СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

В настоящей работе рассмотрен синтез системы управления ориентацией квадрокоптера при малом изменении углов поворота (near hovering), учитывающей инерционность винтомоторных групп. Показана линеаризация обратной связью подсистемы ориентации с учетом инерционности винтомоторных групп. Регулятор рассчитан полиномиальным матричным методом синтеза, обеспечивающим заданное расположение полюсов замкнутой системы. Для оценки результатов выполнено сравнение с регулятором, не учитывающим инерционность винтомоторных групп.

Управление ориентацией и позиционированием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертикального взлета и посадки мультироторного типа в пространстве неразрывно связано с формированием вектора управления движением, состоящего из комбинации тяг и аэродинамических моментов, создаваемых каждой винтомоторной группой. Точность и скорость формирования вектора управления движением в значительной степени влияет на ошибки позиционирования и ориентации БПЛА. В большинстве работ, посвященных синтезу систем управления БПЛА, используется вектор управления движением без учета динамики винтомоторных групп, что в некоторых случаях вынуждает снижать быстродействие системы управления. Показано, что увеличение быстродействия системы управления может быть ограничено инерционностью, так как возникает колебательность, а при дальнейших попытках увеличить быстродействие за счет смещения желаемых полюсов характеристического полинома дальше в отрицательную область система управления становится неустойчива. Для решения этой проблемы предложено учитывать инерционность винтомоторной группы. Показано, что за счет этого можно повысить быстродействие системы управления. Также показано, что линеаризация обратной связью подсистемы ориентации квадрокоптера также подвержена влиянию инерционности винтомоторной группы, поэтому предложено выполнять линеаризацию обратной связью с учетом инерционности.

1. Yao J., Xin M. Finite-time suboptimal control design for aerobatic maneuver of variable-pitch quadrotor // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. – 2023. – Vol. 59 (4). – P. 3736–3749. – DOI: 10.1109/TAES.2022.3231241.

2. Шавин М.Ю. Управляемая динамика квадрокоптера с поворотными роторами // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2018. – № 4. – С. 1–16. – 10.18698/2308-6033-2018-4-1755.

3. Шавин М.Ю., Притыкин Д.А. Синтез системы управления квадрокоптером с поворотными роторами и наблюдение за подвижной целью // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2019. – Т. 20, № 10. – С. 629–639. – DOI: 10.17587/mau.20.629-639.

4. Cutler M., How J.P. Analysis and control of a variable-pitch quadrotor for agile flight // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. – 2015. – Vol. 137 (10). – DOI: 10.1115/1.4030676.

5. Output controller for quadcopters with wind disturbance cancellation / A.A. Pyrkin, A.A. Bobtsov, S.A. Kolyubin, O.I. Borisov, V.S. Gromov, S.V. Aranovskiy // 2014 IEEE Conference on Control Applications (CCA). – IEEE, 2014. – P. 166–170. – DOI: 10.1109/CCA.2014.6981346.

6. Demircioglu H., Basturk H. Adaptive attitude and altitude control of a quadrotor despite unknown wind disturbances // 2017 IEEE 56th Annual Conference on Decision and Control (CDC), Melbourne, VIC, Australia. – IEEE, 2017. – P. 274–279. – DOI: 10.1109/CDC.2017.8263678.

7. Andrievsky B.R., Furtat I.B. Disturbance observers: methods and applications. II. Applications // Automation and Remote Control. – 2020. – Vol. 81 (10). – P. 1775–1818. – DOI: 10.1134/S0005117920100021.

8. Kusaka T., Tanaka R. Stateful rotor for continuity of quaternion and fast sensor fusion algorithm using 9-axis sensors // Sensors. – 2022. – Vol. 22. – P. 7989. – DOI: 10.3390/s22207989.

9. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Групповое управление движением мобильных роботов в неопределенной среде с использованием неустойчивых режимов // Труды СПИИРАН. – 2018. – Вып. 5 (60). – С. 39–63. – DOI: 10.15622/sp.60.2.

