CC BY
6
2. Инсаров В.В., Тихонова С.В., Ранкова А.В., Фортинский Д.А., Использование градиентного подхода в задаче выделения контуров крупных техногенных объектов на изображениях многообъектных наземных сцен // Мехатроника, автоматизация, управление, том 6, 2015, №6, с.415-420.
3. Kass M., Witkin A., Terzopoulos D. Snakes: Active contour models //International journal of computer vision. 1988. Т. 1. №. 4. С. 321-331.
4. Черкасова Н.Д. Реализация мехатронного модуля с шаговым исполнительным двигателем для оптико-электронной системы // Вестник Тульского государственного университета. Серия «Системы управления». Вып.1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. С. 80-89.
Беззубое Никита Андреевич, аспирант, nikobezzubov@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF AN ALGORITHM FOR THE CONTOUR EXTRACTION OF STOCKPILED BULK MATERIALS USING THE PHOTOGRAMMETRIC METHOD
N.A. Bezzubov
The article presents an analysis of the bulk volume measurement problem using an unmanned aerial vehicle, examines the existing methods for determining the volume of bulk materials. A generalized scheme of the optoelectronic equipment of an unmanned aerial vehicle based on the Raspberry Pi Zero embedded system is made. An experiment with capturing a video stream of the optoelectronic system and subsequent recognition of the shape and color of the target object on the video image in real time was conducted.
Key words: photogrammetric method, computer vision, machine learning, pattern recognition, image processing, stepper motor, embedded system, bulk material.
Bezzubov Nikita Andreevich, postgraduate, nikobezzubov@,gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.7.058
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-352-358
МЕТОД СРАВНИТЕЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ СТРУКТУРЫ БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОСОПРОВОЖДЕНИЯ
А.И. Кимяев, В.В. Шеваль
Предложен метод сравнительных структурных исследований двухканальной бортовой САС, объединяющей поступательные движения в грубом канале управления и угловые движения в точном канале с помощью введения в рассмотрение эквивалентной двухканальной САС с угловыми движениями в обоих каналах. Показаны пути проведения идентификации с использованием технологии математического моделирования различных структур эквивалентного САС с угловыми движениями в грубом канале по отношению к исходной структуре управления поступательным движением в этом же канале. В результате проведения математического моделирования выявлена эквивалентная структура грубого канала, совпадающая в наибольшей степени с исходным каналом поступательного движения.
Ключевые слова: автоматическое сопровождение, двухканальные системы управления движением, структурный анализ.
В последнее время расширяется круг прикладных задач, в которых необходимо обеспечивать высокоточное измерение координат подвижных наземных и атмосферных объектов, причем во многих случаях речь идет о точностях измерения порядка единиц угловых секунд. Поля зрения оптических приборов (ОП), способных осуществлять подобные измерения, также имеют небольшие размеры, что предъявляет очень жесткие требования к динамической точности режима автосопровождения, особенно с учетом дополнительного требования расположения оптических приборов на борту авиационных носителей (АН) и достаточно высокой динамики перемещения наблюдаемого объекта (цели).
АН в процессе выполнения целевых измерительных функций оптического оборудования, размещенного не его борту, может решать две различные задачи: традиционно осуществлять автономные транспортные функции или работать согласовано с целевым оборудованием, участвуя, прямо или косвенно, в решении общей задачи управления режимом автосопровождения. Возможность прямого участия системы управления полетом (СУП) АН в обеспечении требуемой динамической точности автосопровождения по-настоящему стала реальной при размещении измерительных оптических прибора на борту многороторных летательных аппаратов (мультикоптеров - МК) вертолетного типа весом от 1 кг до 20 кг. Важным достоинствами МК являются высокое соотношение массы полезной функциональной нагрузки к взлетной массе [1] и принципиальная возможность совершать достаточно динамичные управляемые тра-екторные и угловые движения в ограниченной пространственной области [2]. Именно эти факты и позволяет задействовать СУП МК для создания дополнительного канала управления системы автоматического сопровождения (САС) цели [3].
При этом одной из основных задач управления бортовой САС является обеспечение высокой динамической точности, для чего применяются методы выбора наиболее эффективных способов управления полетом МК [4, 5] с привлечением различных (и довольно сложных) методов создания математических моделей динамики полете МК [6-8]. В то же время количество публикаций по методам отыскания рациональной структуры управления совершенно недостаточно.
Можно отметить, что большими потенциальными возможностями повышения динамической точности следящих систем обладает принцип двухканальности структур управления
[9], в развитие которого был предложен метод исследований двухканальных следящих приводов [10] для случая суммирования угловых движений функциональных нагрузок локальных каналов.
