Моделирование перемещения груза двумя БпЛА при наличии связей с отклоняющимся аргументом

Аннотация

Рассматривается задача транспортировки груза, подвешенного на двух беспилотных летательных аппаратах (БпЛА) с помощью гибких связей – тросов. Актуальность исследования обусловлена широким применением групп летательных аппаратов для выполнения транспортных операций в труднодоступных районах или при ликвидации чрезвычайных ситуаций, когда требуется перемещение объектов значительной массы или размеров. Движение БпЛА не является строго синхронным. Это приводит к изменению геометрической конфигурации системы «БпЛА – тросы – груз» и перераспределению нагрузок. Цель работы заключается в разработке математической модели динамики движения груза, перевозимого двумя беспилотными летательными аппаратами, перемещающимися по одинаковой траектории, при условии запаздывания одного из аппаратов относительно другого на заданном промежутке времени, и определении сил реакции связей в тросах при различных режимах движения рассматриваемой механической системы. Для описания динамики движения используются дифференциальные уравнения с учетом связей с отклоняющимся аргументом. Такой подход позволяет учитывать влияние движения «запаздывающего» БпЛА на перемещение транспортируемого объекта. Проведен кинематический анализ системы, получены геометрические соотношения, определяющие положение и траекторию переносимого груза. На основе модели динамики движения груза получены зависимости реакций связей от времени движения рассматриваемой механической системы. Проведено имитационное моделирование движения переносимого груза при различных законах движения беспилотных летательных аппаратов, показывающее влияние запаздывания одного из БпЛА на распределение нагрузок между тросами и характер движения груза. Полученные зависимости могут быть использованы при разработке систем управления групповыми транспортными комплексами для обеспечения их устойчивого движения и повышения надежности перевозки различных объектов.

Abstract

The paper considers the problem of transporting a payload suspended from two unmanned aerial vehicles (UAVs) using flexible connections in the form of cables. The relevance of the study is due to the widespread use of groups of aerial vehicles for transport operations in hard-to-reach areas or during emergency response situations, when it is necessary to move objects of considerable mass or size. The motion of the UAVs is not strictly synchronized, which leads to changes in the geometric configuration of the “UAV–cables–payload” system and redistribution of loads. The purpose of this work is to develop a mathematical model of the payload motion dynamics for a payload transported by two unmanned aerial vehicles moving along the same trajectory, under the condition that one UAV lags behind the other by a specified time interval, and to determine the cable reaction forces under various operating modes of the considered mechanical system. To describe the motion dynamics, differential equations with deviating argument are used. This approach makes it possible to take into account the influence of the “lagging” UAV motion on the movement of the transported object. A kinematic analysis of the system was carried out, and geometric relationships determining the position and trajectory of the transported payload were obtained. Based on the dynamic model of payload motion, time-dependent relationships for the cable reaction forces of the considered mechanical system were derived. Simulation modeling of the transported payload motion was carried out for various motion laws of the unmanned aerial vehicles, demonstrating the influence of the lag of one UAV on the load distribution between the cables and on the nature of the payload motion. The obtained relationships can be used in the development of control systems for group transport complexes in order to ensure stable motion and improve the reliability of transporting various objects.