کنترل آرایشمند بالگردهای بدون سرنشین به روش مد لغزشی

قادری, فاطمه; طلوعی, علیرضا; قاسمی, رضا

doi:10.30699/jtae.2023.7.4.2

کنترل آرایشمند بالگردهای بدون سرنشین به روش مد لغزشی

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

فاطمه قادری ¹

علیرضا طلوعی ²

رضا قاسمی ³

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده فناوریهای نوین و مهندسی هوافضا، شهید بهشتی، تهران، ایران

² دانشیار دانشکده فناوری های نوین و هوافضا، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

³ دانشیار، گروه مهندسی برق- کنترل، دانشکده فنی مهندسی ، دانشگاه قم، قم، ایران

10.30699/jtae.2023.7.4.2

چکیده

این مقاله باهدف کنترل پرواز گروهی بالگردهای بدون سرنشین تدوین شده است. متدولوژی حل شامل مدل‌سازی دینامیکی بالگرد، طراحی کنترل‌کننده و درنهایت طراحی کنترل شکل‌دهی است. پس از ارائه معادلات دینامیکی حاکم بر پرنده با استفاده از روش نیوتن اویلر به دلیل معماری ساده و توانایی جداسازی سیستم‌های چند متغیره غیرخطی برای کنترل موقعیت و وضعیت، کنترل وارون دینامیک بالگردها اعمال شده است، همچنین کنترل پیش‌بین توسعه‌یافته نیز برای کنترل موقعیت و وضعیت بالگرد بکار رفت و نتایج حاصل از شبیه‌سازی این دو کنترلر با هم مقایسه شد که نشان از عملکرد بهتر کنترل پیش‌بین داشت. ازاین‌رو در طراحی کنترل شکل‌دهی، کنترل مستقل بالگردها به روش پیش‌بین انجام شد. به‌منظور کنترل شکل‌دهی نیز از روش مبتنی بر مدل پیرو پیشرو استفاده شده است. برای کنترل دینامیک خطای شکل‌دهی نیز کنترل‌کننده‌ی مد لغزشی انتگرالی بکار رفته است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی موفقیت ردیابی با افزایش تعداد بالگردها و در مسیر خطی و مارپیچ را در فرمان‌های کنترلی را نشان داد.

کلیدواژه‌ها

بالگرد بی‌سرنشین

کنترل پیش‌بین

کنترل وارون دینامیک

کنترل مد لغزشی

کنترل شکل‌دهی

موضوعات

مکانیک پرواز/ناوبری/کنترل/...

عنوان مقاله English

Formation control of unmanned helicopters using the sliding mode controller method

نویسندگان English

Fatemeh Ghaderi ¹

Alireza Toloei ²

Reza Ghasemi ³

¹ PhD Student, Faculty of Modern Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti, Tehran, Iran

² Associate Professor, Faculty New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti. Tehran. Iran

³ Associate Professor, Department of Electrical Engineering University of Qom

چکیده English

This article aims to control the group flight of unmanned helicopters. After presenting the dynamic equations using the Newton-Euler method, the dynamic inversion control has been applied to control the position and attitude of helicopters. generalized predictive control was also used to control the position and attitude of the helicopter. And the results of the simulation of these two controllers were compared, which showed the better performance of the predictive control. Therefore, in the design of the formation control, the independent control of the helicopters was done using the predictive control method. To control the formation, the method based on the leader-follower model has been used, An integral sliding mode controller is also used to control the dynamics of the formation error. The results of the simulation showed the success of the tracking by increasing the number of helicopters and the linear and spiral paths in the control commands.

کلیدواژه‌ها English

Unmanned Helicopter

Predictive Control

Dynamic Inversion Control

Sliding Mode Control

Formation control

[1] F. Hadaegh and P. Wang, "Coordination and control of multiple microspacecraft moving in formation," 1996.

[2] V. Kapila, A. G. Sparks, J. M. Buffington, and Q. Yan, "Spacecraft formation flying: Dynamics and control," Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 23, no. 3, pp. 561-564, 2000.

doi: https://doi.org/10.2514/2.4567

[3] B. Wang, X. Dong, B. M. Chen, T. H. Lee, and S. K. Phang, "Formation flight of unmanned rotorcraft based on robust and perfect tracking approach," in 2012 american control conference (ACC), 2012, pp. 3284-3290: IEEE.

doi: 10.1109/ACC.2012.6315049

[4] M. Anderson and A. Robbins, "Formation flight as a cooperative game," in Guidance, navigation, and control conference and exhibit, 1998, p. 4124.

