1. Autor: inż. Mateusz Kuliberda
Promotor: dr hab. inż. Tomasz Rogalski, prof. PRz
Implementacja algorytmów sterowania
statkiem powietrznym podczas wykonywania
wybranych figur akrobacyjnych
Rzeszów 2015
2. • Analiza możliwości zastosowania automatycznego
sterowania podczas wykonywania wybranych figur
akrobacyjnych
• Opracowanie algorytmów sterowania
• Przygotowanie stanowiska symulacyjnego
• Implementacja algorytmów w środowisku
symulacyjnym
Zakres pracy dyplomowej
4. Ogólna struktura proponowanych algorytmów
umożliwiających automatyczne sterowanie podczas
akrobacji
Etapy procesu sterowania:
Etap wstępny
Manewr właściwy
Zakończenie manewru
5. Figura akrobacyjna o nazwie „pętla”
Pętla jest to lot symetryczny po zamkniętym torze, w
płaszczyźnie pionowej.
6. Pętla – metoda pierwsza
• Stabilizacja obrotu wokół osi OX równego 0. Kąt obrotu wyznaczany jest z
całkowania prędkości kątowej obrotu wokół osi OX.
• Stabilizacja prędkości kątowej pochylania, poprzez odpowiednie wychylenie
steru wysokości dH
𝑑𝐻 = 𝑑𝐻0 + 𝑑𝐻′
gdzie,
dH – końcowe wychylenie steru wysokości,
𝑑𝐻0 – początkowe wychylenie steru
pozwalające na rozpoczęcie i utrzymanie ruchu
obrotowego,
𝑑𝐻′
– wychylenie steru wysokości pozwalające
na zachowanie stałego promienia pętli.
7. Pętla – metoda druga
• Metoda polega na wyznaczaniu punktu odniesienia, leżącego na ścieżce, przed
obiektem, po której ma się poruszać. Prawo sterowania określa punkt odniesienia
oddalony od obiektu o pewną odległość L i wyznacza przyspieszenie zadane 𝑎 𝑧 w
osi OZ na bazie wektora prędkości 𝑉i wektora 𝐿 oparte na formule:
𝑎 𝑧 =
2
𝐿
2 𝑉 × 𝐿 × 𝑉
Skalarnie:
𝑎 𝑧 =
2𝑉2
𝐿
sin 𝜂
𝐿 = 2 ∗ 𝑅 ∗ sin η3
• Stabilizacja obrotu wokół osi OX równego 0. Kąt obrotu wyznaczany jest z
całkowania prędkości kątowej obrotu wokół osi OX.
8. Pętla – metoda pierwsza
Metodyka wyznaczania wartości 𝑑𝐻0:
1
2
𝜌𝑆𝑉2
𝐶𝑧 = 𝑚𝑔 cos 𝛾 +
𝑚𝑉2
𝑅
Dla kątów natarcia z zakresu od -15 do 20°:
𝐶𝑧 = 0.06159 ∗ 𝐾 ∗ 𝑑𝐻0
Ostatecznie:
9. Pętla – metoda pierwsza
Synteza regulatora wyznaczającego wychylenie dH’
𝐺 𝑠 𝛿𝐻
𝑞
=
46.33 𝑠 + 3.22
𝑠2 + 2 ∗ 0.79 ∗ 14.46 ∗ 𝑠 + 14.462
Funkcja przejścia łącząca wychylenie steru wysokości z prędkością kątową pochylania:
10. Pętla – metoda pierwsza
Wyniki syntezy regulatora wyznaczającego wychylenie dH’:
Funkcja przejścia układu otwartego sterowania prędkością kątową pochylania z regulatorem:
𝐺 𝑜 𝑠 = 0.003 +
0.025
𝑠
46.33 𝑠 + 3.22
𝑠2 + 2 ∙ 0,79 ∙ 14.46𝑠 + 14.462
11. Synteza prawa sterowania w ruchu bocznym
𝐺 𝑠 𝛿𝐿
𝜑
=
363.176
0.056𝑠2 + 𝑠
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0
10
20
30
40
50
60
70
Czas [s]
Odpowiedźnawymuszenieskokoweowartości-0.05[deg]
Odpowiedź zarejestrowana na wymuszenie skokowe lotkami o wartości -0.05
Odpowiedź wyznaczonej transmitancji na wymuszenie skokowe lotkami o wartosci -0.05
Funkcja przejścia łącząca wychylenie lotek z kątem przechylenia samolotu:
Synteza regulatora stabilizacji obrotu wokół osi OX
12. Synteza prawa sterowania w ruchu bocznym - wyniki
𝐺 𝑜 𝑠 = 0.02 +
0.0005
𝑠
363.176
0.056𝑠2 + 𝑠
Funkcja przejścia układu otwartego sterowania kątem przechylenia z regulatorem:
Wyniki syntezy regulatora stabilizacji obrotu wokół osi OX
13. Pętla – metoda druga
𝐺 𝑠 𝛿𝐻
𝑎
=
3564𝑠 − 68470
𝑠2 + 2 ∗ 1.16 ∗ 25.7𝑠 + 25.72
Funkcja przejścia łącząca wychylenie steru wysokości z przyspieszeniem w osi Z samolotu:
Synteza regulatora przyspieszenia w osi Z
14. 𝐺 𝑜 𝑠 = 0.0001 +
0.02
𝑠
3564𝑠 − 68470
𝑠2 + 2 ∙ 1.16 ∙ 25.7𝑠 + 25.72
Funkcja przejścia układu otwartego sterowania przyspieszeniem w osi Z z regulatorem:
Pętla – metoda druga
Wyniki syntezy regulatora przyspieszenia w osi Z
15. Synteza prawa sterowania w ruchu bocznym
𝐺 𝑠 𝛿𝐿
𝜑
=
363.176
0.056𝑠2 + 𝑠
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0
10
20
30
40
50
60
70
Czas [s]
Odpowiedźnawymuszenieskokoweowartości-0.05[deg]
Odpowiedź zarejestrowana na wymuszenie skokowe lotkami o wartości -0.05
Odpowiedź wyznaczonej transmitancji na wymuszenie skokowe lotkami o wartosci -0.05
Funkcja przejścia łącząca wychylenie lotek z kątem przechylenia samolotu:
Synteza regulatora stabilizacji obrotu wokół osi OX
16. Synteza prawa sterowania w ruchu bocznym - wyniki
𝐺 𝑜 𝑠 = 0.02 +
0.0005
𝑠
363.176
0.056𝑠2 + 𝑠
Funkcja przejścia układu otwartego sterowania kątem przechylenia z regulatorem:
Wyniki syntezy regulatora stabilizacji obrotu wokół osi OX
17. Implementacja algorytmów
• wykorzystany język programowania C,
• oprogramowanie powinno działać w sposób ciągły,
• wszystkie funkcje i elementy oprogramowania powinny
być sprecyzowane i nie powinny w nim występować
stany nieokreślone,
• komunikacja z symulatorem powinna być ciągła i
zapewniać szybką transmisję danych,
• dane powinny być wysyłane do symulatora w stałych
odstępach czasu,
• algorytmy sterowania powinny być wykonywane ze
stałym, z góry założonym odstępem czasu,.
