Синтез комбинированного управления ориентацией и высотой квадрокоптера на основе блочного подхода с сигмовидными обратными связями
Ключевые слова:
беспилотный летательный аппарат, внешние возмущения, комбинированное управление, блочный подход, гиперболический тангенсАннотация
В работе рассматривается проблема управления ориентацией и высотой квадрокоптера при наличии неопределенностей в модели объекта. При решении данной проблемы особенно актуально учитывать особенности объекта: сильную подверженность колебаниям крена, тангажа и высоты из-за конструкции квадрокоптера и динамики моторов (при этом рыскание наименее подвержено колебаниям из-за динамики моторов по сравнению с другими регулируемыми переменными). Для достижения высокого качества регулирования при наличии неопределенностей, как правило, применяют комбинированное управление. Оно строится как сумма двух частей: базовой стабилизирующей и части, компенсирующей неопределенности с помощью наблюдателя возмущений. Стандартно обе части содержат линейные обратные связи. Однако при отработке выходными переменными объекта негладких задающих воздействий линейные обратные связи могут приводить к перерегулированию и к увеличению колебательности. Для предотвращения этих проблем в работе предложен закон комбинированного управления с гладкими и ограниченными обратными связями в виде гиперболического тангенса. Данные обратные связи используются и в регуляторе, и в наблюдателе возмущений. При этом синтез управлений осуществляется на основе структурных свойств объекта с помощью блочного подхода. Его применение обеспечило инвариантность выходных переменных по отношению не только к согласованным, но и к несогласованным неопределенностям, а также позволило построить наблюдатель возмущений минимально возможного порядка. Кроме того, дополнительно для уменьшения колебаний в закон управления введена часть с ускорениями объекта. Для реализации предложенного подхода достаточно знать номинальные значения некоторых параметров объекта и допустимые границы изменения неопределенностей. Приведены результаты натурных экспериментов на квадрокоптере с рамой F450 и результаты сравнительного анализа предложенного подхода с тем, где используются линейные управления.
Литература
1. Баранов О.В. Алгоритм настройки стабилизирующего ПИД-регулятора квадрокоптера // Известия высших учебных заведений: Приборостроение. 2021. Т. 64. № 10. С. 829–838.
2. Leal I.S., Abeykoon C., Perera, Y.S. Design, Simulation, Analysis and Optimization of PID and Fuzzy Based Control Systems for a Quadcopter // Electronics. 2021. vol. 10. no. 18. pp. 1–33.
3. Abdulkareem A., Oguntosin V., Popoola O.M., Idowu A.A. Modeling and Nonlinear Control of a Quadcopter for Stabilization and Trajectory Tracking // Journal of Engineering. 2022. vol. 2022. pp. 1–19.
4. Шмалько Е.Ю. Машинно синтезированное управление нелинейным динамическим объектом на основе оптимального расположения точек равновесия // Информатика и автоматизация. 2024. Т. 22. № 1. С. 87–109.
5. Барсегян В.Р., Симонян Т.А., Матевосян А.Г. Об одной задаче оптимального управления квадрокоптером с заданным промежуточным значением части координат фазового вектора // Дифференциальные уравнения и процессы управления. 2024. № 2. С. 59–72.
6. Ferede R., de Croon G., De Wagter C., Izzo D. End-to-end neural network based optimal quadcopter control // Robotics and Autonomous Systems. 2024. vol. 172. pp. 1–11.
7. Борисов О.И., Каканов М.А., Живицкий А.Ю., Пыркин А.А. Робастное траекторное управление квадрокоптером по выходу на основе геометрического подхода // Приборостроение. 2021. Т. 64. № 12. C. 982–992.
8. Nguyen N.P., Pitakwachara P. Integral terminal sliding mode fault tolerant control of quadcopter UAV systems // Sci Rep. 2024. vol. 14. pp. 1–16.
9. Rahmi E., Karaarslan A. Sliding Mode Control-Based Modeling and Simulation of a Quadcopter // Journal of Engineering Research and Reports. 2023. vol. 24. no. 3. pp. 32–41.
