Методика передпроєктного вибору компонентів FPV квадрокоптерного типу за заданими значеннями тяги, швидкості та часу польоту
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6761-2024-1-4Ключові слова:
компоненти, автоматизоване проєктування, польотний контролер, двигун, електронний контролер швидкості, безпілотний літальний апаратАнотація
Мета роботи. Розробити методику передпроєктного вибору компонентів БПЛА квадрокоптерного типу для створення дронів на основі заданих критеріїв.
Методи дослідження. Математичний аналіз та моделювання.
Отримані результати. У статті розроблено, реалізовано та оцінено модульну структуру, яка дозволяє операторам швидко зібрати без інструментів мультироторний безпілотний літальний апарат (МР-БПЛА) із індивідуальними характеристиками польоту для виконання вимоги місії. Розроблено поетапний процес вибору апаратних компонентів (датчиків, приводів, гвинта, двигунів, акумуляторів, електронних регуляторів швидкості) для модулів рамки для досягнення бажаних характеристик. Розроблено програмний засіб, який оптимізує процес вибору компонентів обладнання та розрахунок часу польоту. Перевірено алгоритм розрахунку часу польоту на основі даних безщіткового двигуна та гвинта, зібраних за допомогою тягового стенду/динамометра. Фреймворк складається з п’яти модулів (контролер, трансмісія, відео, зв’язок і корисне навантаження), що дозволяє користувачеві комбінувати модулі, щоб швидко зібрати МР-БПЛА, який найкраще відповідає вимогам бажаного застосування. Для перевірки дизайну фреймворку було реалізовано та протестовано прототип. Фреймворк був використаний для створення 3 модульних профілів МР-БПЛА, один для спостереження (тривалий час польоту), один для доставки (більший корисний вантаж), а третій профіль МР-БПЛА дозволяє форму перемикання, прив’язану до джерела живлення від батареї під час польоту.
Наукова новизна. Запропонований у статті алгоритм базується на підході, що дозволяє адаптувати МР-БПЛА на більш високому рівні, ніж попередні системи. Інфраструктура дозволяє користувачеві налаштовувати характеристики польоту (час польоту, швидкість, максимальне корисне навантаження), а також датчики та канали зв’язку (відео та канал передачі даних) відповідно до вимог конкретної операції.
Практична цінність. Щоб полегшити процес вибору апаратних компонентів для модулів каркасу, в роботі представлено алгоритм для оцінки часу польоту, який включено в процес побудови модульних профілів. Алгоритм перевірено, і середня точність 98,94% була досягнута для оцінки часу польоту зависання. Представлено дизайн програмного засобу. Цей інструмент дозволяє розробникам аналізувати дані про безщіткові двигуни та гвинти (отримані зі стенду тяги), оцінювати, як повна вага та вибір батареї впливають на МР-БПЛА (щодо часу польоту, співвідношення тяги до ваги та максимального корисного навантаження), а також оптимізує процес розробки МР-БПЛА.
Посилання
Allenspach, M., Bodie, K., Brunner, M., Rinsoz, L., Taylor, Z., Kamel, M., ... & Nieto, J. (2020). Design and optimal control of a tiltrotor micro-aerial vehicle for effi-cient omnidirectional flight. The International Journal of Robotics Research, 39(10-11), 1305-1325.
Anzai, T., Zhao, M., Chen, X., Shi, F., Kawasaki, K., Okada, K., & Inaba, M. (2017, September). Mul-tilinked multirotor with internal communication sys-tem for multiple objects transportation based on form optimization method. In 2017 IEEE/RSJ Inter-national Conference on Intelligent Robots and Sys-tems (IROS), 5977-5984.
Badr, S., Mehrez, O., & Kabeel, A. E. (2016, June). A novel modification for a quadrotor design. In 2016 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 702-710.
Barber, C. B., Dobkin, D. P., & Huhdanpaa, H. (1996). The quickhull algorithm for convex hulls. ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS), 22(4), 469-483.
Blouin, C., & Lanteigne, E. (2014, May). Pitch control of an oblique active tilting bi-rotor. In 2014 Interna-tional Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 791-799.
Bouabdallah, S., Noth, A., and Siegwart, R. (2004) PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor. In: 2004 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelli-gent Robots and Systems. Sendai, Japan, 2451–2456.
Brescianini, D., & D'Andrea, R. (2016, May). Design, modeling and control of an omni-directional aerial vehicle. In 2016 IEEE international conference on robotics and automation (ICRA), 3261-3266.
Bronz, M., Smeur, E. J., Garcia de Marina, H., & Hat-tenberger, G. (2017). Development of a fixed-wing mini UAV with transitioning flight capability. In 35th AIAA applied aerodynamics conference, 3739.
De Martini, D., Gramazio, G. V., Bertini, A., Rotten-bacher, C., & Facchinetti, T. (2017). Design and modeling of a quadcopter with double axis tilting ro-tors. Unmanned Systems, 5(03), 169-180.
Devlin, T., Dickerhoff, R., Durney, K., Forrest, A., Pansodtee, P., Adabi, A., & Teodorescu, M. (2018). Elbowquad: Thrust vectoring quadcopter. In 2018 AIAA Information Systems-AIAA Infotech@ Aero-space, 0893.
Haus, T., Orsag, M., & Bogdan, S. (2017, June). A concept of a non-tilting multirotor-UAV based on moving mass control. In 2017 International Confer-ence on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 1618-1624.
Donadel, R., Raffo, G. V., & Becker, L. B. (2014). Modeling and control of a tiltrotor UAV for path tracking. IFAC Proceedings Volumes, 47(3), 3839-3844.
Franchi, A., Carli, R., Bicego, D., & Ryll, M. (2018). Full-pose tracking control for aerial robotic systems with laterally bounded input force. IEEE Transac-tions on Robotics, 34(2), 534-541.
Fu, Z., Xiao, B., Yang, J., Wu, C., & Wei, Y. (2017, July). Modeling and control of a new multicopter. In 2017 36th Chinese Control Conference (CCC), 6495-6500.
Akopov, M., Maksymova, S., & Yevsieiev, V. (2023). Choosing a Camera for 3D Map-ping. Journal of Universal Science Research, 1(11), 28-38.
Hamandi, M., Sawant, K., Tognon, M., & Franchi, A. (2020, September). Omni-plus-seven (O7+): An om-nidirectional aerial prototype with a minimal number of unidirectional thrusters. In 2020 International conference on unmanned aircraft systems (ICUAS), 754-761.
Malyi, O., Furmanova, N., Onyshhenko, V., Malyi S. Metodologichni zasady vyboru komponentiv rushijnoi' ustanovky multyrotornyh BPLA (2023). Vyrobnyctvo & Mehatronni Systemy, 158-162
Jiang, G., Voyles, R., Sebesta, K., & Greiner, H. (2017, September). Estimation and optimization of fully-actuated multirotor platform with nonparallel actuation mechanism. In 2017 IEEE/RSJ Interna-tional Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 6843-6848.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 O. Yu. Malyi, I.Ye. Pospeieva, N.I. Furmanova, V.F. Onyshchenko, M.Yu. Zaluzhnyi, V.V. Ivanov
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
