; - математическая модель квадрокоптера строится из предположения, что БЛА является симметричным относительно центра масс; - конструкция и воздушные винты являются абсолютно твердыми телами; - параметры атмосферы принимаются стандартными [6]. Решение задачи Оборудование, используемое в составе программно-аппаратного комплекса, представлено на рисунке 2. Рисунок 2. Состав программно- аппаратного комплекса С учетом требований, предъявляемых к программно-аппаратному комплексу, предлагается функциональная схема построения, представленная на рисунке 3. Исходя из постановки задачи, в качестве аппаратной части используется: - реальная НСУ, которая обеспечивает формирование полетного задания, оперативное управление и отображение полетной информации; - система управления мультироторным БЛА, показанная на рисунке 3. Рисунок 3. Функциональная схема программно-аппаратного комплекса имитационного моделирования полета мультироторного БЛА Программная часть представляет собой математическую модель квадрокоптера и его окружения. С целью функционирования в составе программно-аппаратного комплекса в штатную систему управления БЛА внесены следующие изменения: - реализован интерфейс UART для обмена данными с программой средой MatLab/Simulink; - добавлен режим работы «симулятор», в котором блокируется управление электродвигателями, а данные о пространственной ориентации, координатах местоположения, скорости, высоты, напряжения аккумуляторной батареи (АКБ), тока потребления, барометрического давления поступают от имитационной модели; - система управления имеет возможность переключения из режима «симулятор» в рабочий режим, что позволяет использовать БЛА как в составе программно-аппаратного комплекса, так и для летных испытаний. В качестве среды моделирования используется MatLab с пакетом Simulink версии R2018b. Проведем разработку компонентов имитационной модели. Оценка времени полета предполагает разработку и верификацию математических моделей воздушных винтов, бесколлекторных электродвигателей, аккумуляторных батарей. Имитационная модель воздушного винта представлена на рисунке 4. Для ее построения использована импульсная теория, позволяющая связать геометрические характеристики воздушного винта с создаваемой тягой и крутящим моментом, необходимым для его вращения, скоростью закручивания воздушной струи пренебрегают [7-9]. Рисунок 4. Имитационная модель воздушного винта В имитационной модели на рисунке 4 реализована математическая модель воздушного винта. Предполагается, что его лопасть разбивается на сечения (см. рисунок 5), и для каждого элемента лопасти вычисляются величина тяги и момент сопротивления вращению. Создаваемая элементом лопасти тяга описывается в виде [8]: (1) где y C - коэффициент подъемной силы; pxÑ - коэффициент профильного сопротивления; r - радиус расположения элемента на лопасти; dr - ширина элемента; b - хорда элемента; k - число лопастей воздушного винта; ý β - угол притекания потока к элементу (см. рисунок 6). Рисунок 5. Разметка лопасти воздушного винта Рисунок 6. Аэродинамические силы и треугольник скоростей на элементе лопасти при осевом движении Момент сопротивления вращению, создаваемый элементом лопасти и скорость притекания воздушного потока к элементу лопасти определяются, соответственно, формулами (2) и (3) [8]: 2 2 2 2 cos sin , p ý ñîïð x ý ý y ý W dM C krbdr W C krbdr ρ = β+ ρ +β (2) 22 1 ( ) ( ) ,ý yÍÂ W V r = +υ + ω (3) где ω - угловая скорость вращения воздушного винта; yHB V - скорость невозмущенного воздушного потока; ρ - массовая плотность воздуха (см. рисунок 6). Индуктивная скорость 1, υ создаваемая элементом лопасти, находится решением квадратного уравнения [8]: 11 2 1 0 8 () ( ) , yHB yHBa y ý V V rbkC r +υ υ = +υ ω = ϕ -α - ωπ (4) где a yC - производная коэффициента подъемной силы по углу атаки ; ýα ý ϕ - угол установки элемента лопасти; 0 α - угол, при котором профиль сечения лопасти создает нулевую подъемную силу. Для воздушных