Projektowanie praw sterowania lotem grupowym bezzałogowych aparatów latających

• Autorzy: Ambroziak L. , Gosiewski Z.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2014.2

Warianty tytułu

EN

Formation flight control laws development for unmanned aerial vehicles

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Bezzałogowe aparaty latające (BAL) są obecnie wykorzystywane przez człowieka do różnorodnych zadań militarnych i cywilnych. Możemy tutaj wymienić m. in. zadania takie jak zwiad i rozpoznanie nad terytorium wroga, ocena szkód po działaniach wojennych, kontrolowanie ruchu ulicznego, patrolowanie granic państwa, monitorowanie upraw rolniczych, zliczanie dzikiej zwierzyny na dużych obszarach leśnych oraz wiele innych. Wszystkie te zadania mogą zostać wykonane szybciej i efektywniej przez grupę BAL połączonych wspólnym prawem sterowania. Implementacja praw sterowania lotem grupowym powinna być poprzedzona wnikliwą analizą tworzonego algorytmu sterowania oraz jego licznymi badaniami symulacyjnymi pozwalającymi na weryfikację proponowanego podejścia. W artykule przedstawiono problem sterowania lotem grupowy BAL. Zaprezentowano opracowaną metodę sterowania lotem grupowym BAL opartą o układ Leader/Follower. W oparciu o założony model dynamiki pojedynczego obiektu (mikro-samolotu) zbudowano model symulacyjny w środowisku Matlab/Simulink z użyciem przyborników Control, Flight Dynamics and Control oraz Aerospace. Pokazane zostały matematyczne podstawy tej metody oraz zaprezentowano proces projektowania praw sterowania grupą BAL. Następnie dokonano weryfikacji zaprojektowanych praw sterowania. Przeprowadzono szereg badań symulacyjnych a ich wyniki zaprezentowano w formie wykresów przedstawiających przebiegi czasowe parametrów nawigacyjnych Leader’a oraz Follower’a (prędkość, kierunek, wysokość, tor lotu, profil lotu). Uzyskane wyniki pozwalają ocenić słuszność przyjętego procesu projektowania praw sterowania oraz ich efektywność a także możliwość implementacji na komputerze pokładowym mikro-samolotu.

EN

Unmanned flying machines (UFM) are currently used by people for a variety of military and civilian tasks. For example, here can be mentioned such tasks as reconnaissance and exploration of the territory of the enemy, damage assessment after the hostilities, traffic control, patrolling the country borders, monitoring of agricultural crops, counting wild animals over large areas of forest and many others. All these tasks can be performed faster and more efficiently by a UFM formation together with a common control law. Implementation of control laws of formation flight should be preceded by a thorough analysis of the created control algorithm, and simulation study that allows to verify the proposed approach. The article presents the problem of flight control of UFM formation. The developed method of the flight control of UFM formation flight based on the Leader/Follower configuration is presented. Based on the established model of the dynamics of a single object (micro-aircraft) the simulation model was built in Matlab/Simulink environment using Control, Flight Dynamics and Control, and Aerospace toolboxes. The mathematical basis of this method and the designing process of UFM formation control laws have been presented. Then, a verification of designed control laws has been done. A series of simulation tests and their results are presented in the form of charts showing waveforms of both Leader’s and Follower's navigational parameters (speed, direction, altitude, flight path, flight profile). The obtained results allow to evaluate correctly the accepted design process of control laws and its effectiveness and the ability to implement on the on-board computer of the micro-plane.

Słowa kluczowe

PL

bezzałogowe aparaty latające; sterowanie lotem; parametry nawigacyjne

EN

unmanned flying machines; flight control; navigation parameters

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika
• Rocznik: 2014
• Tom: z. 86 [290], nr 1
• Strony: 17--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Ambroziak L.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45C, 15-351 Białystok

autor

Gosiewski Z.

• Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45C, 15-351 Białystok

Bibliografia

• 1. Giulietti F., Pollini L., Innocenti M.: Autonomous Formation Flight, IEEE Control System Magazine, 20 (2000) 34-44.
• 2. Wan S., Campa G., Napolitano M.R., Seanor B., Gu Y.: Design of formation control laws for research aircraft models, AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Austin, USA 2003, AIAA article number 2003-5730.
• 3. Gingras D.R., Player J.L., and Blake W.B.: Static and dynamic wind tunnel testing of air vehicles in close proximity, AIAA Paper 2001-4137, 2001.
• 4. Ray R.J., Cobliegh B.R., Vachon M J., Clinton St. J.: Flight test techniques used to evaluate performance benefits during formation flight, NASA/TP-2002-210730, 2002.
• 5. Iglesias S., Mason W. H.: Optimum spanloads in formation flight, AIAA Paper 2002-0258, 2002.
• 6. Scharaf D.P., Hadaeg F.Y., Ploen S.R.: A Survey of space craft formation flying guidance and control (Part II): Control, Proc. American Control Conference, Boston 2004.
• 7. McCammish S., Pachter M., D’Azzo J. J., Reyna V.: Optimal formation flight control, AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, 1996.
• 8. Boskovic J.D., Sun Z., Song Y.D., An adaptive reconfigurable formation flight control design, Proc. American Control Conference, Ohio 2003, pp. 284-289.
• 9. Li B., Liao X.H., Sun Z., Li Y., Song Y.D.: Robust autopilot for close formation flight of multi-UAVs, system theory, Proc. 38th Southeastern Symposium, Cookeville 2006, pp. 258-262
• 10. Schumacher C.J., Singh S.N.: Nonlinear control of multiple UAVs in close-coupled formation flight, AIAA paper, 2000.
• 11. Kondratiuk M.: The simulation research on aerodynamic characteristics of the micro delta wing UAV with mechanical barriers located near edges of attack (in Polish), Acta Mech. Automatica, 4 (2010) 54-59.
• 12. Ambroziak L., Gosiewski Z., Kondratiuk M.: Aerodynamics characteristics identification of micro air vehicle (in Polish), Trans. Institute Aviation, 216 (2011) 17-29.
• 13. Mystkowski A., Robust control of micro UAV dynamics with an autopilot, J. Theor. Appl. Mech., 51 (2013) 751-761.
• 14. Knoebel N.B., Osborne S.R., Matthews J.S., Eldredge A.M., Beard R.W.: Computationally simple model reference adaptive control for miniature air vehicles, Proc. American Control Conference, Minneapolis, Minesota 2006, pp. 5978-5983.
• 15. Kaniewski P.: Struktury, modele i algorytmy w zintegrowanych systemach pozycjonujących i nawigacyjnych, Wyd. WAT, Warszawa 2010.
• 16. Control System Toolbox User’s Guide 2013b Mathworks.
• 17. FDC 1.2 - A Simulink Toolbox for Flight Dynamic and Control Analysis, 2001.
• 18. Aerospace Blockset for use with Simulink User’s Guide 2013b Mathworks.