СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ БПЛА В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ С ВХОДНЫМИ ОГРАНИЧЕНИЯМИ

Г. Е. Веселов; Ингабире Алин

Г. Е. Веселов Южный федеральный университет
Ингабире Алин Южный федеральный университет

Ключевые слова: БПЛА с жёстким крылом, синергетическая теория управления, инвариантное многообразие, ветровые возмущения, инвариантность к внешним неизмеряемым возмущениям, ограничения на переменные пространства состояния объекта управления

Аннотация

Рассматривается применение методов синергетической теории управления (СТУ) к про-
блеме синтеза системы управления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) в условиях
действия ветровых возмущений. Основной задачей исследования является разработка синерги-
ческого метода синтеза нелинейных систем управления БПЛА с жёстким крылом, гаранти-
рующих асимптотическую устойчивость замкнутых систем при движении по заданной тра-
ектории, устойчивость и адаптивность при значительной нелинейности математических
моделей управления БПЛА с жёстким крылом в условиях влияния ветровых возмущений. Кроме
того, важной задачей при синтезе систем управления различными объектами, в том числе и
БПЛА, является учёт ограничений на переменные состояния объекта управления, которые
могут обуславливаться как требованиями к энергоэффективности и безопасности систем,
так и другими ограничениями и требованиями, накладываемые на эти координаты. В статье
предлагается процедура синтеза нелинейных векторных систем управления БПЛА с жёстким
крылом методами СТУ, обеспечивающих инвариантность к действию внешних неизмеряемых
возмущающих воздействий, выполнение заданных технологических целей управления, асимпто-
тическую устойчивость замкнутой системы, а также учёт введенных ограничений на внут-
ренние координаты БПЛА. Предлагаемая в статье процедура синергетического синтеза век-
торных нелинейных систем управления БПЛА с жёстким крылом гарантирует эффективное
использование такого типа БПЛА в решении различного рода задач, в том числе и при функцио-
нировании таких БПЛА в качестве элементов группы автономных объектов, решающих задан-
ную групповую технологическую задачу. Эффективность предлагаемого подхода к синергети-
ческому синтезу стратегий управления подтверждается результатами компьютерного моде-
лирования синтезированной нелинейной векторной системы управления БПЛА с жёстким кры-
лом. Предлагаемый метод синергетического синтеза системы управления БПЛА с жёстким
крылом, может быть применён для разработки перспективных имитационных пилотажно-
навигационных комплексов, моделирующих поведение БПЛА в условиях присутствия ветровых
возмущений и послужить основой для улучшения лётно-технических характеристик БПЛА.