Для применения результатов исследований двухканальных структур, полученных в
[10], при использовании сочетания поступательного движения в грубом контуре и углового - в точном необходимо грубый контур также представить в виде следящей системы, совершающей угловые движения, т.е. ввести в рассмотрение эквивалентный вариант сопровождения цели за счет двух угловых движений инерционных нагрузок, обеспечиваемых, каждое, собственными следящими приводами (СП). Также, как и в работе [10], будем рассматривать движение МК с ОП на борту лишь в вертикальной плоскости, МК в этому случае называем бико-птером (БК).
Также сохраняется особенности полета БК на постоянной высоте хБк = Д*бк, а движения цели - по земле уБК = 0 (пространственные координаты БК и цели приводятся в стартовой плоской СК Ос^сУс). Разность между координатами БК уБК = 0 и цели уЦ обозначим ДУбк. Угловые измерения производятся или относительно эквивалентной СК О^^УС3 с осями параллельными осям стартовой СК и с началом в центре вращения условной инерционной нагрузки грубого канала (совершает строго угловые движения).
На рис. 1 показано, как оговоренный выше переход к эквивалентной двухканальной структуре изменяет структурную схему САС, где приняты обозначения:
ПГ ТК и ПГ ГК, WnpT и Wnpr, ОСт и ОСг - пеленгаторы, передаточные функции приводов, оптические системы физических частей дискриминаторов точного (Т) и грубого (Г) каналов управления САС, соответственно;
£гп £гп и £сас £сас - углы рассогласования и их измеренные значения точного («САС») и грубого («ГП») каналов САС, соответственно.
Индексом «ВО» обозначаются визирные оси оптических пеленгаторов, т.е. совокупности электронной и оптико-механической частей дискриминаторов.
Учтем тот известный факт [10], что суммирование выходных угловых параметров каналов может быть осуществлено как в механической части приводов (фПрт), так и в оптическом канале электромагнитных излучений (ф|0 сас), несущих информацию о взаимном угловом положении направления на цель (линия визирования - ЛВ) и направления ВО. На структуре рис. 1 связь, соответствующая суммированию в оптической части дискриминатора обозначена - I, а связь, соответствующая суммированию в механической части приводов - II.
Для того чтобы реализовать эти два принципа суммирования, необходимо использовать совокупность оптико-механических трактов (ОМТ) и механических подвесов приводов, выполненных по соответствующим отличающимся друг от друга схемам.
Суммирование угловых координат каналов в оптической части дискриминатора
САС (I). Как показано в работе [10], наибольшую точность слежения могут обеспечить двухка-нальные системы при суммировании углов поворота локальных каналов в оптической части дискриминатора. В этом случае схема ОМТ может быть представлена в виде, как показано на рис.2.
СУП БК
I СП ГК грубый канал | (Эквивалентный СП)
I
___*.„_
I *
пг
ГК
ж
ПрГ
ЖосГ^
I СП ОП - точный канал
1____1
"Г"
I *
I I
ПГ /;сдс
ТК
ПрГ
I I
11р1 , - э I-----, ИО! * Э 1
ост ^-'Чх^---!- -!____.! - ■ |
________________| I
Рис. 1. Обобщенная эквивалентная структура САС
к
Виртуаяья! Ш неподвижный БК
ЧЖ
Рис. 2. Схема ОМТ при наличии дискриминаторов ГК и ТКи суммировании угловых
параметров в оптической части САС
Суть данной схемы ОМТ заключается в том, что статоры каждого из локальных двигателей приводов размещаются на условно неподвижном корпусе БК, а угловое направление ВО САС ФвО.САС в пространстве определяется суммой углов поворота ВО ПГ ТК и ПГ ГК, изменяемых этими локальными двигателями:
фВО.САС —фВОГ + фЮТ
(1)
Отличие угла относительного поворота визирной оси (ВО) ФвОТ от угла относительного поворота инерционных нагрузок обоих приводов фПрТ определяется передаточными характеристиками (операторами передачи) ОМТ. В качестве упрощения в дальнейшем будем заменять фактический оператор передачи ОМТ на аддитивное воздействие стационарной «помехи» каждого из каналов фЮ (в точном канале) и фЮ (в грубом канале).
354
Эквивалентная структурная схема двухканальной САС для данного случая принимает вид, как показано на рис. 3а, соответствующий ей ориентированный сигнальный граф - на рис.
3, б.
<Рц
Xg^-H I
ПГ егп Привод
гк ГК
1 к>
иХ
I
IV,
-1
Vdot
'■Г>1У' i А' .
т
/сАС ПГ ТК Ч АС Привод ТК liS
-Г 1
I_______-I
Рис. 3. Эквивалентная структурная схема двухканальной САС при суммировании углов
поворота каналов в оптической части
Ошибка сопровождения £САС при учитываемых в данном случае воздействиях прини-
мает вид:
£САС —
■[фц -Фю]
Т
-Фю.