винтов мультироторных БЛА применяют несимметричные выпукло-вогнутые профили, предназначенные для работы при низких числах Рейнольдса типа Eppler - E63 [10]. Коэффициенты , xC y C получаются в результате продувок профиля в аэродинамической трубе или методом вычислений [11]. Для воздушного винта Falcon 17 5 8 ,× значения 58 ,,a yC = 0 25,. α =- ° Полученные для каждого элемента лопасти значения тяги и момента сопротивления вращению суммируются. При расчете тяги учитываются потери, возникающие на концах лопастей [7; 8]. Реализация математической модели бесколлекторного электродвигателя представлена на рисунке 7. Для его моделирования используется эквивалентная схема замещения, представленная на рисунке 8 [12; 13]. Индуктивность обмотки L бесколлекторных электродвигателей, применяяемых на мультироторных БЛА, имеет малое значение 62(, Hµ для двигателя MN5208 Kv340), соответственно, ее влияние в балансе напряжений достаточно мало [12]. Поэтому при создании имитационной модели бесколлекторных электродвигателей индуктивность обмотки обычно не учитывают. Уравнение, описывающее работу бесколлекторного электродвигателя, представим в виде [13; 14]: 0 () , in E M L TL T VKJ J I K T R  -ω + ω= - -    (5) где M J - момент инерции ротора электродвигателя; L J - момент инерции воздушного винта; ω - угловая скорость вращения воздушного винта; V - напряжение питания электродвигателя; TR - сопротивление обмотки; 0 I - ток холостого хода; L T - момент сопротивления вращению, создаваемый воздушным винтом; T K - коэффициент крутящего момента; E K - коэффициент пропорциональности между противо-ЭДС и оборотами электродвигателя. Коэффициент крутящего момента T K численно равен коэффициенту пропорциональности E K если их величины выражены в единой системе величин СИ [14]. Для моделирования работы Li-Ion (литий-ионной) батареи используем модуль Datasheet Battery библиотеки Energy Storage and Auxiliary Drive программы Simulink (см. рисунок 9). Используемая имитационная модель атмосферных возмущений, ветровой нагрузки, направления и скорости ветра, его нарастающего порыва, турбулентности атмосферы, использующая блоки библиотеки Aerospace Blockset пакета Simulink, представлена на рисунке 10. Модуль формирования сил, действующих на квадрокоптер, вычисляет аэродинамическое сопротивление, действующее на БЛА в полете, представляется имитационной моделью (рисунок 11). Имитационная модель БЛА, реализованная в Simulink, выполнена отдельным модулем, требующим для управления движением только задания пространственной ориентации и величины тяги. Управление пространственной ориентацией БЛА и его модели осуществляется integral backstepping контроллером [17] в компонентах кватерниона рассогласования [18]. Это обеспечивает минимизацию данных, передаваемых от системы управления БЛА в имитационную модель, которые используются на этапе отладки. Работу имитационной модели в режиме, приближенном к реальному времени, обеспечивает модуль «Set Pace» библиотеки Aerospace Blockset, синхронизирующий выполнение программы с системными часами персонального компьютера. Система управления БЛА, при работе в составе программно-аппаратного комплекса, обеспечивает функции, выполнение которых жестко не привязано к реальному времени, к ним относятся: управление движением по маршруту; переключение режимов полета; выполнение процедур, предотвращающих возникновение и развитие аварийных ситуаций. Обмен данными между НСУ и системой управления БЛА реализуется с использованием штатного радиоканала. Подключение имитационной модели к системе управления БЛА осуществляется через сервисный интерфейс UART посредством виртуального COM порта на рисунке 12. В качестве средства визуализации полета БЛА используем встроенные средства Simulink (см. рисунок 13). Имитационная модель программно-аппаратного комплекса, реализованная в MatLab Simulink, приведена на рисунке 14. Моделирование величин моментов инерции для ротора бесколлекторного