Проектирование квадрокоптера на базе интегрированной модельной среды

Михаил Владимирович Чугунов; Ирина Николаевна Полунина; Михаил Андреевич Попков

Михаил Владимирович Чугунов ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0001-5318-5684
Ирина Николаевна Полунина ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0001-5318-5684
Михаил Андреевич Попков ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0001-7422-9076

Ключевые слова: квадрокоптер, интегрированная модельная среда, виртуальная модель, натурная модель, двунаправленная ассоциативная связь, система автоматизированного проектирования, COM-технология, API-программирование

Аннотация

Введение. В статье представлен междисциплинарный подход к проектированию летающего робота (квадрокоптера), основанный на использовании интегрированной модельной среды. Процесс проектирования реализуется как создание моделей разного типа: натурной и виртуальной.
Материалы и методы. Под виртуальной моделью понимается совокупность математических, алгоритмических, программных и 3D-моделей, обеспечивающих ее функционирование в виртуальной среде. Проектное решение представляет собой комплект конструкторско-технологической документации, включающей в себя интегрированную модель проектируемого объекта, компоненты которой связаны друг с другом. Натурная часть интегрированной модельной среды включает в себя следующие компоненты: несущую силовую систему; корпусные детали; электромеханические и электронные системы управления, навигации, телеметрии и сенсорики. Для несущих систем и корпусных деталей используются полиамидные бионические конструкции, приобретенные и напечатанные на 3D-принтере; базовым элементом электронной системы является полетный контроллер ArduPilot (ArduCopter). Виртуальная среда моделирования формируется на базе CAD/CAE/CAM/PDM/PLM SolidWorks (Motion, Simulation). Основными инструментами, используемыми для создания связей между моделями разного типа и уровня, являются COM-технология, API CAD/CAE/CAM/PDM/PLM-системы, MS Visual Studio C++, позволяющие разработать единый интерфейс для управления полетом и планирования траектории как в реальной, так и в виртуальной среде.
Результаты исследования. Разработана интегрированная (натурная и виртуальная) модельная среда для квадрокоптера. На данной основе получено проектное решение в виде реального объекта и его виртуальной модели. Состояние и поведение этих объектов контролируется и управляется программным обеспечением, имеющим доступ как к реальному объекту, так и к его 3D-модели. Полученный результат можно рассматривать как инструмент инжиниринга для решения широкого спектра научно-технических и производственных задач: проведения дефектоскопии, диагностики аварийных ситуаций, 3D-сканирования удаленных и труднодоступных объектов.
Обсуждение и заключение. В статье показана эффективность подхода к проектированию как к процессу создания междисциплинарных моделей разного типа и уровня. При этом особую значимость приобретает проблема интеграции этих моделей в единое целое за счет формирования двунаправленных ассоциативных связей. Дальнейшего развития требуют технологические (программные) средства синхронизации состояния и поведения натурной и виртуальной моделей объекта проектирования.

Биографии авторов

Михаил Владимирович Чугунов, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва»

заведующий, кафедра конструкторско-технологической информатики, Рузаевский институт машиностроения, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» (431440, Россия, г. Рузаевка, ул. Ленина, д. 93), кандидат технических наук, доцент, ResearcherID: H-7452-2018

Ирина Николаевна Полунина, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва»

доцент, кафедра конструкторско-технологической информатики, Рузаевский институт машиностроения, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» (431440, Россия, г. Рузаевка, ул. Ленина, д. 93), кандидат педагогических наук, ResearcherID: H-7473-2018

Михаил Андреевич Попков, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва»

студент, кафедра конструкторско-технологической информатики, Рузаевский институт машиностроения, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» (431440, Россия, г. Рузаевка, ул. Ленина, д. 93), ResearcherID: F-5990-2019

Литература

1. Макаров И. М., Рахманкулов В. З., Ахрем А. А. Виртуальное моделирование и интеллектуальное управление сложными компьютерно-интегрированными системами // Информационные технологии и вычислительные системы. 2007. № 2. C. 11–24.

2. Развитие технологии интеллектуального управления для создания перспективных образцов ВВТ на базе новых средств комплексной автоматизации проектирования / И. М. Макаров [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 3. С. 7–14.

3. Чугунов М. В., Полунина И. Н. Междисциплинарное моделирование роботов с использованием систем автоматизированного проектирования // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 2. С. 181–190.

4. Orsag M., Bogdan S. Influence of forward and descent flight on quadrotor dynamics // Recent Advances in Aircraft Technology / Ed. R. Agarwal. Zagreb : InTech, 2012. Р. 141–156.

5. Гэн К., Чулин Н. А. Алгоритмы стабилизации для автоматического управления траекторным движением квадрокоптера // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2015. № 5. С. 218–235.

6. Петров В. Ф., Барунин А. А., Терентьев А. И. Модель системы автоматического управления беспилотным летательным аппаратом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. № 12-2. С. 217–225.

7. Kotarski D., Benić Z., Krznar M. Control design for unmanned aerial vehicles with four rotors // Interdisciplinary Description of Complex Systems. 2016. Vol. 14, no. 2. P. 236–245.

8. Белявский А. О., Томашевич С. И. Синтез адаптивной системы управления квадрокоптером методом пассификации // Управление большими системами. 2016. Вып. 63. С. 155–181.

9. Ермаченков Д. И., Фазли Т. Г. К., Петренко Е. О. Разработка конструкции рамы квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов // Интернет-журнал «Науковедение». 2016. Т. 8, № 6. С. 45.

10. Ермаченков Д. И., Фазли Т. К. Плата управления квадрокоптера для удаленного мониторинга объектов // Инженерный вестник. 2016. № 8. C. 12–27.

11. Гоголев А. А. Полунатурное моделирование беспилотных летательных аппаратов типа мультикоптер // Труды МАИ. 2017. № 92. С. 29.

12. Shaqura M., Shamma J. S. An automated quadcopter CAD based design and modeling platform using Solidworks API and smart dynamic assembly // Proceedings of the 14th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. 2017. Vol. 2. P. 122–131.

13. Попков М. А., Чугунов М. В. Проектирование и оптимизация несущей системы квадрокоптера // Молодой ученый. 2018. № 14 (200). С. 30–35.

14. Mellinger D., Kumar V. Minimum snap trajectory generation and control for quadrotors // 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2011. P. 2520–2525.

15. Кочкаров А. А., Агишев Р. Т. Сравнительный анализ полетов квадрокоптера вдоль траекторий различной степени гладкости // Современная наука. 2016. № 3. С. 17–22.

16. Piegl L., Tiller W. The NURBS Book. 2nd ed. Berlin ; Heidelberg : Springer–Verlag, 1997. 646 p.

17. Direct method based control system for an autonomous quadrotor / I. D. Cowling [et al.] // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2010. Vol. 60, issue 2. P. 285–316.

18. The GRASP multiple micro-UAV testbed / N. Michael [et al.] // IEEE Robotics & Automation Magazine. 2010. Vol. 17, issue 3. P. 56–65.

19. Попков М. А., Чугунов М. В. Моделирование полета квадрокоптера в среде SolidWorks Motion // Молодой ученый. 2018. № 16 (202). C. 135–138.

20. Анализ и проектирование несущих элементов конструкций подвижного состава / М. В. Чугунов [и др.] // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2014. № 9. С. 216–226.