(2)
Можно сделать вывод, что возмущающие воздействия, приложенные к грубому каналу САС, дополнительно ослабляются за счет замкнутого контура точного канала, охватывающего эти воздействия, а воздействия, приложенные к точному каналу, таких ослабляющих их действия контуров в исходной структуре не имеют. Входное воздействие фЦ отрабатывается обоими замкнутыми контурами, что и соответствует принципу двухканальности.
Суммирование угловых координат каналов в механической части подвеса приводов САС (II)
В рассмотренном выше способе суммирования углов поворота локальных каналов не учитываются связи по механическим воздействиям, которые неизбежно возникают при расположении конструкции привода изменения углового положения ВО канала ОП на конструкции подвижного основания, т.е. в данном случае на корпусе БК. Поэтому имеет смысл рассмотреть альтернативный способ суммирования углов поворота локальных каналов, а именно, суммирование в механической части приводов эквивалентной структуры САС.
В работе [10] показаны два принципа суммирования в механической части приводов: по схеме с общей нагрузкой и по схеме с разделенной нагрузкой. В данном случае рассмотрим суммирования угловых координат в механической части приводов по принципу с разделенной нагрузкой при наличии двух ПГ, как показано на схеме ОМТ, представленной на рис. 4.
Суть данной схемы заключается в том, оптические части дискриминаторов грубого и точного каналов работают автономно друг от друга.
Эквивалентная структурная схема двухканальной САС для данного случая принимает вид, как показано на рис. 5а, соответствующий ей ориентированный сигнальный граф - на рис. 5 б., где И^св - передаточная функция канала механической связи между каналами.
В соответствии с работой [10] появление ПФ И^св канала связи обусловлено наличием в локальных приводах собственных внутренних контуров (например, демпфирующих контуров или контура взаимодействия по трению, или наличия упругостей в механической подвесе привода и т.д.).
Естественно, к контурам, формирующим динамические звенья с ПФ И^св могут относиться только те контура, хотя бы часть которых расположена в энергетическом страте локальных каналов.
Полная ошибка сопровождения при учитываемых воздействиях принимает вид:
£сас = (1+^г)1(1+^т){[1 + ^г(1-^св)]фц + ^г^свфю} -
1 т (3) 1+^т фю,
что свидетельствует об усилении влияния воздействия фЮ на ошибку сопровождения.
355
Эти результаты были подтверждены при проведении сравнительных имитационных экспериментов с помощью соответствующих математических моделей. Результаты таких экспериментов (эпюры £сас), проведенные в условиях одних и тех же внешних воздействий, показаны на рис. 6:
рис. 6, а - имитация с угловым контуром привода ОП и контуром СУП БК, обеспечивающим поступательное движение;
рис. 6, б - имитация с эквивалентным грубым контуром и суммированием угловых координат каналов в оптической части дискриминатора САС (I)
рис. 6, в - имитация с эквивалентным грубым контуром и суммированием угловых координат каналов в механической части механизмов подвеса приводов САС (II)
.......
4 Ч <РаУ / II е
■г У ,' ! У / ) ——■—■—---/—'
Цель
Рис. 4. Схема ОМТпри наличии дискриминаторов ГК и ТК и суммировании углов поворота каналов в механической части приводов САС
<Рц
I
ИГ Привод
ГК ГК
<р1¥
1УГ
-1
-1 *
)
УЪослс
№ "сп
Лас пг ] ]ривод Кг
Г ТК ТК ( *
1 1
В
Рис. 5. Эквивалентная структурная схема двухканальной САС при наличии пеленгаторов ГК и ТК и суммировании
Имитационные эксперименты подтверждают, что использование эквивалентной двух-канальной структуры и суммированием угловых координат каналов в механической части механизмов подвеса приводов САС (II) позволяют получать результат, более приближенные к результатам, полученным на математической модели реальной САС с совокупностью каналов поступательного и углового движений.
а б в
Рис. 6. Результаты имитационных экспериментов (эпюры £САС),
Заключение.
1. Показан метод построения эквивалентной структуры управления двухканальной САС с угловыми выходными параметрами локальных каналов для исследования рациональных структурных решений двухканальной САС, состоящей из каналов поступательного и углового движений.
2. Продемонстрирована методика идентификации различных структур эквивалентного канала САС с угловыми движениями по отношению к исходной структуре управления поступательным движением АН.
Список литературы
1. Мельников С.В. Повышение точности позиционирования беспилотных летательных аппаратов в условиях искажения или подавления навигационного поля GPS/ГЛОНАСС, диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2020. 209 с.
2. Шеваль В.В., Рожнин Н.Б. Формирование структуры бортовой системы сопровождения при плоском представлении полета. // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 4. С. 39-45.