10. Яцун С.Ф., Емельянова О.В., Сантьяго Мартинез Леон А., Мигель Москера Морочо Л. Адаптивное управление нелинейным объектом типа конвертоплан в условиях неопределенностей // Известия Юго-Западного государственного университета. 2020. Т. 24. № 3. С. 35–50.
11. Глущенко А.И., Ласточкин К.А. Адаптивное управление с гарантией экспоненциальной устойчивости. Часть III. Объекты с переменными параметрами // Автоматика и телемеханика. 2023. № 11. С. 147–168.
12. Глущенко А.И., Ласточкин К.А. Адаптивный наблюдатель состояний и возмущений линейных систем с перепараметризацией // Автоматика и телемеханика. 2023. Т. 84. № 11. С. 115–146.
13. Xie W., Cabecinhas D., Cunha R., Silvestre C. Adaptive Backstepping Control of a Quadcopter With Uncertain Vehicle Mass, Moment of Inertia, and Disturbances // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023. vol. 69. no. 1. pp. 549–559. DOI: 10.1109/TIE.2021.3055181.
14. Noordin A., Mohd Basri M.A., Mohamed Z. Real-Time Implementation of an Adaptive PID Controller for the Quadrotor MAV Embedded Flight Control System // Aerospace. 2023. vol. 10. no. 1. DOI: 10.3390/aerospace10010059.
15. Park D., Le T.-L., Quynh N.V., Long N.K., Hong S.K. Online Tuning of PID Controller Using a Multilayer Fuzzy Neural Network Design for Quadcopter Attitude Tracking Control // Frontiers in Neurorobotics. 2021. vol. 14. DOI: 10.3389/fnbot.2020.619350.
16. Ramírez-Neria M., Luviano-Juárez A., González-Sierra J., Ramírez-Juárez R., Aguerrebere J., Hernandez-Martinez E.G. Active Disturbance Rejection Control for the Trajectory Tracking of a Quadrotor // Actuators. 2024. vol. 13. no. 9. DOI: 10.3390/act13090340.
17. Khadraoui S., Fareh R., Baziyad M., Elbeltagy M., Bettayeb M. A Comprehensive Review and Applications of Active Disturbance Rejection Control for Unmanned Aerial Vehicles // IEEE Access. 2024. vol. 12. pp. 185851–185868.
18. Chang X., Jin C., Cheng Y. Dynamics and advanced active disturbance rejection control of tethered UAV // Applied Mathematical Modelling. 2024. vol. 135. pp. 640–665.
19. Буй В.Х., Маргун А.А., Бобцов А.А. Синтез наблюдателя переменных состояния и синусоидального возмущения для линейной нестационарной системы с неизвестными параметрами // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67. № 3. С. 209–219.
20. Андриевский Б.Р. Фуртат И.Б. Наблюдатели возмущений: методы и приложения. Часть 1. Методы // Автомат. и телемех. 2020. № 9. С. 3–61.
21. Sun H., Li, J., Wang, R., Yang K. Attitude Control of the Quadrotor UAV with Mismatched Disturbances Based on the Fractional-Order Sliding Mode and Backstepping Control Subject to Actuator Faults // Fractal Fract. 2023. vol. 7. no. 3. DOI: 10.3390/fractalfract7030227.
22. Smith S., Pan Y.-J. Adaptive Observer-Based Super-Twisting Sliding Mode Control for Low Altitude Quadcopter Grasping // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2025. vol. 30. no. 1. pp. 587–598.
23. Bingul Z., Gul K. Intelligent-PID with PD Feedforward Trajectory Tracking Control of an Autonomous Underwater Vehicle // Machines. 2023. vol. 11. no. 2. DOI: 10.3390/machines11020300.
24. Rao J., Li B., Zhang Z., Chen D., Giernacki W. Position Control of Quadrotor UAV Based on Cascade Fuzzy Neural Network // Energies. 2022. vol. 15. no. 5. DOI: 10.3390/en15051763.
25. Antipov A.S., Kokunko J.G., Krasnova S.A., Utkin V.A., Utkin A.V. Direct control of the endpoint of the manipulator under non-smooth uncertainty and reference trajectories // Journal of the Franklin Institute. 2023. vol. 360. no. 17. pp. 13430–13458.
