ISSN 2658-6525 (Online)
ISSN 2658-4123 (Print)
Основан в 1990 году
Реестровая запись
ПИ № ФС 77-74640
от 24 декабря 2018 г.

Вы здесь: Главная Архив статей (2014-2016) 2025 №4 Список статей 06 Белов М. И., Андреев С. А., Шабаев Е. А., Кабдин Н. Е., Белов Д. В. Компьютерное моделирование автоматического управления сельскохозяйственным малым беспилотным летательным аппаратом с переменной массой

PDF Скачать статью в pdf.

DOI: 10.15507/2658-4123.035.202504.700-722

EDN: https://elibrary.ru/ncdqqo

УДК 004.9:623.746

 

Компьютерное моделирование автоматического управления сельскохозяйственным малым беспилотным летательным аппаратом с переменной массой

 

Белов Михаил Иванович
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика И. Ф. Бородина Института механики и энергетики Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9907-8825, Researcher ID: T-5622-2018, Scopus ID: 57212563127, SPIN-код: 4508-0008, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Андреев Сергей Андреевич
доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика И. Ф. Бородина Института механики и энергетики Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8608-9904, Scopus ID: 57212200432, SPIN-код: 8453-6024, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Шабаев Евгений Адимович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика И. Ф. Бородина Института механики и энергетики Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2675-0670, Researcher ID: LPQ-6601-2024, Scopus ID: 57222152508, SPIN-код: 8703-7961, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Кабдин Николай Егорович
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика И. Ф. Бородина Института механики и энергетики Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4104-4187, Scopus ID: 57224401953, SPIN-код: 7014-5110, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Белов Дмитрий Владимирович
ассистент кафедры автоматизации и роботизации технологических процессов имени академика И. Ф. Бородина Института механики и энергетики Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К. А. Тимирязева (127434, Российская Федерация, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49), ORCID: https://orcid.org/0009-0005-8015-2067, SPIN-код: 6722-9029, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Аннотация
Введение. Малые беспилотные летательные аппараты эффективно используются в сельском хозяйстве для обработки полей, но из-за большой дальности полета ручное управление с земли рулем высоты и тягой двигателя не позволяет поддерживать требуемые скорость и высоту над полем с необходимой точностью для обеспечения его равномерной обработки. Целесообразно управление рулем высоты и тягой двигателя осуществлять в автоматическом режиме. Переменная в полете масса летательного аппарата и неоднородный рельеф поля до настоящего времени не учитывались в достаточной мере в исследованиях по стабилизации высоты полета и его устойчивости.
Цель исследования. Оценить влияние изменения массы малого беспилотного летательного аппарата на высоту полета и скорость центра масс при их стабилизации в режиме автоматического управления рулем высоты и тягой двигателя.
Материалы и методы. Объект исследования – малый беспилотный летательный аппарат. При компьютерном моделировании автоматического управления рулем высоты и тягой двигателя летательного аппарата для стабилизации высоты полета использованы методы дифференциальных уравнений, теоретической механики, автоматического управления, программирования в среде Lazarus, численные методы. Наряду с указанными методами, используемыми в статье, также были применены методы визуального моделирования, реализованные в среде Scilab XCOS. Данные методы позволили дать оценку адекватности компьютерной модели.
Результаты исследования. Разработаны компьютерные модели программного и траекторного управления полетом малых беспилотных летательных аппаратов на заданной высоте с заданной скоростью. Программное управление рулем высоты и тягой двигателя, определенное из решения дифференциальных уравнений продольного полета малого беспилотного летательного аппарата при заданном траекторном угле и скорости, позволило точно стабилизировать высоту и скорость. Траекторное управление рулем высоты и тягой двигателя по показаниям датчиков высоты, угла тангажа, угловой скорости и скорости позволило «отслеживать» заданный рельеф поля и стабилизировать высоту и скорость полета с достаточной точностью. Установлено, что на участках полета с уменьшением полетной массы высота, скорость полета и траекторный угол стабилизируются, а угол тангажа уменьшается вместе с массой, при большой заданной скорости полета над полем с отрицательным углом наклона (на спусках) угол тангажа становится отрицательным (некомфортным), возможна потеря управления.
Обсуждение и заключение. Уменьшение полетной массы беспилотного летательного аппарата необходимо учитывать при их использовании в сельском хозяйстве для обработки полей. Проведенные исследования программного и траекторного управления для стабилизации высоты полета позволили установить связь между изменением массы и такими управляемыми параметрами, как угол тангажа и скорость центра масс летательного аппарата. Программное управление обеспечивает стабилизацию высоты полета при любом профиле поля, но его точность связана с точностью математической модели и без обратной связи с реальными данными полета не позволяет оценить истинную точность расчетов текущей высоты полета и скорости летательного аппарата. Траекторное управление с пропорционально-интегральным регулятором позволяет учитывать обратные связи. Как показали расчеты, такое управление полетом над полем с уклоном вниз может привести к потере устойчивости и падению летательного аппарата. Поле с неоднородным рельефом содержит участки, на которых уровень понижается. Они служат источником некомфортного полета и потери устойчивости.

