Исследование влияния электромагнитных процессов BLDC-мотора на показания гироскопа

Х. Фам Чонг, А. А. Шилин, М. Т. Нгуен

---

Аннотация: Актуальность работы заключается в том, что вибрационные помехи, возникающие вследствие работы двигателей квадрокоптера, остаются одной из ключевых причин ухудшения точности и устойчивости систем управления беспилотными летательными аппаратами. Эти помехи, вызванные переключением магнитных потоков в электродвигателях, могут существенно влиять на показания датчиков, таких как гироскопы и акселерометры, что снижает общую эффективность навигации и стабилизации. Поэтому исследование свойств таких помех и их влияния на динамику квадрокоптера является важной и практически значимой задачей. Цель данной работы заключается в определении свойств вибрационных помех, вызванных переключением магнитных потоков в двигателях, и влияния этих помех на работу квадрокоптера. Методы. В работе использованы методы математического моделирования, спектрального анализа и экспериментального исследования. Результаты. В работе предложена модификация модели квадрокоптера, учитывающая эти помехи. Результаты моделирования и экспериментальных исследований подтверждают, что частота вибрации связана с управлением двигателей и присутствует в спектре силы тяги, что в свою очередь отражается на показаниях гироскопа и акселерометра. Подчеркивается необходимость учета вибрационных помех для качественного синтеза систем управления квадрокоптером, а также разработки новых алгоритмов, устойчивых к шумам. Выводы. Дальнейшие исследования могут быть направлены на оптимизацию архитектуры управления с учетом выявленных спектральных составляющих помехи, а также на разработку более эффективных фильтров, которые могли бы обеспечить высокий уровень производительности и точности при условии наличия помех.

Ключевые слова: BLDC-мотор, спектральная составляющая, помехи, математическое ожидание, квадрокоптер, дисперсия

Для цитирования. Фам Чонг Х., Шилин А. А., Нгуен М. Т.Исследование влияния электромагнитных процессов BLDC-мотора на показания гироскопа // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2025. Т. 27. № 3. С. 55–72.  DOI: 10.35330/1991-6639-2025-27-3-55-72

