cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2024-27-1-61-71caht-2299Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGНатурный стенд для отработки системы управления винтомоторной силовой установкой конвертируемого летательного аппаратаFull-scale simulator to test a control system of an engine-propeller powerplant of a convertible aerial vehicleВерещиковД. В.VereshchikovD. V.

Верещиков Дмитрий Викторович - кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов.

Воронеж

Dmitry V. Vereshchikov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Aviation Complexes and Aircraft Design Chair, Military Educational and Scientific Centre of Air Forces “N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin Academy of Air Forces”.

Voronezh

vdvikt@mail.ruМакаровИ. К.MakarovI. K.

Макаров Илья Константинович - кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов.

Воронеж

Ilya K. Makarov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Aviation Complexes and Aircraft Design Chair, Military Educational and Scientific Center of Air Forces “N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin Academy of Air Forces “.

Voronezh

mak-11@yandex.ruМоисееваИ. С.MoiseevaI. S.

Моисеева Ирина Станиславовна - кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов.

Воронеж

Irina S. Moiseeva - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Aviation Complexes and Aircraft Design Chair, Military Educational and Scientific Center of Air Forces “N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin Academy of Air Forces”.

Voronezh

irina_moiseeva@mail.ruБаранцевС. М.BarantsevS. M.

Баранцев Сергей Михайлович - кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов.

Воронеж

Sergey M. Barantsev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Aviation Complexes and Aircraft Design Chair, Military Training and Scientific Center of Air Forces “N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin Academy of Air Forces”.

Voronezh

bars4558@mail.ruВоенный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»РоссияMilitary Educational and Scientific Center of Air Forces “N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin Academy of Air Forces”Russian Federation2024290220242716171Copyright © Верещиков Д.В., Макаров И.К., Моисеева И.С., Баранцев С.М., 20242024Верещиков Д.В., Макаров И.К., Моисеева И.С., Баранцев С.М.Vereshchikov D.V., Makarov I.K., Moiseeva I.S., Barantsev S.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2299

В статье изложены результаты работ в области создания натурного стенда для исследований в области определения структуры и параметров системы управления беспилотными летательными аппаратами коптерного типа с силовой установкой, имеющей в своем составе электродвигатели с винтами фиксированного шага. Представлены особенности конструктивной реализации стенда с учетом перспектив его развития в части количества степеней свободы (каналов тангажа, крена и рыскания). Описан реализованный принцип интеграции Simulink – модели объекта управления, контроллера на базе платформы Arduino, гироскопа-акселерометра для организации обратных связей в интересах формирования алгоритмов автоматического и позиционного (ручного) управления углом тангажа, ручного управления оборотами электродвигателя. Представлен анализ результатов натурного моделирования в части качества переходных процессов и затрат электроэнергии для различных вариантов настройки PID-регулятора, обеспечивающего формирование сигнала оборотов электродвигателя. Сделан вывод о целесообразности создания и использования экспериментальной базы для обоснования применения адаптивных алгоритмов управления беспилотными летательными аппаратами коптерного типа с элементами искусственного интеллекта в интересах обеспечения требуемых пилотажных характеристик в широком диапазоне свойств объектов управления.

The article presents the results of work involved with developing a full-scale simulator for research into determining the structure and parameters of the control system for unmanned aerial copter-type vehicles with a powerplant comprising electric motors with fixed-pitch propellers. The features of the engineering implementation of the simulator, taking into account the prospects for its development in terms of greater maneuverability (pitch, roll and yaw), are presented. The implemented principle of the Simulink integration – a model of the control object, a controller based on the Arduino platform, a gyroscope-accelerometer to organize feedbacks for the purpose of forming algorithms of the automatic and positional (manual) pitch angle control, manual motor revs control is described. The analysis of the full-scale simulation results in terms of the quality of transients and power costs for various settings of the PID-regulator, which provides generating a signal of electric motor revolutions, is presented. It is concluded that it is feasible to create and use an experimental base to justify the use of adaptive control algorithms for unmanned aerial copter-type vehicles with elements of artificial intelligence to ensure the required flying characteristics in a wide range of properties of control objects.