электро-двигателя, воздушного винта и непосредственно БЛА выполнено в программе SolidWorks. Рисунок 7. Имитационная модель бесколлекторного электродвигателя Рисунок 8. Эквивалентная схема замещения бесколлекторного электродвигателя Рисунок 9. Имитационная модель бортовой батареи Рисунок 10. Имитационная модель атмосферных возмущений Рисунок 11. Имитационная модель формирования динамики полета Рисунок 12. Модуль виртуального COM порта Пример Разработанные имитационные модели бесколлеторных электродвигателей и воздушных винтов верифицировались по измерениям, полученным со стенда, оснащенного датчиками: тяги, крутящего момента, оборотов, напряжения и тока потребления. Сравнительные результаты измерений и моделирования мотоустановки, состоящей из бесколлекторного электродвигателя MN5208Kv340 и воздушного винта Falcon 17 5 8 ,,× приведены на рисунке 15. Результаты исследований, представленные на рисунках 15, 16, были проверены путем натурных испытаний БЛА. Выводы Адекватность функционирования разработанного программно-аппаратного комплекса проверена в течение 2,5 месяца использования в процессе отладки программного обеспечения системы управления мультироторного БЛА. При помощи программно-аппаратного комплекса было выполнено более 600 тестов по оценке характеристик исследуемых БЛА. Сравнение результатов моделирования времени полета реального квадрокоптера, представленного на рисунке 2, с его временем полета показало расхождение менее 5 %, что для инженерной практики является вполне допустимым итогом. Анализ также показал, что результаты моделирования позволяют выполнять: - оценку времени полета БЛА при различных комбинациях воздушных винтов, бесколлекторных электродвигателей, аккумуляторных батарей с целью выбора наилучшего варианта; - выбор требуемой емкости АКБ, исходя из профиля полета и предназначения БЛА; - моделирование внешних возмущающих факторов, действующих на БЛА в полете, которые на практике имеют адекватную характеристику; - тестирование логики работы системы управления на всех этапах полета и при различном управлении БЛА, в том числе при возникновении неисправностей, искажениях навигационного поля GPS/ГЛОНАСС, отказе командной радиолинии. Натурные исследования и результаты моделирования подтверждают обеспечение заданных характеристик времени и высоты полета над уровнем моря при ограничениях на значение взлетной массы БЛА. Достоинством разработанного комплекса, в отличие от ранее существу ющих, являются модульность построения, простота изменения летных характеристик мультироторного БЛА, возможность оценки времени полета при различных сочетаниях используемых компонентов. Кроме того, тестирование программного обеспечения системы управления БЛА на штатном оборудовании повышает безопасность полетов. Разработанный программно-аппаратный комплекс может использоваться для тренировки операторов БЛА, поскольку информация, отображаемая на экране НСУ, не отличается от реального полета. Рисунок 13. Панель приборов имитационной модели Рисунок 14. Имитационная модель программно-аппаратного комплекса Рисунок 15. Характеристики имитационной модели мотора MN5208-Kv340 с воздушным винтом Falcon 17 × 5,8 в сравнении со стендовыми характеристиками: а - тяги; б - момента сопротивления вращению; в - потребляемой мощности Рисунок 16. Результаты моделирования: а - времени полета; б - использования емкости АКБ; в - потребляемой мощности в зависимости от высоты полета над уровнем моря и взлетной массы БЛА

About the authors

A. M Isaev

North Caucasus Federal University

Email: quaternion77@gmail.com
Stavropol, Russian Federation

G. I Linets

North Caucasus Federal University

Email: quaternion77@gmail.com
Stavropol, Russian Federation

M. A Isaev

North Caucasus Federal University

Email: quaternion77@gmail.com
Stavropol, Russian Federation

S. V Melnikov

North Caucasus Federal University

Email: quaternion77@gmail.com
Stavropol, Russian Federation

References

Supplementary files