Моделирование кинематики и динамики полета беспилотного летательного аппарата
Инерциальная система отсчета и связь с точкой на поверхности. Угловые скорости и их выражение в терминах производных углов Эйлера. Диагональные члены инерции. Возможность летательного аппарата совершать геометрические движения в трёхмерном пространстве.
| Рубрика | Транспорт |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.07.2018 |
| Размер файла | 316,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Моделирование кинематики и динамики полета беспилотного летательного аппарата
Шувакин Ю.А.
Аннотации
В статье затрагивается тема моделирования кинематики и динамики беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Это связано с тем, что в настоящее время БПЛА набирают популярность как в военной, так и в гражданской сфере, потому что они позволяют выполнять различные воздушные операции с минимальным количеством человеческих усилий. Понимание кинематики и динамики полета позволит минимизировать затраты для проектирования БПЛА.
Abstract: the paper touches upon the topic of modeling of kinematics and dynamics an unmanned aerial vehicle (UAV). This is due to the fact that currently UAVs are becoming increasingly popular in both the military and the civilian sphere, because they allow to perform various air operations with a minimum of human effort. Understanding the kinematics and dynamics of flight will minimize the costs for the design of the UAV.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА), кинематика, динамика, моделирование.
Keywords: unmanned aerial vehicle (UAV), kinematics, dynamics, modeling.
При моделировании движения беспилотных летательных аппаратов нужно знать, каким образом различные тела ориентированы относительно друг друга. Мы должны быть в курсе того, как летательный аппарат ориентирован по отношению к земле. Также, возможно, нам интересно, как камера расположена по отношению к воздушному судну или как антенна ориентирована относительно источника сигнала на земле. В этой работе будут использоваться две системы координат: инерциальная система и система , связанная с телом БПЛА [1].
Инерциальная система отсчета жестко связана с точкой на поверхности Земли. Единичный вектор направлен на север, - на восток, - к центру Земли.
Система отсчета связана с центром масс БПЛА. Единичный вектор указывает на переднюю часть летательного аппарата, - на правое крыло, - на нижнюю часть.
Одна система координат преобразуется в другую с помощью двух основных операций: поворот вокруг начала координат и параллельный перенос.
Для разработки уравнений движения БПЛА введем 12 переменных состояния [2]. Среди них шесть состояний позиции и скорости связаны с поступательным движением БПЛА. Остальные описывают вращательное движение. Переменные состояния перечислены в таблице 1.
Таблица 1. Переменные состояния БПЛА
|
Переменная |
Описание |
|
|
pn |
Северная позиция БПЛА в системе отсчета |
|
|
pe |
Восточная позиция в системе |
|
|
pd |
Инвертированная высота в системе |
|
|
u |
Скорость относительно i в системе |
|
|
v |
Скорость относительно j в системе |
|
|
w |
Скорость относительно k в системе |
|
|
ц |
Угол крена БПЛА |
|
|
и |
Угол тангажа |
|
|
ш |
Угол рыскания |
|
|
p |
Угловая скорость крена |
|
|
q |
Угловая скорость тангажа |
|
|
r |
Угловая скорость рыскания |
Поступательная скорость БПЛА выражается через компоненты скорости вдоль каждой из осей в системе координат . Компоненты , , , (рис. 1) направлены вдоль , , соответственно.
Рис. 1. Компоненты скорости БПЛА
С другой стороны, поступательное положение измеряется и выражается в инерциальной системе отсчета
. Связующая поступательной скорости и положения требует дифференцирования и поворота вокруг начала координат:Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
(1)
Угловые скорости БПЛА могут быть выражены в терминах производных углов Эйлера [4], при условии, что соответствующие вращательные преобразования выполняются следующим образом:
(2)
Эти уравнения, описывающие поступательную и вращательную компоненты кинематики, являются частью конечного набора из 12 уравнений движения для БПЛА.
Чтобы получить уравнения динамики, мы будем применять второй закон Ньютона сначала к поступательным степеням свободы, а затем к вращательным. Законы Ньютона рассчитываются в инерциальных системах отсчета, а это означает, что движение тела должно быть привязано к фиксированной системе отсчета, которой в нашем случае является Земля.
