فرود خودکار پهپاد با استفاده از روش کنترل‌کننده پیش بین

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا، دانشکده مهندسی و پرواز، دانشگاه امام علی(ع)، تهران، ایران

2 استادیار، مجتمع هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر ، تهران، ایران

3 استادیار، مجتمع هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

10.22044/jsfm.2025.14672.3873

چکیده

به دلیل تغییر شدید در پارامترهای آئرودینامیکی، مسئله کنترل حالت فرود بسیار پیچیده تر از پرواز در ارتفاع بالا خواهد شد. لذا از این دید مسئله نیازمند استفاده از یک الگوریتم کنترلی مقاوم در برابر تغییر پارامترها خواهد بود. از طرفی وجود موانع در مسیر فرود پرنده، قید دیگری است که باید در طراحی کنترل کننده مورد توجه واقع گردد. بدین ترتیب با توجه به موارد فوق، استفاده از کنترل کننده پیش بین برای حل مسئله ضروری است. این کنترل کننده به صورت ذاتی از مقاومت بالایی در برابر تغییر مدل برخوردار است. همچنین، در حالتی که از این کنترل کننده به صورت مقید استفاده شود، می توان با استفاده از آن موانع موجود در مسیر حرکت در حین فرود را دور زد. هدف این مقاله، کنترل سیستم برای فرود خودکار به وسیله کنترل پیش بین خطی مبتنی بر مدل است. دلیل استفاده از کنترل کننده پیش بین خطی ، وجود موانع در مسیر حرکت و برآورده سازی قیود موجود در محیط برای رفع موانع است. در نتیجه نهایی، این کنترل کننده به گونه ای طراحی شده است که تأثیر اغتشاشات خارجی بر روی پرنده به حداقل رسیده و همچنین پایدارى سیستم با ظهور نامعینی های مدل به مخاطره نیافتد. همچنین در این روش، اثر ناشی از تأخیر سیستم ناوبری خارجی در سیستم حلقه بسته لحاظ شده و پایدارى سیستم ضمانت گردیده است. نهایتاً طراحی کنترل کننده پیشنهادی برای مدل یک پرنده واقعی محاسبه شده و شبیه سازى عملکرد آن در حضور موانع، باد جانبی و طولی ارائه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]. Michel, N., et al., (2019) Design and flight experiments of a Tube-Based Model Predictive Controller for the AR. Drone 2.0 quadrotor. IFAC-PapersOnLine, 52: p. 112-117.
[2].Greatwood, C. and A.G. Richards, (2019) Reinforcement learning and model predictive control for robust embedded quadrotor guidance and control. Auton. Robots, 2019. 43: p. 1681-1693.
[3].Koo, S., S. Kim, and J. Suk, (2015) Model predictive control for UAV automatic landing on moving carrier deck with heave motion. IFAC-PapersOnLine, 48: p. 59-64.
[4].Huh, S. and D.H. Shim, (2010) A vision-based automatic landing method for fixed-wing UAVs. J. Intel.Robot. Sys.,,  (1) 57, p.217-231.
[5].  Kim, D., et al., A glidepath tracking algorithm for autolanding of a UAV, in Infotech@ Aerospace. 2005. p. 6979.
[6].  Blenkhorn, K. and S. O'Hara. (2007) Towards an inexpensive computer-vision based automated landing system for small unmanned aerial vehicles. in Enhanced and Synthetic Vision 2007. SPIE.
[7].  Najafi, M., S. Rahmanian, and B. (2018) Shirani, Design of an H∞-PID Controller for an UAV Auto-Landing System Based on External Navigation. Modares Mechanical Engineering,. 17:(11) p. 89-96.
[8].  Cho, A., et al., (2008) Fully automatic taxiing, takeoff and landing of a UAV based on a single-antenna GNSS receiver. IFAC Proceedings Volumes. 41(2): p. 4719-4724.
[9].  Lange, S., N. Sunderhauf, and P. Protzel. (2009) A vision based onboard approach for landing and position control of an autonomous multirotor UAV in GPS-denied environments. in 2009 International Conference on Advanced Robotics. IEEE.
[10]. Kim, H.J., et al., (2013) Fully autonomous vision-based net-recovery landing system for a fixed-wing UAV. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, 18(4): p. 1320-1333.