летательный аппарат коптерного типавинт фиксированного шагауправлениемикроконтроллермоделированиеPID-регуляторaerial copter-type vehiclefixed-pitch propellercontrolmicrocontrollermodellingPID-regulatorReferencesВерещиков Д.В., Николаев С.В., Разуваев Д.В. Системы управления летательных аппаратов: учебник. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2018. 322 с.Vereshchikov, D.V., Nikolayev, S.V., Razuvayev, D.V. (2018). Aircraft control systems: Textbook. Voronezh: VUNTS VVS “VVA”, 322 p. (in Russian)Мышкин Л.В. Прогнозирование развития авиационной техники: теория и практика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 304 с.Myshkin, L.V. (2006). Forecasting the development of aviation technics: the theory and practice. Moscow: FIZMATLIT, 304 p. (in Russian)Robinson T. Train virtual, fight easy [Электронный ресурс] // Royal aeronautical society. 2017. No. 6 (44). Pp. 16–19. URL: https://www.aerosociety.com/news/train-virtual-fight-easy (дата обращения: 18.06.2023).Robinson, T. (2017). Train virtual, fight easy. Royal aeronautical society, no. 6 (44), pp. 16–19. Available at: https://www.aerosociety.com/news/train-virtual-fight-easy (accessed: 18.06.2023).Heinemann S., Müller H.A., Suleman A. Toward smarter autoflight control system infrastructure [Электронный ресурс] // Journal of Aerospace Information Systems. 2018. Vol. 15, no. 6. Pp. 353–365. DOI: 10.2514/1.I010565 (дата обращения: 18.06.2023).Heinemann, S., Müller, H.A., Suleman, A. (2018). Toward smarter autoflight control system infrastructure. Journal of Aerospace Information Systems, vol. 15, no. 6, pp. 353–365. DOI: 10.2514/1.I010565 (accessed: 18.06.2023).Бизин Г.А., Тихонов В.Н., Торопов В.А. Определение характеристик устойчивости и управляемости самолетов в летных испытаниях: монография. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2013. 410 с.Bizin, G.A., Tikhonov, V.N., Toropov, V.A. (2013). Defining characteristics of stability and controllability of airplanes in flight trials: Monograph. Volgograd: Izdatelstvo VolGU, 410 p. (in Russian)Ефремов А.В., Захарченко В.Ф., Овчаренко В.Н. и др. Динамика полета: учебник для вузов / Под ред. Г.С. Бюшгенса. М.: Машиностроение, 2011. 776 с.Efremov, A.V., Zakharchenko, V.F., Ovcharenko, V.N. et al. (2011). Flight dynamics: textbook for universities, in Byuschgens G.S. (Ed.). Moscow: Mashinostroyeniye, 776 p. (in Russian)Левицкий С.В., Свиридов Н.А. Динамика полета: учебник для вузов / Под ред. С.В. Левицкого. М.: Изд-во ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. 526 с.Levitsky, S.V., Sviridov, N.A. (2008). Flight dynamics: a textbook for technical universities, in Levitsky S.V. (Ed.). Moscow: Izdatelstvo VVIA im. N.Ye. Zhukovskogo, 526 p. (in Russian)Верещагин Ю.О. Применение полунатурного моделирования для исследования пилотажных характеристик самолетов на кафедре авиационных комплексов и конструкции летательных аппаратов / Ю.О. Верещагин, П.С. Костин, Т.А. Подкуйко, Д.В. Верещиков // Вестник ВГТУ. 2011. Т. 7, № 11-2. С. 12–14.Vereshchagin, Y.O., Kostin, P.S., Podkuiko, T.A., Vereschikov, D.V. (2011). Application of seminatural modelling for research of flight characteristics of planes on chair of aviation complexes and a design of flying machines. Vestnik VGTU, vol. 7, no. 11-2, pp. 12–14. (in Russian)Костин П.С., Верещагин Ю.О., Волошин В.А. Программно-моделирующий комплекс для полунатурного моделирования динамики маневренного самолета [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2015. № 81. 30 с. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=57735 (дата обращения: 18.06.2023).Kostin, P.S., Vereshchagin, Y.O., Voloshin, V.A. (2015). Programmno-modelling complex for seminatural modeling of dynamics of the maneuverable plane. Trudy MAI, no. 81, 30 p. Available at: http://trudymai.ru/published.php?ID=57735 (accessed: 18.06.2023). (in Russian)Бейлин В.П., Нараленков М.К. Пространственная модель полета самолета при ручном автоматизированном управлении // Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2015. № 3. С. 85–89.Beylin, V.P., Naralenkov, M.K. (2015). A spatial model of aircraft flight in manual automated control. Nauchnyye chteniya po aviatsii, posvyashchennyye pamyati N.Ye. Zhukovskogo, no. 3, pp. 85–89. (in Russian)Журавский К.