Построение и стабилизация траекторий пространственного движения квадрокоптера

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается задача стабилизации программных траекторий пространственного движения квадрокоптера как твердого тела. Для синтеза стабилизирующего управления используется метод линеаризации обратной связью по состоянию. Программная траектория строится для трех координат пространственного движения центра масс квадрокоптера и его вращательного движения по углу рысканья на основе полиномов третьего порядка, зависящих от времени, с учетом ограничений на координаты, скорости и ускорения в течение всего процесса движения. Работоспособность предложенного закона управления проверена при помощи численного моделирования и экспериментально на квадрокоптере Parrot Mambo с помощью пакета MATLAB/Simulink.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Е. Голубев

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Автор, ответственный за переписку.
Email: v-algolu@hotmail.com
Россия, Москва

А. А. Хорошева

МФТИ

Email: khorohevaann@gmail.com
Россия, Москва

С. А. Васенин

МФТИ

Email: stepan_vasenin@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Madani T., Benallegue A. Backstepping Control for a Quadrotor Helicopter// IEEE/RSJ International Conf. on Intelligent Robots and Systems. Beijing, 2006. P. 3255–3260.
  2. Xu R., Ozguner U. Sliding Mode Control of a Quadrotor Helicopter // Proc. 45th IEEE Conf. on Decision and Control. San Diego, 2006. P. 4957–4962.
  3. Tartaglione G., D’Amato E., Ariola M., SalvoRossi P., Johansen T.A. Model Predictive Control for a Multi-body Slung-load System // Robot. Autonomous Syst. 2007. V. 92. P. 1–11.
  4. Adigbli P., Grand C., Mouret J.-B., Doncieux S. Nonlinear Attitude and Position Control of a Micro Quadrotor using Sliding Mode and Backstepping Techniques // 3rd US–European Competition and Workshop on Micro Air Vehicle Systems (MAV07) & European Micro Air Vehicle Conf. and Flight Competition (EMAV2007). Toulouse. France, 2007.
  5. Fang Z., Zhi Z., Jun L., Jian W. Feedback Linearization and Continuous Sliding Mode Control for a Quadrotor UAV // 27th Chinese Control Conf. Kunming. China, 2008. P. 349–353.
  6. Das A., Lewis F., Subbarao K. Backstepping Approach for Controlling a Quadrotor Using Lagrange Form Dynamics // J. Intell. Robot. Syst. 2009.V. 56. P. 127–151.
  7. Lee D., Jin Kim H., Sastry S. Feedback Linearization vs. Adaptive Sliding Mode Control for Aquadrotor Helicopter // International J. of Control, Automation and Systems. 2009. V. 7 (3). P. 419–428.
  8. Jafari H., Zareh M., Roshanian J., Nikkhah A. An Optimal Guidance Law Applied to Quadrotor Using LQR Method // Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 2010. V. 53 (179). P. 32 – 39.
  9. Zhou Q.-L., Zhang Y., Rabbath C.-A., Theilliol D. Design of Feedback Linearization Control and Reconfigurable Control Allocation with Application to a Quadrotor UAV // Conf. on Control and Fault-Tolerant Systems. Nice. France, 2010. P. 371–376.
  10. Luukkonen T. Modelling and Control of Quadcopter. 2011. https://sal.aalto.fi/publications/pdf files/eluu11_public.pdf
  11. Mukherjee P., Waslander S. Direct Adaptive Feedback Linearization for Quadrotor Control // Control Conf., American Institute of Aeronautics and Astronautics. Minneapolis. Minnesota, 2012. https://doi.org/10.2514/6.2012-4917
  12. Пыркин А.А., Мальцева Т.А., Лабадин Д.В., Суров М.О., Бобцов А.А. Синтез системы управления квадрокоптером с использованием упрощенной математической модели // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56. № 4. С. 47–51.
  13. Ghandour J., Aberkane S., Ponsart J.-C. Feedback Linearization approach for Standard and Fault Tolerant Control: Application to a Quadrotor UAVTestbed // J. of Physics Conference Series. 2014. V. 570 (8) P. 082003.
  14. Gavilan F., Vazquez R., Camacho E. F. An Iterative Model Predictive Control Algorithm for UAV Guidance // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2015. V. 51. P. 2406–2419.
  15. Park J., Kim Y., Kim S. Landing Site Searching and Selection Algorithm Development Using Vision System and its Application to Quadrotor // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2015. V. 23 (2). P. 488–503.
  16. Dolatabadi S.H., Yazdanpanah M.J. MIMO Sliding Mode and Backstepping Control for a Quadrotor UAV // 23rd Iranian Conf. on Electrical Engineering (ICEE). Tehran. Iran, 2015. P. 994–999.
