An unmanned aircraft model for control system reconfiguration analysis and synthesis

• Autorzy: Żugaj M. , Bibik P. , Figat M.

Warianty tytułu

PL

Model samolotu bezzałogowego dla analizy i syntezy rekonfiguracji układu sterowania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Reliability of unmanned aircraft is a decisive factor for conducting air tasks in a controlled airspace. One of the means of improving unmanned aircraft reliability is reconfiguration of the control system, which will allow to maintain control over the aircraft despite an occurring failure. The control system is reconfigured by using still operational control surfaces to compensate for failure consequences and to control the damaged aircraft. Development of effective reconfiguration algorithms involves utilization of a non-linear model of unmanned aircraft dynamics, in which each control surface deflection can be controlled independently. The paper describes anon-linear model of a small unmanned aircraft with decoupled control surfaces. The paper discusses aircraft flight dynamics equations and estimated equations for controllability derivatives for each control surface, the results of comparison tests of the model and actual aircraft as well as the structure of the simulation model. The developed unmanned aircraft model may be used in development and in optimization of control algorithms for aircraft with damaged control systems as well as to test the impact of failures on dynamic properties of the aircraft.

PL

Niezawodność samolotów bezzałogowych jest czynnikiem decydującym o możliwości wykonywania zadań lotniczych w: kontrolowanej przestrzeni powietrznej. Jedną z metod zwiększenia niezawodności samolotów bezzałogowych jest rekonfiguracja układu sterowania., która umożliwia sterowanie samolotem pomimo powstałej awarii. Rekonfiguracja systemu sterowania polega na wykorzystaniu sprawnych powierzchni sterowych do kompensacji skutków awarii oraz sterowania uszkodzonym samolotem. Opracowanie efektywnych algorytmów rekonfiguracji wymaga wykorzystania nieliniowego modelu dynamiki samolotu bezzałogowego, w którym możliwe jest niezależne sterowanie wychyleniem każdej powierzchni sterowej. W pracy przedstawiono nieliniowy model małego samolotu bezzałogowego o rozprzężonych powierzchniach sterowych. Przestawiono równania dynamiki samolotu oraz oszacowane równania pochodnych sterowności dla każdej z powierzchni sterowych, wyniki testów porównawczych modelu i rzeczywistego samolotu oraz strukturę modelu symulacyjnego. Opracowany model samolotu bezzałogowego może być wykorzystany do opracowania oraz optymalizacji algorytmów sterowania samolotem z uszkodzonym systemem sterowania, oraz badania wpływu awarii na właściwości dynamiczne samolotu.

Słowa kluczowe

EN

flight dynamics; control; reconfiguration

PL

dynamika lotu; sterowanie; rekonfiguracja

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 2 (247)
• Strony: 97--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., schem., wykr., wzory

Twórcy

autor

Żugaj M.

• Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa. Politechnika Warszawska (Division of Automation and Aeronautical Systems, Faculty ofPower and Aeronautical Engineering, Warsaw University of Technology), ul. Nowowiejska 24.00-665 Warsaw

autor

Bibik P.

• Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa. Politechnika Warszawska (Division of Automation and Aeronautical Systems, Faculty ofPower and Aeronautical Engineering, Warsaw University of Technology), ul. Nowowiejska 24.00-665 Warsaw

autor

Figat M.

• Zakład Samolotów i Śmigłowców, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Politechnika Warszawska (Division of Aeroplanes and Helicopters. Faculty of Power and Aeronautical Engineering, Warsaw University of Technology), ul. Nowowiejska 24,00-665 Warsaw