С помощью второго закона Ньютона поступательное движение может быть выражено:
(3)
где - масса БПЛА, Размещено на http://www.allbest.ru/
- производная по времени в инерциальной системе отсчета, - сумма всех внешних сил, действующих на летательный аппарат. Они включают в себя гравитацию, аэродинамические силы и двигательные силы.
В случае маневрирования самолета, мы можем легко применить второй закон Ньютона, для представления силы и скорости в системе отсчета :
(4)
Для вращательного движения второй закон Ньютона гласит, что:
(5)
где - кинетический момент в векторной форме и - сумма всех приложенных извне моментов. Это выражение справедливо при условии, что моменты суммируются относительно центра масс БПЛА.
Для твердого тела, угловой момент определяется как произведение матрицы инерции и вектора угловой скорости. Матрица инерции представлена в виде:
(6)
Диагональные члены называются моментами инерции, в то время как недиагональные члены называются продуктами инерции. Моменты инерции являются мерами тенденции самолета противостоять ускорению вокруг определенной оси вращения [3]. Для самолетов, симметричных относительно носовой части . скорость инерция угол
Определив компоненты внешних моментов в виде вектора , мы можем выразить угловые скорости через угловые моменты:
Размещено на http://www.allbest.ru/
(7)
где
(8)
Таким образом, уравнения (1), (2), (4), (7) представляют собой 6DoF (шесть степеней свободы) модель БПЛА - возможность летательного аппарата совершать геометрические движения в трёхмерном пространстве, а именно: двигаться вперёд или назад, вверх или вниз, влево или вправо, включая повороты вокруг каждой из трёх взаимно перпендикулярных осей.
Литература
1. Beard R. W., McLain T. W. (2012). "Small Unmanned Aircraft: Theory and Practice", Princeton University Press.
2. Hostmark J. B. (2007). "Modeling Simulation and Control of Fixed-wing UAV: CyberSwan", Master of Science Thesis, Norwegian University of Science and Technology (NTNU), Trondheim, Norway.
3. Sobolic F. "Agile flight control techniques for a fixed-wing aircraft", Master's thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2009.
4. Phillips W. F., Hailey C. E. and Gebert G. A. "Review of attitude representations used for aircraft kinematics", in Journal of Aircraft, vol. 38. №. 4, 2001.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Управляемый полет летательного аппарата. Математическое описание продольного движения. Линеаризация движений продольного движения летательного аппарата. Имитационная модель для линеаризованной системы дифференциальных уравнений продольного движения.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 04.04.2015Особенности построения теоретического профиля НЕЖ с помощью конформного отображения Н.Е. Жуковского. Геометрические параметры и сопротивление летательного аппарата. Методика определения сквозных и аэродинамических характеристик летательного аппарата.
курсовая работа [399,0 K], добавлен 19.04.2010Определение габаритов корпуса летательного аппарата, площади и габариты крыла, габаритов двигательной установки и топливного заряда, удельной нагрузки на оперение. Компоновка и центровка летательного аппарата. Расчет нагрузок, действующих на корпус.
дипломная работа [1,7 M], добавлен 16.06.2017Общие понятия о равновесии, балансировке, устойчивости и управляемости летательного аппарата. Уравнения продольного возмущенного движения. Продольная статическая устойчивость самолета. Анализ сводного возмущенного движения летательного аппарата.
курсовая работа [474,4 K], добавлен 29.10.2013Понятие эргономичности пользовательского интерфейса. Подсистема создания, редактирования и визуализации маршрута беспилотного летательного аппарата на цифровой карте местности. Требования к программной архитектуре подсистемы. Средства и порядок испытаний.
дипломная работа [6,3 M], добавлен 06.07.2012Структурный анализ механизма управления рулем летательного аппарата, его размеры. Расчет зависимости для кинематического исследования механизма. Исследование движения механизма под действием сил. Расчет геометрических параметров смещенного зацепления.
