О колебаниях подвешенного к квадрокоптеру маятника с полостью, частично заполненной жидкостью

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается динамика подвешенного к квадрокоптеру маятника со сферической полостью, частично заполненной идеальной жидкостью. Предполагается, что система движется в вертикальной плоскости. Учитывается сила лобового сопротивления, действующая на оболочку маятника. Для моделирования колебаний жидкости в полости используется феноменологическая “маятниковая” модель. Предложен алгоритм построения управления ускорением квадрокоптера, который обеспечивает переход системы на режим стационарного горизонтального полета с заданной скоростью и гашение колебаний как маятника, так и жидкости внутри него (в том числе и при наличии постоянного ветра).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. П. Голуб

МГУ

Email: seliutski@imec.msu.ru

НИИ механики 

Россия, Москва

Б. Я. Локшин

МГУ

Email: seliutski@imec.msu.ru

НИИ механики 

Россия, Москва

Ю. Д. Селюцкий

МГУ

Автор, ответственный за переписку.
Email: seliutski@imec.msu.ru

НИИ механики 

Россия, Москва

Список литературы

  1. Omar H.M., Akram R., Mukras S.M.S., Mahvouz A.A. Recent Advances and Challenges in Controlling Quadrotors with Suspended Loads // Alexandria Engineering J. 2022. V. 63. P. 253-270. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.08.001
  2. Estevez J., Garate G., Lopez-Guede J.M., Larrea M. Review of Aerial Transportation of Suspended-Cable Payloads with Quadrotors // Drones. 2024. V. 8. № 2. P. 35. https://doi.org/10.3390/drones8020035
  3. Xian B., Wang S., Yang S. An Online Trajectory Planning Approach for a Quadrotor UAV with a Slung Payload // IEEE Trans. Ind. Electron. 2019. V. 67. P. 6669–6678. https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2938493
  4. De Angelis E.L., Giulietti F., Pipeleers G. Two-Time-Scale Control of a Multirotor Aircraft for Suspended Load Transportation // Aerosp. Sci. Technol. 2019. V. 84. P. 193–203. https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.10.012
  5. Sun L., Wang K., Mishamandani A.H.A., Zhao G., Huang H., Zhao X., Zhang B. A Novel Tension-Based Controller Design for the Quadrotor-Load System // Control Eng. Pract. 2021. V. 112. P. 104818.
  6. Baraean A., Hamanah W.M., Bawazir A., Quama M.M., El-Ferik S., Baraean S., Abido A.M. Optimal Nonlinear Backstepping Controller Design of a Quadrotor-Slung Load System Using Particle Swarm Optimization // Alexandria Engineering J. 2023. V. 68. P. 551–560. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.01.050
  7. Kong L., Reis J., He W., Yu X., Silvestre C. On Dynamic Performance Control for a Quadrotor-Slung-Load System with Unknown Load Mass // Automatica. 2024. V. 162. P. 111516. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2024.111516
  8. Goodarzi F.A., Lee D., Lee T. Geometric Control of a Quadrotor UAV Transporting a Payload Connected via Flexible Cable // Int. J. Control. Autom. Syst. 2015. V. 13. P. 1486–1498. https://doi.org/10.1007/s12555-014-0304-0
  9. Chang P., Yang S., Tong J., Zhang F. A New Adaptive Control Design for a Quadrotor System with Suspended Load by an Elastic Rope // Nonlinear Dyn. 2023. V. 111. P. 19073–19092.
  10. Kaya U.C., Subbarao K. Momentum Preserving Simulation of Cooperative Multirotors with Flexible-Cable Suspended Payload // J. Dyn. Syst. Meas. Control. 2022. V. 144. P. 041007. https://doi.org/10.1115/1.4053343
  11. Wu P.X., Yang C.C., Cheng T.H. Cooperative Transportation of UAVs Without Inter-UAV Communication // IEEE/ASME Trans. Mechatron. 2023. V. 28. P. 2340–2351. https://doi.org/10.1109/TMECH.2023.3234511