Bibliografia

• [1] Goetzendorf-Grabowski, T., Frydrychewicz, A., Goraj, Z., et al., 2006: „MALE UAV design of an increased reliability level," Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, vol. 78, No. 3, pp. 226-235.
• [2] Lin, X., Fulton, N., and Horn, M., 2014, "Quantification of high level safety criteria for civil unmanned aircraft systems,” Proceedings of IEEE Aerospace Conference. Big Sky, pp. 1-13.
• [3] Loh, R., Bian, Y., and Roe, T., 2009 "UAVs in civil airspace: Safety requirements," IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 24, January, pp. 5-17.
• [4] Goraj, Z., 2014, "A specialized UAV for surveillance in windy, turbulent environment of the Antarctic coast," Proceedings of the 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences VolI-VI, Curran Associates. Inc., pp. 1-13.
• [5] Goraj, Z., Ransom, P., Wagstaff, P., 2002, "From Specification & Design Layout to Control Law Development for Unmanned Aerial Vehicles - Lessons Learned from Past Experience," Proceedings of European Workshop on Aircraft Design Education, Institute of Technology Linkopings Universitet, pp. 17-21.
• [6] Steinberg, M, 2005, "A historical overview of research in reconfigurable flight control,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 219, April, pp. 263-275.
• [7] Kozak. V, Shevchuk, D., Vovk, V, and Levchenko, M, 2014, "Automation of aircraft control reconfiguration in flight special situations." Proceedings ofIEEE 3rd International Conference on Methods and Systems of Navigation and Motion Control, Kiev, pp. 14-17.
• [8] Yang. Z., Hua, S., Hongzhuan, Q., and Chengrui, L., 2010, "Control reconfigurability of nonlinear system based on control redundancy," 10th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), Beijing, pp. 815-820.
• [9] Burcham, B., 1997, "Landing safely when flight controls fail." Aerospace America, pp. 20-23.
• [10] Zugaj, M., Bibik, P., and Jacewicz, M, 2016, "UAV aircraft model for control system failures analysis”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, vol. 54, No. 4, pp. 1405-1415.
• [11] Cooper, G., and Harper, R., 1969, The Use of Pilot Rating in the Evaluation of Aircraft Handling Qualities" Technical Report TN D-5153, NASA Ames Research Center, Moffet Field, CA, USA.
• [12] Nizioł, J., 2005, Dynamika układów mechanicznych (Dynamics of mechanical systems), Komitet Mechaniki PAN (Mechanics Committee of PAN). Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk (Institute of Fundamental Technological Problems of the Polish Academy of Sciences), Warsaw.
• [13] Goraj, Z., 2014, ''Flight dynamics models used in different national and internationals projects", Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Volume: 86 Issue: 3.
• [14] Zugaj, M., and Narkiewicz, J., 2009, "Autopilot for reconfigurable flight control system",ASCE Journal of Aerospace Engineering, vol. 22, January, pp. 78-84.
• [15] PN-ISO 1152-1:2014, chapter 1.8.3.2.
• [16] Figat, M, Goetzendorf-Grabow:ski, T, Goraj, Z., 2005, "Aerodynamic calculation of unmanned aircraft," Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 77, No. 6, pp. 467-474.
• [17] Goetzendorf-Grabowski. T., and Figat, M, "Aerodynamic and stability analysis of personal vehicle in tandem-wing configuration." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G-Journal of Aerospace Engineering, SAGE Publications, vol. on-line, 2016, ss. 1-17.
• [18] Analytical Methods a Division of Stark Aerospace, Inc., from http://www.ami.aero/software- computing/amis-computational-fluid-dynamics-tools/mgaero/
• [19] XFLR5, from http://waw.xflr5.com/xflr5.htm
• [20] XFOIL, Subsonic Airfoil Development System, from http://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/
• [21] Goraj, Z., and Cichocka, E., 2016 „Influence of weak and strong gyroscopic effects on light aircraft dynamics," Aircraft Engineering and Aerospace Technology,"Vol. 88 Issue: 5, pp. 613-622.
• [22] Jategaonkar, R., V., 2006, Flight Vehicle System Identification, A Time Domain Methodology, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virginia.
• [23] Yechout, T., R., 2003, Introduction to Aircraft Flight Mechanics: Performance, Static Stability, Dynamic Stability, and Classical Feedback Control. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virginia.
• [24] Bibik, P., Zasuwa, M., and Żugaj, M., 2013, "Research and training simulator of unmanned quadrotor", 18th IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics, Międzyzdroje, pp. 403-407.

Uwagi

EN

The paper was drafted within the cope of the PBS2/B6/19/2013 project financed by the Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (National Center for Research and Development) between 2013 and 2016

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).