SYNERGETIC SYNTHESIS OF CONTROL LAW FOR UAV IN THE PRESENCE OF WIND DISTURBANCES WITH INPUT CONSTRAINTS
СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ БПЛА В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ С ВХОДНЫМИ ОГРАНИЧЕНИЯМИ

G.E. Veselov, Alin Ingabire
2020 IZVESTIYA SFedU ENGINEERING SCIENCES  
Раздел II. Вычислительные и информационно-управляющие системы 101 23. Kolesnikov A.A., Veselov G.E. Sinergeticheskiy printsip ierarkhizatsii i analiticheskiy sintez regulyatorov vzaimosvyazannykh elektromekhanicheskikh sistem [Synergetic principle of hierarchy and analytical synthesis of regulators of interconnected Electromechanical systems], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2001, No. 5 (23), pp. 80-99. 24. ISO-8608, Mechanical Vibration-road Surface
more » ... ration-road Surface Profiles-reporting of Measured Data, ISO, Geneva. Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. А.Б. Чернышов. Синицын Александр Сергеевич -АО «Научно-конструкторское бюро вычислительных систем» This paper discusses the application of synergetic control theory (SCT) methods to the problem of control system synthesis for fixed-wing unmanned aerial vehicle (UAV) in the presence of wind disturbances. The main purpose of this study is to develop a synergetic method for the synthesis of nonlinear control systems for fixed-wing UAVs, which guarantee the asymptotic stability of the closed-loop systems when moving along a given trajectory, stability and adaptability with significant nonlinearity of mathematical models for controlling fixed-wing UAVs in the presence of wind disturbances. Furthermore, an important task in the synthesis of control systems for various objects, including UAV, is to take into account constraints on the state variables of the control object, which can be determined by both the energy efficiency requirements and safety systems, as well as other constraints and requirements imposed on these coordinates. This article proposes a procedure for the synthesis of nonlinear vector control systems for fixed-wing UAV by applying SCT approaches that provide invariance to external unmeasured disturbances, fulfillment of specified technological control objectives, asymptotic stability of the closed-loop system, and also take into account the introduced constraints on the UAV internal coordinates. The procedure suggested in this article for the synergetic synthesis of nonlinear vector control systems of fixed-wing UAV ensures the effective use of this type of UAV in solving various tasks, including the operation of such UAV as elements of a group of autonomous objects that solve a given group technological task. The effectiveness of the proposed approach to the synergetic synthesis of control strategies is confirmed by the results of computer modeling of the synthesized nonlinear vector control system of fixed-wing UAV. The proposed synergetic method of control system synthesis for fixed-wing UAV can be applied for the development of advanced flight simulation and navigation complexes that simulate the UAV behavior in the presence of wind disturbances and serve as a basis for improving the flight performance of the fixed-wing UAV. Fixed-wing UAV; synergetic control theory; invariant manifold; wind disturbances; invariance to external unmeasured disturbances; constraints on the state variables of the control object. Введение. Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с жестким крылом являются наиболее распространённым типом БПЛА и нашли широкое применение в агропромышленных комплексах при опрыскивании посевов, при мониторинге пожаров, освещении спортивных и развлекательных мероприятий, в аварийноспасательных службах и научных исследованиях [1][2][3]. БПЛА с жестким крылом отличается от БПЛА других видов тем, что время их автономного полёта больше, они могут летать на большей высоте и скорость их полёта больше чем у других типов БПЛА. Однако у БПЛА с жестким крылом есть главный недостаток: они чувствительны к внешним возмущениям из-за малых моментов инерции, размера и веса. Одним из главных ограничивающих факторов БПЛА является сильный ветер, поскольку он может оказать такое влияние на БПЛА, которое приведет к существенным отклонениям от желаемых траекторий движения, что, в свою очередь, может привести к нештатным ситуациям и авариям [4, 5]. Следует отметить, что отклонение БПЛА от требуемой траектории движения на несколько метров может быть допустимым только в малонаселенной местности. Таким образом, для того чтобы иметь возможность осуществлять выполнение технологической задачи в ветреную погоду, необходимо учитывать при синтезе законов управления БПЛА влияние ветровых возмущений [6]. В виду большой популярности БПЛА, имеется большое количество работ, посвященных разработке методов синтеза систем управления БПЛА. В работе [7] был предложен метод нелинейного управления, основанный на использовании так называемого «упреждающего вектора», который описывает желаемое направление скорости для БПЛА. «Упреждающий вектор» представляется в виде функции состояния системы, записанной совместно с влиянием ветровых возмущений в соответствии с целевой задачей объекта управления. Применение данного метода позволяет учитывать изменения ветровых возмущений, что в свою очередь, позволяет улучшить нави-
doi:10.18522/2311-3103-2020-2-101-112 fatcat:iypczktxjja6xkttojwhvfrqnm