26. Golubev A.E., Glazkov T.V. Nonlinear quadrotor control based on Simulink Support Package for Parrot Minidrones // CEUR Workshop Proceedings. 2020. vol. 2783. pp. 113–127.
27. Bici A., Minervini A., Godio S., Guglieri G., Dovis F. Development and Validation of a LQR-Based Quadcopter Control Dynamics Simulation Model // International Journal of Aerospace Engineering. 2021. vol. 34. no. 6. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001336.
28. Okasha M., Kralev J., Islam M. Design and Experimental Comparison of PID, LQR and MPC Stabilizing Controllers for Parrot Mambo Mini-Drone // Aerospace. 2022. vol. 9. no. 6. DOI: 10.3390/aerospace9060298.
29. Ahn H., Hu M., Chung Y., You K. Sliding-Mode Control for Flight Stability of Quadrotor Drone Using Adaptive Super-Twisting Reaching Law // Drones. 2023. vol. 7. no. 8. DOI: 10.3390/drones7080522.
30. Krasnova S.A., Kokunko J.G., Kochetkov S.A., Utkin V.A. Generation of Achievable Three-Dimensional Trajectories for Autonomous Wheeled Vehicles via Tracking Differentiators // Algorithms. 2023. vol. 16. no. 9. DOI: 10.3390/a16090405.
31. Antipov A., Krasnova S., Utkin V. Methods of Ensuring Invariance with Respect to External Disturbances: Overview and New Advances // Mathematics. 2021. vol. 9. no. 23. DOI: 10.3390/math9233140.
32. Izadi M., Faieghi R. High-gain disturbance observer for robust trajectory tracking of quadrotors // Control Engineering Practice. 2024. vol. 145. DOI: 10.1016/j.conengprac.2024.105854.
33. Вольф Д.А., Широков А.С. Исследование основных и сопутствующих процессов управления полетом квадрокоптерной системы // Труды 14-го Всероссийского совещания по проблемам управления (ВСПУ-2024, г. Москва, 17-20 июня 2024 г.). М.: ИПУ РАН, 2024. С. 1265–1269.
34. Wolf D., Alexandrov V., Shatov D., Rezkov I., Trefilov P., Meshcheryakov R. Development of a Firmware for Multirotor UAV Flight Controller Implemented on MCU MDR 32 // Proceeding of the International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2023). 2023. vol. 14214. pp. 345–356.
35. Alexandrov V., Rezkov I., Shatov D., Morozov Y. Frequency domain identification of the quadcopter attitude dynamics // Advances in Systems Science and Applications. 2023. vol. 23. no. 3. DOI: 10.25728/assa.2023.23.3.1424.
36. Herbst G. A Simulative Study on Active Disturbance Rejection Control (ADRC) as a Control Tool for Practitioners // Electronics. 2013. vol. 3(2). pp. 246–279.
2. Leal I.S., Abeykoon C., Perera, Y.S. Design, Simulation, Analysis and Optimization of PID and Fuzzy Based Control Systems for a Quadcopter // Electronics. 2021. vol. 10. no. 18. pp. 1–33.
3. Abdulkareem A., Oguntosin V., Popoola O.M., Idowu A.A. Modeling and Nonlinear Control of a Quadcopter for Stabilization and Trajectory Tracking // Journal of Engineering. 2022. vol. 2022. pp. 1–19.
4. Шмалько Е.Ю. Машинно синтезированное управление нелинейным динамическим объектом на основе оптимального расположения точек равновесия // Информатика и автоматизация. 2024. Т. 22. № 1. С. 87–109.
5. Барсегян В.Р., Симонян Т.А., Матевосян А.Г. Об одной задаче оптимального управления квадрокоптером с заданным промежуточным значением части координат фазового вектора // Дифференциальные уравнения и процессы управления. 2024. № 2. С. 59–72.
6. Ferede R., de Croon G., De Wagter C., Izzo D. End-to-end neural network based optimal quadcopter control // Robotics and Autonomous Systems. 2024. vol. 172. pp. 1–11.
