Аспирант
Уфа
Д-р техн. наук, проф.
Уфа
Предлагается метод управления группой автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) самолетного типа для формирования и поддержания строя в полете с заранее заданными относительными расстояниями между аппаратами. Рассмотренный подход обеспечивает построение и дальнейшее сохранение любой выбранной геометрической формы строя при выходе на прямолинейную траекторию с заданным курсом при произвольных начальных положениях БПЛА. Отличительной особенностью предлагаемого метода является учет нелинейной структуры системы "автопилот—летательный аппарат", проявляющейся как в существовании ограничений на входные команды автопилота, так и в неголономной динамике аппарата. Кроме того, благодаря децентрализации обеспечивается возможность неограниченной масштабируемости строя. При этом принимается во внимание необходимость и со- хранения минимальной скорости полета БПЛА не ниже скорости сваливания, и получения конечной скорости строя, равной крейсерской скорости данного типа аппаратов. Синтезированные с помощью прямого метода Ляпунова не- линейные законы группового управления основаны на архитектуре взаимодействия изначально разработанного для линейных агентов децентрализованного консенсуса, в котором предполагается, что каждый аппарат взаимодействует только с соседними с ним аппаратами. Доказана асимптотическая устойчивость в целом для предлагаемых законов управления, вследствие чего БПЛА могут иметь любые положения в пространстве в начальный момент работы алгоритмов формирования строя. Таким образом, законами управления определяется неоднородное векторное поле следования пути для каждого из аппаратов, норма вектора которого в каждой точке пространства полета группы БПЛА задает команду скорости, а направление — команду курсового угла. Качество переходных траекторий в процессе формирования строя может быть изменено с помощью настраиваемых коэффициентов, входящих в состав законов управления. Работоспособность и эффективность предложенного подхода была проверена в среде MATLAB/ Simulink с использованием реалистичных нелинейных моделей БПЛА с 12 состояниями и 6 степенями свободы. Моделирование полета группы из четырех БПЛА показало успешное построение заданной геометрической формы строя и ее поддержание в процессе дальнейшего полета.
The article proposes a control method for autonomous unmanned aerial vehicles (UAVs) group of a fixed-wing type intended to both implement and support flight information with predetermined relative distances between the vehicles. The suggested approach provides any selected geometric formation shape construction and further preservation when UAVs enter a straight-line trajectory described by a given course with arbitrary initial positions of UAVs in the horizontal plane. The proposed method feature is "autopilot—UAV" system’s nonlinear structure consideration, manifesting itself in both the autopilot input commands restrictions existence as well as nonholonomic UAV dynamics. In addition, there is an unlimited multi-UAV system scalability available due to decentralization. We take into account the need to maintain a minimum flight speed of not less than the stall speed and the final speed of the formation equal to the cruising speed of this type of UAV. The nonlinear group control laws synthesized using Lyapunov’s direct method are based on the decentralized consensus interaction topology, initially developed for linear agents, which implies each vehicle to interact with its neighboring vehicles only. Global asymptotic stability for the current control laws has been proved. As a result, proposed control laws determine a non-uniform path-following vector field for each vehicle in the whole UAV group flight space (currently two-dimensional space). The suggested field vector norm at a certain space point is the airspeed command for the vehicle at that point while the vector direction is the course angle command. The proposed approach effectiveness has been successfully tested in the MATLAB/Simulink while using realistic nonlinear six degree-of-freedom (DOF) 12-states fixed-wing UAV models. High fidelity simulation results confirm the suggested approach effectiveness.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.