UAV de vol. Comment faire un baril

Qu'est-ce qu'un combattant a en commun avec un conteneur de stockage de liquide et une machine Goldberg? Il semblerait seulement que l'avion et le canon puissent faire partie d'un mécanisme inutile, mais envoûtant, mais non. Le modèle de baril de voltige combine toutes ces choses et plus encore.



L'exécution du canon n'aide pas l'avion civil à amener ses passagers à destination ou le chasseur au combat, mais il nécessite, s'il est correctement exécuté, d'utiliser toutes les commandes de l'avion: ailerons, gouverne de profondeur et gouvernail.

Cette publication décrit le processus de rotation d'un avion à 360 degrés autour de son axe longitudinal sans réduction du point de vue d'une science telle que la dynamique de vol, et décrit comment vous pouvez faire en sorte que votre avion fasse correctement un baril.

Présentation

Après avoir terminé la phase active du prochain projet, une question s'est posée avec mon collègue dans les activités sans pilote, que faire jusqu'à ce que les nouveaux projets occupent tout mon temps libre. En réponse à la question posée au vide, nous avons reçu une réponse très précise: « faites un tonneau ». Et la vérité: le canon est une machine Goldberg en aviation, à la fois complexe, pratiquement (en combat aérien) une figure acrobatique inutile qui apporte un plaisir exclusivement esthétique. Alors pourquoi ne pas apprendre au modèle d'avion à fabriquer un baril en mode automatique, même Google le fait.

Avant de commencer l'implémentation pratique, nous avons décidé d'étudier ce processus à l'aide de modèles informatiques, et voici ce qui en est ressorti.

Un peu de théorie

Tout d'abord, expliquons un peu pourquoi les avions volent et comment la position de l'avion est décrite par rapport au champ gravitationnel. L'avion tient la portance dans l'air, appelons-le Y, qui est créé sur l'aile, mais voici le problème, cette force n'apparaît que lorsque l'aile est soufflée par un flux d'air entrant, vous devez donc disperser l'avion. Vous pouvez, bien sûr, «fuir la falaise», dépenser une partie de l'énergie potentielle du champ gravitationnel de la Terre pour accélérer et même geler pendant un instant, mais la traînée aérodynamique se produit inextricablement avec la force de levage, appelons cette force X, qui ralentira l'avion, et la force de levage tombera, et avec elle nous. Nous tomberons sous l'influence de la gravité G. Pour contrer la force de traînée, tous les avions normaux ont un moteur, cela crée une force de poussée P, qui peut être utilisée pour surmonter la force de traînée. Le modèle cinématique le plus simple d'un avion décrit son mouvement comme un déplacement d'un point matériel dans le champ gravitationnel de la Terre. En vol horizontal à vitesse constante, la gravité est équilibrée par la portance de l'aile Y = G, et la traînée par la poussée du moteur X = P.

Si vous regardez un point matériel sous un microscope, il se transformera en corps matériel. C’est pour le mieux: on distingue le fuselage, l’aile, la queue de l’avion, qui se compose d’un stabilisateur horizontal et d’une quille verticale. Les ailerons sont situés sur les consoles des ailes gauche et droite, la gouverne de profondeur sur la queue horizontale et le gouvernail sur la verticale. Si vous tournez fort avec tout cela, l'appareil commencera à manœuvrer et la tâche de fabriquer un baril sera réduite à la loi de changer la position des commandes pour atteindre la trajectoire nécessaire de l'appareil dans l'espace et par rapport à ses propres axes.

Boîte à outils

Pour simuler le mouvement de l'appareil, nous utilisons les outils fournis par le programme de modélisation de la dynamique des aéronefs avec JSBSim open source. Nous ferons confiance à gnuplot pour afficher les graphiques et les manœuvres de visualisation des avions FlightGear . Comme modèle dynamique de base, prenez le chasseur nord-américain P-51 Mustang : sa maniabilité suffira à porter le canon. Pour la visualisation, nous utiliserons un avion de sport moins agressif Yak-53 .