Ключевые слова: малый беспилотный летательный аппарат (МБЛА), траекторное управление МБЛА, полет МБЛА с переменной массой, компьютерная модель

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Белов М.И., Андреев С.А., Шабаев Е.А., Кабдин Н.Е., Белов Д.В. Компьютерное моделирование автоматического управления сельскохозяйственным малым беспилотным летательным аппаратом с переменной массой. Инженерные технологии и системы. 2025;35(4):700–722. https://doi.org/10.15507/2658- 4123.035.202504.700-722

Вклад авторов:
М. И. Белов – формулирование идеи исследования, целей и задач; проектирование методологии исследования; создание математических и компьютерных моделей программного и траекторного управления; разработка алгоритмов и программ решения уравнений; создание и подготовка рукописи: критический анализ черновика рукописи, внесение замечаний и исправлений членами исследовательской группы, в том числе на этапах до и после публикации.
С. А. Андреев – формулирование идеи исследования, целей и задач; разработка модели траекторного управления; создание и подготовка рукописи: визуализация результатов исследования и полученных данных.
Е. А. Шабаев – анализ существующих систем управления малыми беспилотными летательными аппаратами; разработка модели траекторного управления.
Н. Е. Кабдин – разработка модели программного управления; создание и подготовка рукописи: визуализация результатов исследования и полученных данных.
Д. В. Белов – компьютерное моделирование в среде Scilab XCOS.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 10.03.2025;
поступила после рецензирования 02.09.2025;
принята к публикации 18.09.2025