курсовая работа [186,3 K], добавлен 30.05.2012Анализ надежности деталей системы кондиционирования параметрическим и непараметрическим методом. Анализ данных эксплуатационных наблюдений за отказами изделий летательного аппарата. Сбор и обработка информации об отказах. Поиск отказов и неисправностей.
контрольная работа [862,5 K], добавлен 30.10.2013Анализ показателей безотказности невосстанавливаемых изделий летательного аппарата параметрическим и непараметрическим методом. Определение показателей надежности изделий. Методы поиска отказов и неисправностей. Сбор и обработка информации об отказах.
контрольная работа [3,8 M], добавлен 30.10.2013Средства передачи с борта и их характеристики. Методы и алгоритмы повышения разборчивости речи. Свойства речевых сигналов и слуха, влияющие на нее. Анализ акустических шумов в кабине летательного аппарата. Разработка модели формирования "очищенной" речи.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 19.03.2015Вычисление аэродинамических характеристик исследуемой ракеты: подъемная сила, производная коэффициента подъемной силы летательного аппарата, лобовое сопротивление, момент тангажа. Структура системы SolidWorks 2014 Выбор углов атаки и скорости потока.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 20.12.2015Программное обеспечение АРМ управления полетом беспилотного летательного аппарата, оператора целевой аппаратуры. Программное обеспечение обработки и представления видеоинформации. Патрулирование. Разведка в горной местности. Разведка удаленных целей.
статья [4,3 M], добавлен 28.05.2015Разработка и внедрение программы моделирования системы автоматического управления взлетом самолетного типа для беспилотного летательного аппарата. Обзор и анализ существующих БЛА среднего класса аэродромного базирования, выбор оптимального способа взлета.
дипломная работа [4,9 M], добавлен 07.02.2013Разработка системы стабилизации ракеты. Основные геометрические параметры частей летательного аппарата (AGM-158 Jassm). Отладка рулевого привода. Амплитудные, фазовые характеристики. Конструкция испытательного стенда. Проверка и расчет мощности двигателя.
дипломная работа [8,0 M], добавлен 22.04.2015Расчет элеронов летательного аппарата в среде COSMOS/M. Эквивалентные конечно-элементные модели для поясов и стенок лонжеронов, нервюр и обшивки. Расчет напряженно-деформированного состояния и проектирования с уменьшением затрат труда и времени.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 12.03.2012Выбор законов управления в канале руля направления. Закон управления рулем высоты при угловой стабилизации. Стабилизация летательного аппарата относительно трех осей. Управление с заданной перегрузкой. Оптимальные передаточные числа автопилота крена.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 10.05.2013Изучение устройства квадрокоптера. Обзор вентильных двигателей и принципов работы электронных регуляторов хода. Описание основ управления двигателем. Расчет всех сил и моментов приложенных к квадрокоптеру. Формирование контура управления и стабилизации.
курсовая работа [692,2 K], добавлен 19.12.2015Расчет лобовых сопротивлений несущих элементов, фюзеляжа, мотогондол и подвесных баков летательного аппарата в условиях полностью турбулентного пограничного слоя. Зависимость лобового сопротивления ЛА по углу атаки. Расчет и построение поляры крыла.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 03.12.2013Устройство и принципы действия дирижаблей, история их развития; типы по форме, заполняющему газу и конструкции. Преимущества и недостатки летательного аппарата. Причины заката эпохи дирижаблей. Использование беспилотных дирижаблей в настоящее время.
реферат [959,3 K], добавлен 11.01.2011Комплексный анализ техники как социального феномена, уяснение ее природы и сущности; задачи. Гражданская авиация - составляющая "философии техники"; летно-технические характеристики летательного аппарата и психофизиологические возможности человека.
доклад [28,7 K], добавлен 08.03.2011Проектировочный расчет фланцевого соединения отсеков корпуса. Силовые приводы аэродинамических органов управления. Конструкция и проектирование рычага механизма управления. Нагрузки, действующие на крыло и на корпус. Расчет деталей штампа на прочность.
курсовая работа [4,1 M], добавлен 29.01.2013
