نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

طراحی یکپارچه هدایت و کنترل غیرخطی مقاوم پرنده بال‌ثابت دم‌نشین تک‌روتور جهت ردیابی مسیر و پرواز ایستا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشگاه صنعتی مالک اشتر
10.22060/mej.2026.24640.7890
چکیده
کنترل پهپادهای دم‌نشین تک‌موتوره به دلیل دینامیک غیرخطی، کوپلینگ آیرودینامیکی محورها و بروز تکینگی در زوایای نزدیک به ۹۰ درجه، با چالش‌های اساسی مواجه است. مقاله حاضر، یک استراتژی هدایت و کنترل یکپارچه و مقاوم برای پرواز ایستایی و ردیابی مسیر سه‌بعدی این پرنده‌ها ارائه می‌دهد. جهت غلبه بر این چالش‌ها، یک معماری کنترلی هیبریدی بر پایه مدل‌سازی شش درجه‌آزادی توسعه یافته است. در این معماری، حلقه بیرونی (کنترل موقعیت) از فرمولاسیون برداری مبتنی بر کواترنیون بهره می‌برد تا محدودیت‌های تکینگی زوایای اویلر را مرتفع سازد. برای حلقه درونی (کنترل وضعیت)، کنترل‌ وارون دینامیک غیرخطی افزایشی به کار گرفته شده است. این الگوریتم با استفاده از بازخورد شتاب زاویه‌ای، وابستگی به مدل‌های تحلیلی پیچیده را کاهش داده و مقاومت سیستم را در برابر عدم‌قطعیت‌ها تضمین می‌کند. تخصیص فرامین کنترلی بین سطوح آیرودینامیکی و سیستم کنترل پیشران ملخ نیز از طریق الگوریتم حداقل مربعات وزن‌دار با جریمه‌های متغیر بلادرنگ انجام می‌پذیرد. افزون بر این، تکنیک فیلتر دستورات جهت مهار نویزهای سنسوری و جلوگیری از اشباع عملگرها در ساختار کنترلی تعبیه شده است. ارزیابی عملکرد سیستم از طریق شبیه‌سازی عددی در حضور عدم‌قطعیت‌های شدید پارامتریک (۳۰٪ خطای مدل‌سازی) و اغتشاشات متغیر جوی (باد درایدن) انجام گرفته است. مقایسه نتایج با روش وارون دینامیک کلاسیک، برتری چشمگیر استراتژی پیشنهادی را در دفع قوی اغتشاشات، حذف نوسانات فرکانس‌بالای عملگرها و تضمین انتقال نرم و پایدار پرنده نشان می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design of a Nonlinear Control System for a Single-Engine Tailed Fixed-Wing UAV in Hover

نویسندگان English

Mohsen Sohrab
Seyed Hosein Sadati
Mostafa Khazaie
Malek-Ashtar University of Technology
چکیده English

This paper presents an operational approach for controlling a single-engine tailed UAV in the hover phase. Tailed UAVs face various challenges, and this study addresses one specific issue: achieving and maintaining the final position in hover under uncertainty. To this end, a six-degree-of-freedom dynamic model of the UAV is first developed, followed by the design of a position-holding control strategy in hover using the dynamic inversion method. The control algorithm is implemented through a three-time-scale decomposition, comprising high-, medium-, and low-frequency components. For UAVs in the Flexrotor class, various uncertainties, such as wind shear disturbances and transitional maneuvers with large control inputs, can affect controller performance and potentially saturate actuators. To address this, the PCH2 control method is employed to prevent actuator saturation and mitigate interactions among control loops. This algorithm is essential for UAVs of this class due to their multiple flight phases, which may involve rapid maneuvers and large control inputs. The effectiveness of the proposed method is demonstrated through numerical simulations of position acquisition and the subsequent maintenance of the final position under uncertainty and discrete wind disturbances.

کلیدواژه‌ها English

Six-degree-of-freedom nonlinear model
Nonlinear dynamic inversion controller
Single-engine tailed fixed-wing UAV
Hover flight phase
Discrete wind uncertainty

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مهر 1405