[11]. Joo, S., et al. (2008) Vision aided inertial navigation with measurement delay for fixed-wing unmanned aerial vehicle landing. in 2008 IEEE Aerospace Conference. IEEE.
[12]. Kong, W., et al. (2013) Autonomous landing of an UAV with a ground-based actuated infrared stereo vision system. in 2013 IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems. IEEE.
[13]. Masri, M.A., S. Dbeis, and M. Al Saba, (2017) Autolanding a power-off uav using on-line optimization and slip maneuvers. J. Intel. Robotic Sys., 86(2): p. 255-276.
[14]. Lee, C.-L. and J.-G. Juang. (2011) Aircraft landing control in wind shear condition. in 2011 International Conference on Machine Learning and Cybernetics. IEEE.
[15]. Etkin, B., (2012) Dynamics of atmospheric flight.: Courier Corporation.
[16]. Kabiri, M., M.B. Menhaj, and H. (2017) Atrainfar, Trajectory tracking of a VTOL aircraft with uncertainty and disturbances. Modares Mechanical Engineering, 17(8): p. 68-74.
[17]. Malekzadeh, M., B. Shahbazi, and H.R. Koofigar, (2015) Robust Control of spacecraft formation flying via virtual structure. Modares Mechanical Engineering, 15(8): p. 379-385.
[18]. Wagner, T. and J. Valasek. (2006) Digital autoland control laws using direct digital design and quantitative feedback theory. in AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit.
[19]. Gui, Y., et al., (2013) Airborne vision-based navigation method for UAV accuracy landing using infrared lamps. J. Intel. Rob. Sys., 72(2): p. 197-218.
[20]. Yakimenko, O.A., et al., (2002) Unmanned aircraft navigation for shipboard landing using infrared vision. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 38(4): p. 1181-1200.
[21]. Wang, J., et al., (2008) Integration of GPS/INS/vision sensors to navigate unmanned aerial vehicles. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 37(part B1): p. 963-969.
[22]. Shakernia, O., et al (1999)., Landing an unmanned air vehicle: Vision based motion estimation and nonlinear control. Asian J. cont., 1(3): p. 128-145.
[23]. Sharp, C.S., O. Shakernia, and S.S. Sastry. (2001) A vision system for landing an unmanned aerial vehicle. in Proceedings ICRA. IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No. 01CH37164). Ieee.
[24]. Weiss, S., D. Scaramuzza, and R. Siegwart, (2011) Monocular‐SLAM–based navigation for autonomous micro helicopters in GPS‐denied environments. J. Field Robot., 28(6): p. 854-874.
[25]. Shue, S.-P. and R.K. Agarwal, (1999) Design of automatic landing systems using mixed h/h control. J. Guidance, Control, and Dynamics, 22(1): p. 103-114.
[26]. Allgöwer, F. and A. Zheng, (2012) Nonlinear model predictive control. Vol. 26. Birkhäuser.
[27]. Camacho, E.F. and C.B. Alba, (2013) Model predictive control. Springer science & business media.
[28]. Feng, Y., et al., (2018) Autonomous landing of a UAV on a moving platform using model predictive control. Drones, 2(4): p. 34.
[29]. Macés-Hernández, J.A., F. Defaÿ, and C. Chauffaut. (2017) Autonomous landing of an UAV on a moving platform using Model Predictive Control. in 2017 11th Asian Control Conference (ASCC).. IEEE.
[30]. امینی، سمانه و اکبری، علی اکبر،1394،مدل سازی دینامیکی و کنترل غیرخطی دینامیک طولی پهپاد بال ثابت توسط کنترلگر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیک،همایش یافته های نوین در هوافضا ،تهران