7. Борисов О.И., Каканов М.А., Живицкий А.Ю., Пыркин А.А. Робастное траекторное управление квадрокоптером по выходу на основе геометрического подхода // Приборостроение. 2021. Т. 64. № 12. C. 982–992.
8. Nguyen N.P., Pitakwachara P. Integral terminal sliding mode fault tolerant control of quadcopter UAV systems // Sci Rep. 2024. vol. 14. pp. 1–16.
9. Rahmi E., Karaarslan A. Sliding Mode Control-Based Modeling and Simulation of a Quadcopter // Journal of Engineering Research and Reports. 2023. vol. 24. no. 3. pp. 32–41.
10. Яцун С.Ф., Емельянова О.В., Сантьяго Мартинез Леон А., Мигель Москера Морочо Л. Адаптивное управление нелинейным объектом типа конвертоплан в условиях неопределенностей // Известия Юго-Западного государственного университета. 2020. Т. 24. № 3. С. 35–50.
11. Глущенко А.И., Ласточкин К.А. Адаптивное управление с гарантией экспоненциальной устойчивости. Часть III. Объекты с переменными параметрами // Автоматика и телемеханика. 2023. № 11. С. 147–168.
12. Глущенко А.И., Ласточкин К.А. Адаптивный наблюдатель состояний и возмущений линейных систем с перепараметризацией // Автоматика и телемеханика. 2023. Т. 84. № 11. С. 115–146.
13. Xie W., Cabecinhas D., Cunha R., Silvestre C. Adaptive Backstepping Control of a Quadcopter With Uncertain Vehicle Mass, Moment of Inertia, and Disturbances // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2023. vol. 69. no. 1. pp. 549–559. DOI: 10.1109/TIE.2021.3055181.
14. Noordin A., Mohd Basri M.A., Mohamed Z. Real-Time Implementation of an Adaptive PID Controller for the Quadrotor MAV Embedded Flight Control System // Aerospace. 2023. vol. 10. no. 1. DOI: 10.3390/aerospace10010059.
15. Park D., Le T.-L., Quynh N.V., Long N.K., Hong S.K. Online Tuning of PID Controller Using a Multilayer Fuzzy Neural Network Design for Quadcopter Attitude Tracking Control // Frontiers in Neurorobotics. 2021. vol. 14. DOI: 10.3389/fnbot.2020.619350.
16. Ramírez-Neria M., Luviano-Juárez A., González-Sierra J., Ramírez-Juárez R., Aguerrebere J., Hernandez-Martinez E.G. Active Disturbance Rejection Control for the Trajectory Tracking of a Quadrotor // Actuators. 2024. vol. 13. no. 9. DOI: 10.3390/act13090340.
17. Khadraoui S., Fareh R., Baziyad M., Elbeltagy M., Bettayeb M. A Comprehensive Review and Applications of Active Disturbance Rejection Control for Unmanned Aerial Vehicles // IEEE Access. 2024. vol. 12. pp. 185851–185868.
18. Chang X., Jin C., Cheng Y. Dynamics and advanced active disturbance rejection control of tethered UAV // Applied Mathematical Modelling. 2024. vol. 135. pp. 640–665.
19. Буй В.Х., Маргун А.А., Бобцов А.А. Синтез наблюдателя переменных состояния и синусоидального возмущения для линейной нестационарной системы с неизвестными параметрами // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67. № 3. С. 209–219.
20. Андриевский Б.Р. Фуртат И.Б. Наблюдатели возмущений: методы и приложения. Часть 1. Методы // Автомат. и телемех. 2020. № 9. С. 3–61.
21. Sun H., Li, J., Wang, R., Yang K. Attitude Control of the Quadrotor UAV with Mismatched Disturbances Based on the Fractional-Order Sliding Mode and Backstepping Control Subject to Actuator Faults // Fractal Fract. 2023. vol. 7. no. 3. DOI: 10.3390/fractalfract7030227.
22. Smith S., Pan Y.-J. Adaptive Observer-Based Super-Twisting Sliding Mode Control for Low Altitude Quadcopter Grasping // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2025. vol. 30. no. 1. pp. 587–598.