  12. Bisgaard M., Bendtsen J.D., La Cour-Harbo A. Modeling of Generic Slung Load System // J. Guid. Control. Dyn. 2009. V. 32. № 2. P. 433–449. https://doi.org/10.2514/1.36539
  13. Куликов В.Е., Чукаева А.Н. Система управления квадрокоптером при транспортировке груза на внешней подвеске // Тр. Московск. ин-та электромеханики и автоматики. 2016. Т. 14. С. 2–16.
  14. Sun L., Wang K., Mishamandani A.H.A., Zhao G., Huang H., Zhao X., Zhang B. A Novel Tension-Based Controller Design for the Quadrotor–Load System // Control Eng. Pract. 2021. V. 112. P. 104818.
  15. Голуб А.П., Зудов В.Б., Локшин Б.Я., Селюцкий Ю.Д. О робастной стабилизации движения квадрокоптера с подвешенным грузом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. Т. 25. № 9. С. 490–500. https://doi.org/10.17587/mau.25.490-500
  16. Охоцимский Д.Е. К теории движения тел с полостями, частично заполненными жидкостью // ПММ. 1956. Т. 20. Вып. 1. С. 3–20.
  17. Abramson H.N., Chu W.H., Ransleben G.E. Representation of Fuel Sloshing in Cylindrical Tanks by an Equivalent Mechanical Model // ARS Journal. 1961. V. 31. № 12. P. 1697–1705.
  18. Колесников К.С. Колебания жидкости в цилиндрическом сосуде. М.: Изд-во МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1964. 97 с.
  19. Stofan A.J., Armstead A.L. Analytical and Experimental Investigation of Forces and Frequencies Resulting from Liquid Sloshing in a Spherical Tank. Washington: NASA. 1962. Technical Note D-1281.
  20. Abramson H.N., Chu W.H., Garza L.R. Liquid Sloshing in Spherical Tanks // AIAA Journal. 1963. V. 1. № 2. P. 384–389. https://doi.org/10.2514/3.1542
  21. Chu W.H. Fuel Sloshing in a Spherical Tank Filled to an Arbitrary Depth // AIAA Journal. 1964. V. 2. № 11. P. 1972–1979. https://doi.org/10.2514/3.2713
  22. Aliabadi S., Johnson A., Abedi J. Comparison of Finite Element and Pendulum Models for Simulation of Sloshing // Computers & Fluids. 2003. V. 32. № 4. P. 535–545. https://doi.org/10.1016/S0045-7930(02)00006-3
  23. Godderidge B., Turnock S.R., Tan M. A Rapid Method for the Simulation of Sloshing Using a Mathematical Model Based on the Pendulum Equation // Computers & Fluids. 2012. V. 57. P. 163–171. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.12.018
  24. Moriello L., Biagiotti L., Melchiorri C., Paoli A. Manipulating Liquids with Robots: A Sloshing-Free Solution // Control Engineering Practice. 2018. V. 78. P. 129–141. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2018.06.018
  25. Sayyaadi H., Soltani A. Modeling and Control for Cooperative Transport of a Slung Fluid Container Using Quadrotors // Chinese J. of Aeronautics. 2018. V. 31. № 2. P. 262–272. https://doi.org/10.1016/j.cja.2017.12.005
  26. Колесников К.С. Динамика ракет. М.: Машиностроение. 1980. 376 с.
  27. Ibrahim R.A. Liquid Sloshing Dynamics. Theory and Applications. Cambridge, 2005. 972 p.
  28. Квакернаак Х., Сиван Р. Линейные оптимальные системы управления. М.: Мир, 1977. 650 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Маятник с жидкостью, подвешенный к квадрокоптеру.

Скачать (89KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость величин величин u, v, φ, ψ от времени при управлении (4.1).

Скачать (109KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Примеры процессов разгона и торможения при управлении (4.3) в отсутствие ветра.

Скачать (117KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Примеры процессов разгона и торможения при управлении (4.3) для разных величин скорости ветра.

Скачать (261KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025