Modélisation et résultats

Si nous imaginons un avion «sphérique», ou plutôt idéal, dans lequel les axes du système de coordonnées associé coïncident avec les axes principaux de l'ellipsoïde d'inertie et les commandes créent des moments chacun par rapport à un seul des axes, nous pouvons qualitativement comprendre comment l'appareil se déplacera lorsque la commande déviera. Disons qu'un avion vole en vol horizontal; en déviant les ailerons dans des directions opposées, nous modifions l'amplitude de la force de levage sur les consoles d'ailes, ce qui entraîne l'apparition d'un moment de force par rapport à l'axe x, et l'appareil commencera à tourner autour de cet axe. Pour compléter le canon, c'est exactement ce dont nous avons besoin. Nous composons un script dans lequel les ailerons sont rejetés autant que possible dans un délai de 2,45 secondes, puis revenons à leur position d'origine:




Les résultats de la simulation sont présentés dans le graphique:



On peut voir que l'avion a tourné à 360 degrés le long du rouleau, cependant, a fait cette manœuvre avec une diminution de 40 mètres et a incliné son nez de 14 degrés - ceci est un exemple de canon complètement inapte.
En effet, si vous vous souvenez que l'avion de loin est un point matériel, alors pendant la rotation la projection de la force de levage sur le sens de la gravité diminue et l'avion commence à décliner, mais nous n'en avons pas besoin du tout, car nous voulons faire un beau baril sans goutte. Pour cela, avant de commencer à rejeter les ailerons, vous devez créer une réserve de vitesse verticale. Nous prenons la barre sur nous-mêmes - l'ascenseur est dévié - un moment de force survient par rapport à l'axe z. Le nez de l'avion se lève et nous commençons à prendre de la hauteur - à ce moment, il est temps de commencer la rotation. Nous ajoutons au script la déviation de la gouverne de profondeur de 40% pendant 0,4 seconde avant le début de la déviation des ailerons et la remettons en position neutre. 0,2 secondes avant la fin de la rotation, nous prenons le gouvernail complètement vers nous pour éliminer l'abaissement du nez de l'avion:




Nous regardons ce qui s'est passé:



Le voici - un canon très décent et rapide. Si nous remettions l'ascenseur en position neutre un peu plus tard, l'appareil gagnerait une petite hauteur et, une fois les ailerons déviés, entrerait dans un demi-tour. La combinaison de la «direction vers vous» et de la «déviation des ailerons» conduit au fait que la force de levage de l'aile lorsque l'appareil est incliné commence à agir normalement par rapport à la trajectoire actuelle de l'appareil et la plie d'autant plus, plus l'ascenseur est dévié. Vous pouvez l'essayer vous-même et voir par vous-même.

Le canon précédent a été réalisé sans réduction, l'angle de tangage à la sortie du canon ne différait pas beaucoup de l'original. Cependant, la hauteur lors de l'exécution a changé de 12 mètres. Nous allons essayer d'appliquer plus activement les contrôles pour minimiser le lancer en hauteur lors de l'exécution de la figure. Afin de ne pas tordre les commandes de l'avion de toute façon, regardons Wikipédia et voyons comment il nous est recommandé de fabriquer un baril. L'idée principale de faire un baril idéal est que vous devez garder l'axe longitudinal du plan dans un plan horizontal. Pour cela, l'ascenseur et le gouvernail sont utilisés alternativement. Au début du canon, comme d'habitude, nous utilisons l'ascenseur pour gagner en vitesse verticale. Nous rejetons les ailerons - nous commençons la rotation. Lorsque l'avion tourne autour de l'axe longitudinal, l'élévateur et le gouvernail changent de place. En atteignant un angle de roulis d'environ 90 degrés, la déviation du gouvernail entraînera une élévation ou une baisse du nez de l'avion dans un plan vertical. À cet égard, nous rejetons le gouvernail afin d'empêcher le nez de tomber. De plus, lorsque l'angle de gîte atteint 180 degrés, vous devez dévier le gouvernail de vous-même afin de maintenir le nez de l'avion dans un vol inversé dans un plan horizontal. Avec un tour supplémentaire, nous répétons la déviation du gouvernail avec le signe opposé à un angle de talon proche de 90 degrés et terminons le canon avec une légère déviation du gouvernail «vers vous». Toutes ces étapes sont exprimées dans le script ci-dessous:




Nous commençons et voyons ce qui s'est passé:



Sur le rouleau, l'appareil a tourné à 180 degrés, tandis que la portée totale du changement de hauteur était d'environ 2,5 m - c'est cinq fois moins que dans le cas précédent. Nous pouvons dire que nous avons obtenu un baril presque parfait.

Au lieu d'une conclusion

Nous avons donc examiné certains principes de la voltige en baril et nous sommes assurés que, en agissant sagement, nous pouvons effectuer un baril de bonne qualité sur le simulateur. Ce serait bien d'aller à la pratique, et ici avec l'aide de laquelle nous prévoyons de le faire - le modèle d'avion + stm32f103 + mpu9250. Tous ces articles sont facilement accessibles et bon marché, donc tout le monde peut essayer de le faire eux-mêmes. Les résultats des essais, erreurs et instructions de répétition font l'objet des publications suivantes.