  17. Choi Y.-C., Ahn H.-S. Nonlinear Control of Quadrotor for Point Tracking: Actual Implementation and Experimental Tests // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2015. V. 20 (3). P. 1179–1192.
  18. Yao P., Wang H., Ji H. Multi-UAVs Tracking Target in Urban Environment by Model Predictive Control and Improved Grey Wolf Optimizer // Aerosp. Sci. Technol. 2016. V. 55. P. 131–143.
  19. Глазков Т.В., Голубев А.Е. Отслеживание программного изменения углового положения квадрокоптера // Математика и математическое моделирование. 2017. № 5. C. 14–28.
  20. Kurak S., Hodzic M. Control and Estimation of a Quadcopter Dynamical Model // Periodicals of Engineering and Natural Sciences. 2018. V. 6(1). P. 63–75.
  21. Glazkov T.V., Golubev A.E., Gorbunov A.V., Krishchenko A.P. Control of Quadcopter Motion in the Horizontal Plane // AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2116. P. 380003-1–380003-4.
  22. Setyawan G.E., Kurniawan W., Gaol A.C.L. Linear Quadratic Regulator Controller (LQR) for AR. Drone’s Safe Landing // Intern. Conf. on Sustainable Information Engineering and Technology (SIET). Lombok, Indonesia, 2019. P. 228–233.
  23. Glazkov T.V., Golubev A.E. Using Simulink Support Package for Parrot Minidrones in Nonlinear Control Education // AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2195. P. 020007-1–020007-7.
  24. Golubev A.E., Nay Thway, Gorbunov A.V., Krishchenko A.P., Utkina N.V. Construction of Quadrocopter Programmed Motion in a Flat Labyrinth // AIP Conference Proceedings. 2019. V. 2116. P. 380004-11–380004-4.
  25. Sahrir N.H., Basri A. Modelling and Manual Tuning PID Control of Quadcopter // Control, Instrumentation and Mechatronics: Theory and Practice. Lecture Notes in Electrical Engineering. V. 921. Singapore: Springer, 2022. https://doi.org/10.1007/978-981-19-3923-5_30
  26. Fliess M., Lévine J., Martin P., Rouchon P. A Lie-Backlund Approach to Equivalence and Flatness of Nonlinear Systems // IEEE Trans. Autom. Control. 1999. V. 44 (5). P. 922–937.
  27. Голубев А.Е. Построение программных движений механических систем с учетом ограничений при помощи многочленов третьего порядка // Изв. РАН. ТиСУ. 2021. № 2. C. 126–137.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное представление программной траектории по координате  (сплошная линия), включая дополнительные промежуточные точки.

Скачать (69KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Движение центра масс аппарата по координате x: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (105KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Скорость  движения центра масс по координате x: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (118KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Движение центра масс аппарата по координате y: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (109KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Скорость  движения центра масс по координате  y: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (116KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Движение центра масс аппарата по координате z: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (100KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Скорость  движения центра масс по координате z: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (118KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Вращательное движение по углу рысканья ψ: программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (107KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Угловая скорость : программная траектория (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (205KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Вращательное движение по углу тангажа θ: стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (139KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Угловая скорость : стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (154KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Вращательное движение по углу крена φ: стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (127KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Угловая скорость : стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (128KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Программная траектория движения центра масс аппарата в пространстве (пунктирная линия), стабилизация (штриховая линия) и эксперимент (сплошная линия).

Скачать (129KB)
Метаданные
16. Приложение
Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025