Литература

1. Honrado J., Solpico D.B., Favila C., Tongson E., Tangonan G.L., Libatique N.J. UAV imaging
with low-cost multispectral imaging system for precision agriculture applications, IEEE
Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), 2017, pp. 1-7.
2. Kaleem Z., Rehmani M.H., Ahmed E., Jamalipour A., Rodrigues J.J., Moustafa H., Guibene W.
Amateur drone surveillance: Applications, architectures, enabling technologies, and public
safety issues: Part 1, IEEE Communications Magazine, 2018, Vol. 56, No. 1, pp. 14-15.
3. Scott J., Scott C. Drone delivery models for healthcare, Proc. of the 50th Hawaii Int. Conf. on
system sciences, 2017, pp. 3297-3304.
4. Liu C., Chen W.H. Disturbance rejection flight control for small fixed-wing unmanned aerial
vehicles, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2016, pp. 2810-2819.
5. Ingabire A., Sklyarov A.A. Fixed-wing UAVs navigation in the presence of wind: a survey,
Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Journal of Don], 2019, No. 3 (54), pp. 1-10.
6. Liu C., McAree O., Chen W.H. Path following for small UAVs in the presence of wind disturbance,
IEEE Proceedings of UKACC International Conference on Control, 2012, pp. 613-618.
7. Furieri L., Stastny T., Marconi L., Siegwart R., Gilitschenski I. Gone with the wind: Nonlinear
guidance for small fixed-wing aircraft in arbitrarily strong wind fields, American Control Conference
(ACC). IEEE, 2017, pp. 4254-4261.
8. Schopferer S., Lorenz J.S., Keipour A., Scherer S. Path planning for unmanned fixed-wing
aircraft in uncertain wind conditions using trochoids, International Conference on Unmanned
Aircraft Systems (ICUAS). IEEE, 2018, pp. 503-512.
9. Wu K., Fan B., Zhang X. Trajectory following control of UAVs with wind disturbance, 36th
Chinese Control Conference (CCC). IEEE, 2017, pp. 4993-4997.
10. Stastny T., Siegwart R. Nonlinear model predictive guidance for fixed-wing UAVs using identified
control augmented dynamics, International Conference on Unmanned Aircraft Systems
(ICUAS). IEEE, 2018, pp. 432-442.
11. Kolesnikov A.A, Kobzev V.A, Nguen F. Sinergeticheskiy sintez sistem upravleniya dvizheniem
samoletov-amfibiy, funktsioniruyushchikh v ekstremal'nykh usloviyakh [Synergetics synthesis of
amphibian aircraft motion control system operated under extreme conditions], Izvestiya YuFU.
Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2010, No. 5 (106), pp. 150-155.
12. Mushenko A.S. Nelineynyy sinergeticheskiy regulyator sistemy avtomaticheskogo upravleniya
bespilotnym letatel'nym apparatom [Nonlinear synergistic regulator automated control systems of
Unmanned Aerial Vehicle], Mekhanika tverdogo tela [Mechanics of Solids], 2002, pp. 165-171.
13. Motienko T.A. Sinergeticheskiy sintez astaticheskikh zakonov upravleniya dvizheniem
letatel'nykh apparatov [Synergetic synthesis of control laws for the movement of the aircraft],
Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2011, No. 5
(118), pp. 124-128.
14. Fomenko A.A. Sinergeticheskiy sintez zakonov vektornogo upravleniya prostranstvennym
dvizheniem bespilotnogo letatel'nogo apparata [Synergistic synthesis of the vector control laws
of spatial movement of the unmanned aerial vehicle], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2011, No. 6 (119), pp. 162-170.
15. Kolesnikov A.A. Sinergeticheskaya teoriya upravleniya [Synergetic control theory]. Moscow:
Energoatomizdat, 1994, 344 p.
16. Kolesnikov A.A. Sinergeticheskaya kontseptsiya sistemnogo sinteza: edinstvo protsessov
samoorganizatsii i upravleniya [Synergetic conception of system synthesis: the unity of processes of
self-organization and control], Izvestiya TRTU [Izvestiya TSURE], 2006, No. 6 (61), pp. 10-38.
17. Kolesnikov A.A. Introduction of synergetic control, Proceedings of the American Control Conference,
2014, p. 3013-3016.
18. Kolesnikov A.A. Novye nelineynye metody upravleniya poletom [New nonlinear methods of
flight control]. Moscow: Fizmatlit, 2013, 196 p.
19. Gonzalez H.A. Robust tracking of dynamic targets with aerial vehicles using quaternion-based
techniques: Doctoral dissertation. 2019. 18 p.
20. Metod AKAR i teoriya adaptivnogo upravleniya v zadachakh sinteza nelineynykh sistem
upravleniya [ADAR Method and Theory of Adaptive Control in the Tasks of Synthesis of the
Nonlinear Control Systems], Mekhatronika, avtomatizatsiya, upravlenie [Mechatronics, automation,
management], 2017, Vol. 18, No. 9, pp. 579-589.
21. Kuz'menko A.A., Kolesnikov A.A., Kolesnitchenko D.A. Novel robust control of hydrogenerator:
The synergetic approach, IFAC-PapersOnLine, 2015, Vol. 48 (11), pp. 451-456.