23. Bingul Z., Gul K. Intelligent-PID with PD Feedforward Trajectory Tracking Control of an Autonomous Underwater Vehicle // Machines. 2023. vol. 11. no. 2. DOI: 10.3390/machines11020300.
24. Rao J., Li B., Zhang Z., Chen D., Giernacki W. Position Control of Quadrotor UAV Based on Cascade Fuzzy Neural Network // Energies. 2022. vol. 15. no. 5. DOI: 10.3390/en15051763.
25. Antipov A.S., Kokunko J.G., Krasnova S.A., Utkin V.A., Utkin A.V. Direct control of the endpoint of the manipulator under non-smooth uncertainty and reference trajectories // Journal of the Franklin Institute. 2023. vol. 360. no. 17. pp. 13430–13458.
26. Golubev A.E., Glazkov T.V. Nonlinear quadrotor control based on Simulink Support Package for Parrot Minidrones // CEUR Workshop Proceedings. 2020. vol. 2783. pp. 113–127.
27. Bici A., Minervini A., Godio S., Guglieri G., Dovis F. Development and Validation of a LQR-Based Quadcopter Control Dynamics Simulation Model // International Journal of Aerospace Engineering. 2021. vol. 34. no. 6. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001336.
28. Okasha M., Kralev J., Islam M. Design and Experimental Comparison of PID, LQR and MPC Stabilizing Controllers for Parrot Mambo Mini-Drone // Aerospace. 2022. vol. 9. no. 6. DOI: 10.3390/aerospace9060298.
29. Ahn H., Hu M., Chung Y., You K. Sliding-Mode Control for Flight Stability of Quadrotor Drone Using Adaptive Super-Twisting Reaching Law // Drones. 2023. vol. 7. no. 8. DOI: 10.3390/drones7080522.
30. Krasnova S.A., Kokunko J.G., Kochetkov S.A., Utkin V.A. Generation of Achievable Three-Dimensional Trajectories for Autonomous Wheeled Vehicles via Tracking Differentiators // Algorithms. 2023. vol. 16. no. 9. DOI: 10.3390/a16090405.
31. Antipov A., Krasnova S., Utkin V. Methods of Ensuring Invariance with Respect to External Disturbances: Overview and New Advances // Mathematics. 2021. vol. 9. no. 23. DOI: 10.3390/math9233140.
32. Izadi M., Faieghi R. High-gain disturbance observer for robust trajectory tracking of quadrotors // Control Engineering Practice. 2024. vol. 145. DOI: 10.1016/j.conengprac.2024.105854.
33. Вольф Д.А., Широков А.С. Исследование основных и сопутствующих процессов управления полетом квадрокоптерной системы // Труды 14-го Всероссийского совещания по проблемам управления (ВСПУ-2024, г. Москва, 17-20 июня 2024 г.). М.: ИПУ РАН, 2024. С. 1265–1269.
34. Wolf D., Alexandrov V., Shatov D., Rezkov I., Trefilov P., Meshcheryakov R. Development of a Firmware for Multirotor UAV Flight Controller Implemented on MCU MDR 32 // Proceeding of the International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2023). 2023. vol. 14214. pp. 345–356.
35. Alexandrov V., Rezkov I., Shatov D., Morozov Y. Frequency domain identification of the quadcopter attitude dynamics // Advances in Systems Science and Applications. 2023. vol. 23. no. 3. DOI: 10.25728/assa.2023.23.3.1424.
36. Herbst G. A Simulative Study on Active Disturbance Rejection Control (ADRC) as a Control Tool for Practitioners // Electronics. 2013. vol. 3(2). pp. 246–279.
Опубликован
2025-06-25
Как цитировать
Антипов, А. С., Кокунько, Ю. Г., Вольф, Д. А., & Широков, А. С. (2025). Синтез комбинированного управления ориентацией и высотой квадрокоптера на основе блочного подхода с сигмовидными обратными связями. Информатика и автоматизация, 24(3), 745-790. https://doi.org/10.15622/ia.24.3.2
Раздел
Робототехника, автоматизация и системы управления
Copyright (c) Алексей Антипов, Юлия Кокунько, Данияр Вольф, Александр Широков
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).