Список литературы

1. Kurak S., Migdat H. Control and estimation of a quadcopter dynamical model. Periodicals of Engineering and Natural Sciences (PEN). 2018. Vol. 6. No. 1. Pp. 63–75. DOI: 10.21533/pen.v6i1.164
2. Cao N., Alan F.L. Inner–outer loop control for quadrotor UAVs with input and state constraints. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2015. Vol. 2. No. 5. Pp. 1797–1804. DOI: 10.1109/TCST.2015.2505642
3. Azfar A.Z., Hazry D. A simple approach on implementing IMU sensor fusion in PID controller for stabilizing quadrotor flight control. IEEE 7th International Colloquium on Signal Processing and its Applications. Penang. Malaysia. 2011. Pp. 28–32. DOI: 10.1109/CSPA.2011.5759837
4. Khatoon S., Shahid M., Chaudhary H. Dynamic modeling and stabilization of quadrotor using PID controller. International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI). Delhi. India. 2014. Pp. 746–750. DOI: 10.1109/ICACCI.2014.6968383
5. Rinaldi M., Stefano P., Giorgio G. A comparative study for control of quadrotor UAVs. AppliedSciences. 2023. Vol. 13. No. 6. Pp. 3464. DOI: 10.3390/app13063464
6. Белов H. B., Борис Б. Я. Построение математической модели управления высотой и углами движения БПЛА // Телекоммуникации и информационные технологии. 2018. Т. 5. № 1. С. 100–111. EDN: UROPEO
7. Belov N.V., Boris B.Ya. Building a mathematical model for controlling UAV altitude and angles of motion. Telecommunications and Information Technologies. 2018. Vol. 5. No. 1. Pp. 100–111. EDN: UROPEO. (In Russian)
8. Oloo J.O. Design of extended kalman filter optimized fuzzy PID controller for a quadcopter in the event of one rotor failure: Dis. JKUAT-COETEC. 2021. 71 p.
9. Калачев Ю. Н. SimInTech: моделирование в электроприводе. М.: ДМК Пресс, 2022. C. 26–33.
10. Kalachev  Yu.N.  SimInTech:  modeling  in  electric  drive.  Moscow:  DMK  Press,  2022. Pp. 26–33. (In Russian)
11. Bahari N.B., Jidin A.B., Abdullah M.N. et al. Modeling and simulation of torque hysteresis controller for brushless DC motor drives. IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications. Bandung, Indonesia. 2012. Pp. 152–155.
12. Мясищев А. А. Программирование ESC регуляторов прошивками SimonK и BLHeli через Arduino и полетный контроллер // Электронный ресурс. 2019. URL: https://www.researchgate.net/publication/332381105
13. Myasishchev  A.A.  Programming ESC controllers with SimonK and BLHeli firmware via Arduino and a flight controller. Electronic resource. 2019.Available at: https://www.researchgate.net/publication/332381105. (In Russian)
14. Yadav P.M., Gadgune S.Y. Position and speed control of brushless DC motors using sensorless techniques: A review. International Journal of Engineering Research & Technology. 2019. Vol. 8. No. 1. Pp. 62–69.
15. Dasari M., Reddy A.S., Kumar M.V. Modeling of a commercial BLDC motor and control using GA-ANFIS tuned PID controller. International Conference on Innovative Research In Electrical Sciences (IICIRES). Nagapattinam, India. 2017. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/IICIRES.2017.8078305
16. Yamashita R.Y., Silva L.M., Santiciolli F.M. et al. Comparison between two models of BLDC motor, simulation and data acquisition. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2018. Vol. 40. ID: 63. DOI: 10.1007/s40430-018-1020-0
17. Ascorti L. An application of the extended Kalman filter to the attitude control of a quadrotor: Dis. Biblioteche e Archivi. 2012. Pp. 45–49.
18. Kiruthika A., Rajan A.A., Rajalakshmi P. Mathematical modelling and speed control of a sensored brushless DC motor using intelligent controller. IEEE International Conference ON Emerging Trends in Computing, Communication and Nanotechnology (ICECCN). Tirunelveli, India. 2013. Pp. 211–216. DOI: 10.1109/ICE-CCN.2013.6528495
19. Hai P.T. Reasearh data for this article. URL: https://github.com/tronghai180598/1_articles (accessed: 30.05.2025).
20. John B. Quadcopter Simulation and Control. Dynamics generated with PyDy. Available at: https://github.com/bobzwik/Quadcopter_SimCon  (accessed: 05.10.2024).
21. Cárdenas R.C., Morales C.A.C., Ospina J.P. et al. Mathematical modeling and identification of a quadrotor. Computational Science and Its Applications – ICCSA 2020: 20^th International Conference. Cagliari, Italy, July 1–4, 2020, Proceedings, Part I 20. Springer International Publishing. 2020. Pp. 261–275. DOI: 10.1007/978-3-030-58799-4_19
22. Abdelhay S., Alia Z. Modeling of a quadcopter trajectory tracking system using PID controller. Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 32. Pp. 564–571. DOI: 10.1016/j.promfg.2019.02.253
23. Nguyen N.P., Ming N.X., Thanh H.l.N.N. et al. Adaptive sliding mode control for attitude and altitude system of a quadcopter UAV via neural network. IEEE Access. 2021. Vol. 9. Pp. 40076–40085. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3064883
24. Hoffmann F., Niklas G., Torsten B. Attitude estimation and control of a quadrocopter. IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. 2010. P. 10721077. DOI: 10.1109/IROS.2010.5649111
25. Калачев О. Как я разработал квадрокоптер на ESP32 с нуля // Хабр. URL: https://github.com/okalachev/flix
26. Kalachev O. How I developed a quadcopter on ESP32 from scratch, Khabr. Available at: https://github.com/okalachev/flix. (In Russian)
27. Open Source Autopilot For Drone Developers // PX4. URL: https://github.com/px4/px4-autopilot/ (accessed: 25.06.2024).  
28. Жмудь В. А., Кузнецов К. А., Кондратьев Н. О. и др. Акселерометр и гироскоп MPU6050: первое включение на STM32 и исследование показаний в статике // Автоматика и программная инженерия. 2018. № 3(25). Pp. 9–22. EDN: YALYRF
29. Zhmud V.A., Kuznetsov K.A., Kondratyev N.O. et al. Accelerometer and gyroscope MPU6050: first inclusion on STM32 and study of readings in statics. Avtomatizatsiya i programmnaya inzheneriya  [Automation  and  software  engineering].  2018.  Vol.  3.  No. 25.  Pp. 9–22. EDN: YALYRF. (In Russian)

Информация об автора

Хай Фам Чонг,аспирант отделения электроэнергетики инженерной школы энергетики, Томский политехнический университет;

634050, Россия, г. Томск, ул. Усова, 7;

tronghai180598@gmail.com; ORCID: https://orcid.org/0009-0004-6272-890X

Шилин Александр Анатольевич, д-р техн. наук, доцент, профессор отделения электроэнергетики инженерной школы энергетики, Томский политехнический университет;

634050, Россия, г. Томск, ул. Усова, 7;

shilin@tpu.ru; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4761-7249, SPIN-code: 2790-9730

Нгуен Минь Тыонг, канд. техн. наук, доцент кафедры информатики, Российский технологический университет МИРЭА;

119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, 78;

nguen_m@mirea.ru, ORCID: https://orcid.org/0009-0002-7267-1121, SPIN-код: 5480-9970