10. Zulu A., John S. A review of control algorithms for autonomous quadrotors // Open Journal of Applied Sciences. – 2014. – Vol. 4 (14). – P. 547–556. – DOI: 10.4236/ojapps.2014.414053.

11. On the control of quadcopters based on the feedback linearization method / O.N. Gasparyan, H.G. Darbinyan, A.A. Asatryan, T.A. Simonyan // Proceedings of National Polytechnic University of Armenia. Information Technologies, Electronics, Radio Engineering. – 2020. – N 2. – P. 44–54.

12. Itaketo U.T., Inyang H. Dynamic modeling and performance analysis of an autonomous quadrotor using linear and nonlinear control techniques // International Journal of Advances in Engineering and Management. – 2021. – Vol. 3 (12). – P. 1629–1641.

13. Воевода А.А., Филюшов Ю.П., Филюшов В.Ю. Разработка линейной системы управления тягой винтомоторной группы для БПЛА // Информатика и автоматизация. – 2024. – Т. 23, № 5. – С. 1454–1484. – DOI: 10.15622/ia.23.5.7.

14. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов. Ч. 1. Электроприводы постоянного тока с подчиненным регулированием координат. – Екатеринбург: Изд-во УГППУ, 1997. – 277 с.

15. Speed sensorless flatness-based control of PMSM using a second order sliding mode observer / A. Fezzani, S. Drid, A. Makouf, L. Chrifi // 2013 Eighth International Conference and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), Monte Carlo. Monaco. – IEEE, 2013. – P. 1–9. – DOI: 10.1109/EVER.2013.6521553.

16. Kopecný L., Hnidka J., Bajer J. Drone motor control using fractional-order PID controller // 2023 International Conference on Military Technologies, Brno, Czech Republic. – IEEE, 2023. – P. 1–5. – DOI: 10.1109/ICMT58149.2023.10171276.

17. Development of a dynamic electronic speed controller for multicopters / L. Herrmann, T. Bruckmann, M. Bröcker, D. Schramm // 2019 18th European Control Conference (ECC). – Naples, Italy, 2019. – P. 4010–4015. – DOI: 10.23919/ECC.2019.8795711.

18. Krener A.J., Isidori A. Linearization by output injection and nonlinear observers // Systems & Control Letters. – 1983. – Vol. 3. – P. 47–52.

19. Жевнин А.А., Крищенко А.П. Управляемость нелинейных систем и синтез алгоритмов управления // Доклады АН СССР. – 1981. – Т. 258, № 4. – С. 805–809.

20. Fetisov D.A. Linearization of affine systems based on control-dependent changes of independent variable // Differential Equations. – 2017. – Vol. 53 (11). – P. 1483–1494. – DOI: 10.1134/S0012266117110106.

21. Поляк Б.Т., Хлебников М.В., Рапопорт Л.Б. Математическая теория автоматического управления. – М.: Ленанд, 2019. – 500 с.

22. Филюшов В.Ю. Линеаризация нелинейного трехканального динамического объекта обратной связью // Научный вестник НГТУ. – 2017. – № 1 (66). – С. 74–85.

23. Арзамасцев А.А., Крючков А.А. Математические модели для инженерных расчетов летательных аппаратов мультироторного типа (часть 1) // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2014. – Т. 19, № 6. – С. 1821–1828.

24. Performance evaluation of a gain-scheduled propeller thrust controller using wind velocity and rotor angular velocity under fluctuating wind / Y. Kato, D. Yashiro, K. Yubai, S. Komada // International Conference on Advanced Motion Control. – Padova, Italy, 2022. – P. 12–17. – DOI: 10.1109/AMC51637.2022.9729317.

25. Гайдук А.Р. Теория и методы аналитического синтеза систем автоматического управления (полиномиальный подход). – М.: Физматлит, 2012. – 360 с.

26. Филюшов В.Ю. Полиномиальный матричный метод синтеза для многоканальных объектов с неквадратной матричной передаточной функцией: дис. … канд. техн. наук: 2.3.1. – СПб., 2022. – 177 с.