فناوری در مهندسی هوافضا

فناوری در مهندسی هوافضا

هدایت و کنترل یکپارچه پهبادهای انتحاری با استفاده از کنترل مود لغزشی پیوسته مرتبه بالا تطبیقی

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان
1 دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
این مقاله به طراحی و ارزیابی یک ساختار هدایت و کنترل یکپارچه (IGC) برای پهپادهای انتحاری در فضای سه‌بعدی می‌پردازد. چالش اصلی در این حوزه، تضمین همگرایی سریع نرخ خط دید به صفر در حضور دینامیک‌های غیرخطی کوپل‌شده، عدم قطعیت‌های پارامتری و اغتشاشات خارجی است. برای پاسخ به این چالش، یک قانون کنترل مبتنی بر مود لغزشی پیوسته مرتبه بالا تطبیقی (ACHOSMC) پیشنهاد گردیده است. مزیت اصلی این روش، تولید سیگنال کنترلی نرم و پیوسته است که پدیده مخرب چترینگ را حذف کرده و از اشباع عملگرها جلوگیری می‌کند. نوآوری محوری این تحقیق، توسعه یک قانون تطبیقی است که پارامتر کلیدی کنترل‌کننده را به صورت آنلاین تنظیم می‌کند. این مکانیزم تطبیقی، نیاز به دانش پیشین از کران عدم قطعیت‌ها را مرتفع ساخته و مقاومت و عملکرد سیستم را در شرایط عملیاتی متغیر به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. عملکرد کنترل‌کننده پیشنهادی از طریق شبیه‌سازی‌های جامع با یک کنترل‌کننده PID به عنوان معیار پایه و یک کنترل‌کننده مود لغزشی مرتبه بالا غیرتطبیقی (CHOSMC) جهت سنجش اثربخشی قانون تطبیقی، مقایسه شده است. نتایج کمی برتری مطلق روش ACHOSMC را اثبات می‌کنند؛ این کنترل‌کننده با ثبت زمان برخورد ۱۰.۸ ثانیه و فاصله رهگیری ۷۵۰ متر، به ترتیب کاهشی ۷۰ و ۷۸ درصدی را نسبت به CHOSMC نشان می‌دهد. این دستاورد، قابلیت بالای روش پیشنهادی را برای کاربردهای نظامی و دفاعی که نیازمند رهگیری سریع، دقیق و مقاوم هستند، به وضوح به نمایش می‌گذارد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Integrated Guidance and Control of Suicide UCAV Using Adaptive Higher-Order Continuous Sliding Mode Control

نویسندگان English

Mohamad Mahdi Soori 1
seyed hosein Sadati 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

This article presents an integrated guidance and control (IGC) framework for suicide UAVs operating in three-dimensional environments. By unifying the guidance and control subsystems, the IGC architecture effectively addresses the system’s coupled, nonlinear dynamics to improve overall mission performance. The main challenge is to develop a control strategy that is robust against aerodynamic uncertainties and external disturbances while ensuring fast terminal engagement and a smooth, chatter-free control action. To meet these requirements, we propose an adaptive continuous higher-order sliding mode controller (ACHOSMC). The controller’s higher-order design intrinsically eliminates the detrimental chattering effect, protecting the actuators by delivering a continuous command signal. The core contribution of this work lies in a novel adaptive law that dynamically adjusts the primary controller gain online. This mechanism removes the need for pre-defined uncertainty bounds, empowering the system with self-tuning capabilities to adapt to varying operational conditions. The proposed ACHOSMC is rigorously evaluated against a conventional PID controller and a non-adaptive continuous higher-order sliding mode controller (CHOSMC). Simulation results confirm the outstanding performance of the ACHOSMC, which achieves mission completion in just 10.8 seconds at a range of 750 meters, representing a 70% reduction in engagement time compared to its non-adaptive counterpart. This rapid interception capability drastically reduces the target’s window for evasive maneuvers. Moreover, the controller demonstrates exceptional precision, attaining a final miss distance of only 5 centimeters. These results underscore the proposed controller’s potential as a highly effective and resilient solution for critical defense applications demanding superior speed and accuracy.

کلیدواژه‌ها English

UCAV
sliding mode controller
integrated guidance and control
Adaptive control-target
[1] S. Modali, S. Ghosh, and S. P.B., "Sliding mode-based guidance for UAV landing on a stationary or moving ground vehicle, IFAC-PapersOnLine, vol. 53, no. 1, pp. 453-458, 2020, https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2020.06.076.
[2] S. Hosseini Sani and E. Kakavand, "Online sliding mode-based integrated guidance and control system for a quadcopter uav in the presence of unknown obstacles," Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Electrical Engineering, vol. 47, no. 1, pp. 193-201, 2023, https://doi.org/10.1007/s40998-022-00537-x.
[3] H. Zhao, J. Zhao, and P. Chen, "Sliding mode guidance law for a receiver UAV in the rendezvous phase of autonomous aerial refueling, in Third International Conference on Computer Science and Communication Technology (ICCSCT 2022), Beijing, China, 2022, vol. 12506, pp. 1383-1388, SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2661980.
[4] T. Khaled and M. Boumehraz, "|Adaptive sliding mode controller and observer for altitude and attitude control of a quadrotor, arXiv:2308.00572, 2023, https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.00572.
[5] A. J. Peixoto, W.G. Serrantola, and F. Lizarralde, "Dynamic smooth sliding control applied to uav trajectory tracking," IEEE Access, vol. 12, pp. 44306-44324, 2024, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3380918.
[6] J. Kuang and M. Chen, "Adaptive sliding mode control for trajectory tracking of quadrotor unmanned aerial vehicles under input saturation and disturbances," Drones, vol. 8, no. 11, 2024. Art. no. 614, https://doi.org/10.3390/drones8110614.
[7] M. T. Nguyen, V. Truong, M. Duong Phung, and V. Hoa Doan, "Adaptive twisting sliding control for integrated attack uav's autopilot and guidance," arXiv:2501.09937, 2025, https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.09937.
[8] Y. Hou, D. Chen, and S. Yang, "Adaptive robust trajectory tracking controller for a quadrotor UAV with uncertain environment parameters based on backstepping sliding mode method," IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol. 22, pp. 4446-4456, 2023, https://doi.org/10.1109/TASE.2023.3324434.
[9] M. M. Soori and S. H. Sadati, "Application of adaptive higher-order continuous sliding mode hybrid controller with neural network in defensive missiles," Journal of Technology in Aerospace Engineering, vol. 9, no. 3, pp 73-84, 2025, https://doi.org/10.22034/jtae.2025.9.3.5.
[10] M. Z. Hou and G.-R. Duan, "Robust adaptive dynamic surface control of uncertain nonlinear systems," International Journal of Control, Automation and Systems, vol. 9, no. 1, pp. 161-168, 2011, https://doi.org/10.1007/s12555-011-0121-7.
[11] H. Zhou, H. Zhao, H. Huang, and X. Zhao, "Integrated guidance and control design of the suicide UCAV for terminal attack," Journal of Systems Engineering and Electronics, vol. 28, no. 3, pp. 546-555, 2017, https://doi.org/10.21629/JSEE.2017.03.14
[12] M. Cross, Missile interceptor integrated guidance and control: single-loop higher-order sliding mode approach, Ph.D. dissertation, The University of Alabama in Huntsville. 2020.
 
 
دوره 10، شماره 3
پاییز 1405
صفحه 85-103

  • تاریخ دریافت 26 خرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 11 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 29 بهمن 1404
  • تاریخ اولین انتشار 01 مهر 1405