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Ударцева О.В. Исследование различных технологий внесения пестицидов, используемых на территории алтайского края. Фундаментальные исследования. 2011;(8):185–187. URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=26809 (дата обращения: 09.08.2025).
  2. Салаев Б.К., Серёгин А.А., Эвиев В.А., Мучаев А.Б., Глечикова Н.А., Юдаев И.В. Анализ применения беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве. Вестник аграрной науки Дона. 2022;15(4):29–44. https://doi.org/10.55618/20756704_2022_15_4_29-44
  3. Курченко Н.Ю., Даус Ю.В., Туфляк Е.В., Ильченко Я.А. Параметры применения беспилотных летательных аппаратов при обработке средствами защиты растений сельскохозяйственных культур. Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2023;(1):527–536. URL: https://clck.ru/3QH2Bd (дата обращения: 09.08.2025).
  4. Кузнецов А.Г. Автоматизация процесса посадки малогабаритного беспилотного летательного аппарата в особых ситуациях. Труды МАИ. 2011;(45):25425. URL: https://trudymai.ru/published.php/published.php?ID=25425 (дата обращения: 09.08.2025).
  5. Архипов А.В., Тимошенков С.П. Применение адаптивных регуляторов в системах управления беспилотными летательными аппаратами. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2022;27(5):652–663. https://elibrary.ru/wdjbyi
  6. Ахрамович С.А., Баринов А.В., Малышев В.В., Старков А.В. Синтез системы управления беспилотного летательного аппарата по высоте методом бэкстеппинга. Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018;17(2):7–22. https://doi.org/10.18287/2541-7533-2018-17-2-7-22
  7. Усачов В.Е., Таргамадзе Р.Ч. Принципы и алгоритмы формирования системы математических моделей целевой миссии беспилотного ЛА. Труды МАИ. 2011;(49):28282. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=28282 (дата обращения: 29.01.2025).
  8. Карпунин А.А., Титков И.П. Упрощение и линеаризация математической модели движения беспилотных летательных аппаратов в пространстве и в вертикальной плоскости. Современные наукоемкие технологии. 2019;(2):69–77. URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37411 (дата обращения: 29.01.2025).
  9. Потудинский А.В. Адаптивная конфигурация контроллера нечеткой логики динамики полета беспилотного летательного аппарата. Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2023;11(4):1466. https://doi.org/10.26102/2310-6018/2023.43.4.021
  10. Anderson E.P., Beard R.W., McLain T.W. Real-Time Dynamic Trajectory Smoothing for Unmanned Air Vehicles. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2005;13(3):471–477. https://doi.org/10.1109/TCST.2004.839555
  11. Rauf M.N., Khan R.A., Ali Shah S.I., Naqvi M.A. Design and Analysis of Stability and Control for a Small Unmanned Aerial Vehicle. International Journal of Dynamics and Control. 2024;12:1801–1816. https://doi.org/10.1007/s40435-023-01322-2
  12. Фам С.Ч., Суркова А.Д., Селезнева М.С. Исследование системы маршрутной коррекции бортовой навигационной системы беспилотного летательного аппарата по радиолокационным изображениям местности. Автоматизация. Современные технологии. 2020;74(3):129–134. https://doi.org/10.36652/0869-4931-2020-74-3-129-134
  13. Лобатый А.А., Бумай А.Ю., Авсиевич А.М. Формирование траектории беспилотного летательного аппарата при облете запретных зон. Системный анализ и прикладная информатика. 2021;(4):47–53. https://doi.org/10.21122/2309-4923-2021-4-47-53
  14. Белов Н.В., Репинский В.Н. Моделирование полета беспилотного летательного аппарата в Matlab Simulink. T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2023;17(6):37–47. https://doi.org/10.36724/2072-8735-2023-17-6-37-47
  15. Velasco J., Garcia-Nieto S., Simarro R., Sanchis J. Control Strategies for Unmanned Aerial Vehicles under Parametric Uncertainty and Disturbances: A Comparative Study. IFAC-PapersOnLine. 2015;48(9):1–6. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.08.050
  16. Trung V.A., Hong S.T., Dinh-dung N., Truong-thanh N., Trong-son P., Hong T.N. An Investigation of the Control Quality of the Automatic Control System for Fixed-wing UAVs During Landing Process. International Journal of Aviation Science and Technology. 2022;3(2):61–69. https://doi.org/10.23890/IJAST.vm03is02.0201
  17. Admas Y.A., Mitiku H.M., Salau A.O., Omeje C.O., Braide S.L. Control of a Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicle Using a Higher-Order Sliding Mode Controller and Non-Linear PID Controller. Scientific Reports. 2024;14(1):23139. URL: https://d-nb.info/1351765469/34 (дата обращения: 02.02.2025).
  18. Rominiyi O.L., Salau A.O., Adaramola B.A., Ogunlade M.A., Olanibi T.O., Akintoye F.A. Development of a Precision Agricultural Based Unmanned Aerial Vehicle for Pest Control. In: International Conference on Cyber Management and Engineering (CyMaEn). 2023. P. 439. https://doi.org/10.1109/CyMaEn57228.2023.10051014

 

 

Лицензия Creative Commons
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Подробности
Просмотров: 3