А., Филатов В.К. Создание модели динамики продольного движения самолета в программно-моделирующем комплексе Matlab@Simulink // Гагаринские чтения – 2020: сборник тезисов докладов XLVI Международной молодежной научной конференции, Москва, 14–17 апреля 2020 г. М.: МАИ, 2020. С. 117.Zhuravsky, K.A., Filatov, V.K. (2020). Creation of a model of the aircraft's longitudinal motion in the Matlab@Simulink simulation complex. In: Gagarinskiye chteniya – 2020: sbornik tezisov dokladov XLVI Mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii. Moscow: MAI, p. 117. (in Russian)Верещиков Д.В., Разуваев Д.В., Костин П.С. Прикладная информатика: Применение Matlab@Simulink для решения практических задач: учеб. пособие. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016. 104 с.Vereshchikov, D.V., Razuvaev, D.V., Kostin, P.S. (2016). Applied computer science: Application Matlab@Simulink for the decision of practical problems: Tutorial. Voronezh: VUNTS VVS “VVA”, 104 p. (in Russian)Ефремов А.В. Система самолет – летчик. Закономерности и математическое моделирование поведения летчика: монография. М.: Изд-во МАИ, 2017. 196 с.Efremov, A.V. (2017). Plane – pilot system. Regularities and mathematical simulation of the pilot behavior: Monograph. Moscow: Izdatelstvo MAI, 196 p. (in Russian)Efremov A.V. Pilot behavior modeling and its application to manual control tasks / A.V. Efremov, M.S. Tjaglik, U.V. Tiumentzev, T. Wenqian [Электронный ресурс] // IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49, no. 32. Pp. 159–164. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.12.207 (дата обращения: 18.06.2023).Efremov, A.V., Tjaglik, M.S., Tiumentzev, U.V., Wenqian, T. (2016). Pilot behavior modeling and its application to manual control tasks. IFAC-PapersOnLine, vol. 49, no. 32, pp. 159–164. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.12.207 (accessed: 18.06.2023).Штовба С.Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. М.: Горячая линия – Телеком, 2007. 288 с.Shtovba, S.D. (2007). Designing fuzzy systems using MATLAB. Moscow: Goryachaya liniya – Telekom, 288 p. (in Russian)Grigorie L. Fuzzy controllers, theory and applications. IntechOpen, 2011. 384 p. DOI: 10.5772/572Grigorie, L. (2011). Fuzzy controllers, theory and applications. IntechOpen, 384 p. DOI: 10.5772/572Nicholas D. Genetic fuzzy trees for intelligent control of unmanned combat aerial vehicles: Doctoral Thesis. College of Engineering and Applied Science University of Cincinnati, 2015. 152 p.Nicholas, D. (2015). Genetic fuzzy trees for intelligent control of unmanned combat aerial vehicles: Doctoral Thesis. College of Engineering and Applied Science University of Cincinnati, 152 p.Аникин В.А. Синтез алгоритмов электродистанционной системы управления перспективного скоростного вертолета / В.А. Аникин, О.В. Анимица, В.М. Кувшинов, В.А. Леонтьев // Ученые записки ЦАГИ. 2015. Т. 46, № 3. С. 49–69.Anikin, V.A., Animitsa, O.V., Kuvshinov, V.M., Leontiev, V.A. (2015). Synthesis of algorithms of an electronic remote control system of the perspective high-speed helicopter. Uchenye Zapiski TsAGI, vol. 46, no. 3, pp. 49–69. (in Russian)Кувшинов В.М. Синтез астатических алгоритмов продольного канала электродистанционной системы управления перспективного скоростного вертолета // Ученые записки ЦАГИ. 2016. Т. 47, № 1. С. 69–83.Kuvshinov, V.M. (2016). Jugs of astatic algorithms of the longitudinal channel of an electronic remote control system of the perspective high-speed helicopter. Uchenye Zapiski TsAGI, vol. 47, no. 1, pp. 69–83. (in Russian)Кувшинов В.М. Синтез астатических алгоритмов бокового канала электродистанционной системы управления перспективного скоростного вертолета // Ученые записки ЦАГИ. 2016. Т. 47, № 8. С. 61–87.Kuvshinov, V.M. (2016). Jugs of astatic algorithms of the lateral channel of an electronic remote control system of the perspective high-speed helicopter. Uchenye Zapiski TsAGI, vol. 47, no. 8, pp. 61–87. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.