doi: https://doi.org/10.2514/6.1998-4124

[5] P. McDowell, J. Chen, and B. Bourgeois, "UUV teams, control from a biological perspective," in OCEANS'02 MTS/IEEE, 2002, vol. 1, pp. 331-337: IEEE.

doi:10.1109/OCEANS.2002.1193293

[6] M. A. Lewis and K.-H. Tan, "High precision formation control of mobile robots using virtual structures," Autonomous robots, vol. 4, pp. 387-403, 1997.

doi: https://doi.org/10.1023/A:1008814708459

[7] A. Toloei, M. Habibi Totekani, R. Ghasemi, and F. Ghaderi, "Formation control of multi-quadrotor using leader-follower method based on mliding mode," Aerospace Knowledge and Technology Journal, vol. 12, no. 1, pp. 63-77, 2023.

[8] P. Manouchehri, R. Ghasemi, and A. Toloei, "Distributed fuzzy adaptive sliding mode formation for nonlinear multi-quadrotor systems," International Journal of Engineering, vol. 33, no. 5, pp. 798-804, 2020.

doi: 10.5829/IJE.2020.33.05B.11

[9] M. Saffarian and F. Fahimi, "A novel leader-follower framework for control of helicopter formation," in 2007 IEEE Aerospace Conference, 2007, pp. 1-6: IEEE.

doi: 10.1109/AERO.2007.352757

[10] F. Fahimi, "Full formation control for autonomous helicopter groups," Robotica, vol. 26, no. 2, pp. 143-156, 2008.

doi: https://doi.org/10.1017/S0263574707003670

[11] Z. Wang, Y. He, and J. Han, "Multi-unmanned helicopter formation control on relative dynamics," in 2009 International Conference on Mechatronics and Automation, 2009, pp. 4381-4386: IEEE.

doi; 10.1109/ICMA.2009.5246619

[12] D. Wang, Q. Zong, and B. Zhang, "Distributed adaptive finite-time formation control of multiple UAV helicopter system," in 2018 37th Chinese Control Conference (CCC), 2018, pp. 2631-2636: IEEE.

doi: https://doi.org/10.22034/jtae.2022.145233.

[13] B. Mettler, Identification modeling and characteristics of miniature rotorcraft. Springer Science & Business Media, 2013.

[14] J. Gadewadikar, F. Lewis, K. Subbarao, and B. M. Chen, "Structured H-infinity command and control-loop design for unmanned helicopters," Journal of guidance, control, and dynamics, vol. 31, no. 4, pp. 1093-1102, 2008.

doi: https://doi.org/10.2514/1.31377

[15] A. Budiyono and S. S. Wibowo, "Optimal tracking controller design for a small scale helicopter," Journal of bionic engineering, vol. 4, no. 4, pp. 271-280, 2007.

doi: https://doi.org/10.1016/S1672-6529(07)60041-9

[16] J. Shin, K. Nonami, D. Fujiwara, and K. Hazawa, "Model-based optimal attitude and positioning control of small-scale unmanned helicopter," Robotica, vol. 23, no. 1, pp. 51-63, 2005.

doi: https://doi.org/10.1017/S026357470400092X

[17] J. Alvarenga, N. I. Vitzilaios, K. P. Valavanis, and M. J. Rutherford, "Survey of unmanned helicopter model-based navigation and control techniques," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 80, pp. 87-138, 2015. doi: https://doi.org/10.1007/s10846-014-0143-5

[18] B. Mettler, M. B. Tischler, and T. Kanade, "System identification of small-size unmanned helicopter dynamics," in Annual Forum Proceedings- American Helicopter Society, 1999, vol. 2, pp. 1706-1717: Citeseer.

[19] I. A. Raptis and K. P. Valavanis, Linear and nonlinear control of small-scale unmanned helicopters. Springer, 2011. doi: https://doi.org/10.1007/978-94-007-0023-9

[20] M. Lungu, Sisteme de conducere a zborului. Sitech, 2008.

[21] G. J. Ducard, Fault-tolerant flight control and guidance systems: Practical methods for small unmanned aerial vehicles. Springer Science & Business Media, 2009.

doi: 10.1007/978-1-84882-561-1

[22] C. Bordons, F. Garcia-Torres, and M. A. Ridao, Model predictive control of microgrids. New York: Springer, 1998.

doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-24570-2_3

[23] T. Oktay and C. Sultan, "Constrained predictive control of helicopters," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 85, no. 1, pp. 32-47, 2013.

doi: https://doi.org/10.1108/00022661311294021