Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современный уровень развития воздухоплавания заново открывает перспективы использования дирижаблей для решения задач транспортировки, мониторинга и наблюдения. К достоинствам дирижаблей следует отнести: высокий коэффициент грузоподъемности, дальность и продолжительность полета; возможность вертикального взлета и посадки; работу в режиме длительного зависания; безопасность в случае отказа силовой установки и системы управления; малый расход топлива; незначительно воздействие на окружающую среду; низкую стоимость эксплуатации.
Разработка роботизированных воздухоплавательных комплексов (РВК) позволяет автоматизировать процессы мониторинга, значительно снизить стоимость их проведения, минимизировать участие человека-оператора.
Указанные факторы обуславливают неослабевающий интерес к решению проблемы синтеза автоматических систем управления летательными аппаратами и, в частности, дирижаблями. Различным аспектам этой проблемы посвящены работы отечественных (А.Р. Гайдук, Н.А. Глебов, В.Н. Голубятников, И.А. Каляев, С.Г. Капустян, В.М. Лохин, СВ. Манько, М.Ю. Медведев, Р.А. Нейдорф, Ю.В. Подураев, В.Х. Пшихопов и др.) и зарубежных (Moutinho, А.В., Е. Hygounenc, Р. Soueres, I. Jung, S. Lacroix, G. С. Avenant, С. H. Hong, К. С. Choi, B.S. Kim) ученых.
Однако, при наличии достаточно большого числа публикаций, большинство предложенных подходов к синтезу систем управления базируется на классических методах проектирования, применяемых для летательных аппаратов, которые предполагают разделение движения на продольную и поперечную составляющие с дальнейшей линеаризацией моделей вдоль эталонных траекторий. Использование упрощающих подходов к синтезу систем управления дирижабля не учитывает многосвязности его математической модели и может не только не позволить достичь требуемых количественных показателей, предъявляемых к точности отработки траекторий, но и привести к потере качественных свойств замкнутой системы.
Кроме того, в известных работах предлагаются подходы к построению систем управления движением дирижабля по путевым точкам, без рассмотрения специфики режимов автономного взлета и посадки, которые являются наиболее аварийными и сложными при управлении дирижаблем в силу ограниченности на управления в этих режимах, существенного влияния ветровых и параметрических возмущений при движении вблизи поверхности земли.
В этой связи, актуальность задачи разработки методов конструирования и исследования автопилота взлета и посадки дирижабля определяется, с одной стороны, востребованностью роботизированных воздухоплавательных комплексов на базе дирижаблей, с другой - недостаточной проработанностью методов конструирования автопилотов для режимов взлета и посадки.
Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей роботизированного дирижабля и повышение точности отработки траекторий взлета и посадки при неопределенных метеоусловиях за счет применения новых методов проектирования автопилота взлета и посадки.
Научная задача, решение которой содержится в диссертации, - разработка методов проектирования автопилотов взлета и посадки роботизированных дирижаблей с использованием адаптивного к возмущающим воздействиям управления, обеспечивающих расширение функциональных возможностей дирижабля и повышение точности отработки траекторий взлета и посадки при неопределенных метеоусловиях, а также их исследование методами математического и компьютерного моделирования.
Основные задачи исследования:
- разработка адаптивного к ветровым возмущениям закона управления дири
жаблем на этапах взлета и посадки;
-разработка структуры автопилота взлета и посадки роботизированного дирижабля;
- разработка способа повышения точности отработки траекторий взлета и по
садки за счет применения локальной визуальной навигации;
- разработка компьютерного комплекса моделирования движений дирижабля;
-исследование автопилота взлета и посадки роботизированного дирижабля
методами компьютерного моделирования;
-экспериментальное исследование и подтверждение корректности разработанного автопилота взлета и посадки.
Методы исследования основаны на использовании методов теории управления, аналитической механики, теории матриц, методе аналитического синтеза нелинейных позиционно-траекторных систем управления подвижными объектами, методе построения редуцированных наблюдателей Луенбергера для нелинейных систем, методах имитационного моделирования. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в среде MATLAB и подтверждена результатами экспериментов.
Достоверность полученных результатов:
обеспечивается применением принципов и методов теории автоматического управления, а также строгими математическими выводами;
подтверждается результатами экспериментов и компьютерного моделирования;
согласуется с данными экспериментов и результатами исследований других авторов, представленными в печатных изданиях.
Наиболее существенные новые научные результаты, полученные автором и выдвигаемые для защиты:
- метод проектирования автопилота взлета и посадки роботизированного дирижабля, отличающийся использованием адаптивного к внешним возмущениям закона управления, учетом нелинейности и многосвязности математической модели дирижабля, что позволяет повысить точность отработки траекторий взлета и посадки роботом-дирижаблем;
-методика проектирования компьютерного комплекса моделирования движений роботизированного дирижабля, отличающаяся модульностью и расширяемостью, а также использованием возможностей современных программных средств, позволяющая создавать комплексы моделирования для исследования автопилота взлета и посадки роботизированного дирижабля средствами имитационного моделирования на этапе проектирования и сокращать сроки его разработки;
-способ повышения точности функционирования роботизированного дирижабля в режимах взлета и посадки, отличающийся комплексированием локальной визуальной навигации по меткам и адаптивного закона управления.
Практическая ценность работы. Представленные результаты могут быть использованы при проектировании и исследовании автопилотов роботизированных воздухоплавательных платформ. Разработанные подходы позволяют придать роботизированным дирижаблям новые функциональные возможности и повысить качество отработки задач взлета и посадки при неопределенных метеоусловиях, снизить стоимость разработки автопилота.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на VIII Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», г. Таганрог, 2006 г.; V Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», г. Томск, 2007 г.; научно-практическом семинаре «Технологии QNX - достижения и тенденции», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; II молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах», п. Домбай, 2010 г.; VI Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», г. Таганрог, 2011 г.; ежегодной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, 2011.
Высокий уровень разработок по теме диссертации отмечен именной стипендией Главы Администрации (Губернатора) Ростовской области в 2007 г. за особые способности в учебной и научной деятельности, почетной грамотой Министерства промышленности и науки Московской области за разработку «Автономный мобильный робот на базе дирижабля», представленную на авиасалоне «МАКС-2007», дипломом компании SWD Software за презентацию проекта на
научно-практическом семинаре «Технологии QNX - достижения и тенденции» в г. Санкт-Петербург, 2009.
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты, полученные в рамках данной работы, использованы при выполнении НИР «Разработка экспериментального образца интегрированной системы управления роботизированным воздухоплавательным комплексом на базе дирижабля» (шифр «Автокорд-Т», №ГР 01200701664), 2006 - 2008 гг., НИР «Исследование возможностей создания системы управления беспилотного стратосферного дирижабля длительного барражирования для решения информационных задач» (шифр «Аэронавт-ТГ», №ГР 01200706984), 2007 - 2009 гг., выполненных по заказу Министерства обороны РФ.
Личный вклад автора. Все научные результаты диссертации, выдвигаемые для защиты, получены автором лично.
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 7 печатных работах, в том числе 1 монография (в соавторстве), 3 статьи в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов работ по диссертациям на соискание ученой степени кандидата технических наук, 4 доклада в материалах Всероссийских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований, содержания и 1 приложения. Основная часть работы составляет 150 страниц и включает в себя 63 рисунка и 1 таблицу.