3. Шеваль В.В., Рожнин Н.Б. Исследование точности двухканальной системы автоматического сопровождения авиационного мобильного робота. М. Полет, № 4, 2020. С. 3542.
4. Gong X., Hou Z.-C., Zhao C.-J. and etc. Adaptive Backstepping Mode Trajectory Tracking Control for a Quad-rotor // International Journal of Automation and Computing. 2012. Vol. 9. No. 5. P.555-560.
5. Красовский А.Н., Суслова О.А. Об оптимальном управлении движением дрона-квадрокоптера по критерию качества затрат энергии // Уральский технический институт связи и информации. Успехи современной науки и образования, 2017. Том 4. № 3. С. 193-197.
6. Chettibi T., Haddad M. Dynamic modelling of a quadrotoraerial robot // Journees D'etudes Nationales de Mecanique. Batna, Algerie, 2007. P. 22-27.
7. Емельянова О.В., Попов Н.И., Яцун С.Ф. Моделирование движения квадроротаци-онного летающего робота // Актуальные вопросы науки. Материалы VIII Международной научно-практической конференции - М.: Спутник+, 2013. С.6-8.
8. Гурьянов А.Е. Моделирование управления квадрокоптером // Молодежный научно-технический вестник. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. С. 522-534.
9. Осмоловский П. Ф. Итерационные многоканальные системы автоматического управления. М.: Сов. радио, 1969. 256 с.
10. Шеваль В.В., Огольцов И.И., Терсков В.Г. Методы комплексирования объединений следящих приводов бортовых авиационных комплексов, учебное пособие, издательство БИБЛИО-ГЛОБУС, 2016. 319 с.
Кимяев Александр Игоревич, аспирант, [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национального исследовательского университета),
Шеваль Валерий Владимирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (Национального исследовательского университета)
COMPARATIVE STUDY OF ALTERNATIVE OPTIONS METHOD FOR THE STRUCTURE OF THE
ON-BOARD AUTO-TRACKING SYSTEM
A method for comparative structural studies of a two-channel airborne auto tracking system is proposed. Method combines translational movements in a coarse control channel and angular movements in a precise channel by introducing an equivalent two-channel auto tracking system with angular movements in both channels into consideration. The ways of carrying out the identification using the various structures mathematical simulation technology of the equivalent auto tracking system with angular movements in the coarse channel with respect to the original translational motion control structure in the same channel are shown. As a result of mathematical modeling, an coarse channel equivalent structure was revealed, which coincides to the greatest extent with the original channel of translational motion.
Key words: auto tracking, UAV, two channel move control systems, structure analysis.
Kimyaev Aleksandr, postgraduate, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Sheval Valery Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior researcher, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 533.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-358-363
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА ПРИ ВЫВОДЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЫ НА РАБОЧИЕ РЕЖИМЫ
Е.В. Морозова
Рассматривается автоматизированная программа, позволяющая проводить синтез квазиоптимального по быстродействию управления давлением газа в форкамере и моделировать течения газа по тракту аэродинамической трубы (АТ) с нерегулируемым и регулируемым диффузором при выводе ее на рабочие режимы по числу Маха, с визуализацией результатов работы.
Ключевые слова: аэродинамическая труба, моделирование течения газа, форкамера, диффузор, эжектор, квазиоптимальное по быстродействию управление.
Повышение эффективности наземной отработки современных управляемых комплексов во многом связано с совершенствованием систем управления технологическими процессами в испытательных установках. На сегодняшний день основным и одним из наиболее удобных и эффективных средств наземной отработки летательных аппаратов (ЛА) и их элементов являются аэродинамические трубы (АТ), при использовании которых удается значительно сократить сроки разработки новых образцов ЛА, добиться оптимизации их аэродинамических характеристик и существенно уменьшить риск натурных испытаний. Эксперименты в АТ являются наиболее информативными для разработчиков ЛА на стадиях проектирования и доводки изделий.
Особое место среди АТ занимают сверхзвуковые эжекторные трубы кратковременного действия. Значительный объем исследований в большинстве из таких труб составляют испытания, требующие формирования в рабочей части установившегося сверхзвукового потока газа с расчетным числом Маха (рабочий режим).
Вывод на рабочий режим сопровождается непроизводительными потерями рабочего тела. Доля этих непроизводительных затрат особенно заметна для труб кратковременного действия. При традиционном процессе запуска АТ с нерегулируемым основным соплом потери рабочего тела в основном обусловлены образованием так называемых скачков "запуска", интенсивность волновых потерь (потерь полного давления) на которых возрастает по мере увеличения заданного расчетного сверхзвукового числа Маха. Следствием же последнего является, с одной стороны, необходимость увеличения давления торможения в форкамере при заданном
