novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.22.156-167novtexmech-959Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTУправление автономной посадкой БПЛА самолетного типа на статическую и динамическую посадочные площадки по «гибким» кинематическим траекториямControl of Autonomous Landing of UAV of Airplane-Type on the Static and Dynamic Sites with Using of "Flexible" Kinematic TrajectoriesСергеевА. А.SergeevA. A.

математик, аспирант

Москва

Moscow,117997;

Moscow, 119991

alxsrg95@gmail.comФилимоновА. Б.FilimonovA. B.

д-р техн. наук, проф.

Москва

 Moscow, 119454;

Moscow, 125993

filimon_ab@mail.ruФилимоновН. Б.FilimonovN. B.

д-р техн. наук, проф.

Москва

Professor, Dr. Sci. Tech.

Moscow,117997;

Moscow, 119991

nbfilimonov@mail.ruИнститут проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН; Московский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваРоссияTrapeznikov Institute of Control Problems, RAS; Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМИРЭА — Российский технологический университет; Московский авиационный институт (НИУ)РоссияMIREA — Russian Technological University; Moscow Aviation Institute (NRU)Russian Federation202102032021223156167Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20212021Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/959

В современном мире все большую популярность в качестве легких и недорогих инструментов как военного, так и гражданского применения находят беспилотные летательные аппараты (БПЛА) самолетного типа. Заключительным и одним из важнейших этапов полета данных БПЛА является посадка. В связи с этим задача автоматизации управления посадкой БПЛА в сложных метеорологических условиях становится все более актуальной. В ряде случаев для дозаправки и подзарядки БПЛА целесообразно использовать динамическую подвижную посадочную площадку (ППП) вместо традиционной статической (неподвижной) посадочной площадки (НПП). В данной работе рассматривается постановка и решение задачи управления терминальным посадочным маневром БПЛА как на НПП, так и на ППП, обеспечивающим его переход из текущего начального состояния в целевое терминальное состояние по «гибким» кинематическим траекториям. В качестве ППП рассматривается специальное устройство для «ловли» БПЛА, оборудованное на автомобиле. Для решения задачи автоматической посадки БПЛА на НПП разработана математическая модель динамики его продольного движения с пространственной синхронизацией перемещений. Разработан и исследован алгоритм управления конечным вертикальным посадочным маневром БПЛА на НПП методом обратных задач динамики с использованием принципа «гибких» кинематических траекторий. Для решения задачи автоматической посадки БПЛА на ППП разработана математическая модель динамики его пространственного движения с пространственной синхронизацией перемещений. Разработан и исследован алгоритм управления терминальным посадочным маневром БПЛА на ППП методом обратных задач динамики с использованием принципов «гибких» кинематических траекторий и наведения на точку прицеливания. Разработано соответствующее программное обеспечение, позволяющее анализировать выполнение посадочного маневра БПЛА. В среде MATLAB проведена компьютерная апробация разработанных алгоритмов на примере управления посадочными маневрами БПЛА «Aerosonde" в условиях различных ветровых возмущений.

The final and one of the most important stages of the aircraft-type unmanned aerial vehicles (UAV) flight is landing. In this regard the problem of automating the control by UAV landing in difficult meteorological conditions is becoming increasingly urgent. In some cases for refueling and recharging UAVs it is advisable to use the dynamic mobile landing site (MLS) instead of the traditional stationary landing site (SLS). In the present paper we consider the setting of and solution of the control problem by the terminal landing maneuver of a UAV. It provides its transfer from the current initial state to the target final state along " flexible" kinematic trajectories both on the SLS and on the MLS. To solve the problem of automatic landing of UAV on SLS or MLS the mathematical model of the dynamics of its movement was developed. It’s based on the concept of " flexible" kinematic trajectories with spatial synchronization of controlled movements. The control algorithm by the terminal vertical landing maneuver of UAV on SLS by the method of dynamics inverse problem using the principle of " flexible" kinematic trajectories is developed. And also the control algorithm by the terminal landing maneuver of UAV on MLS by the method of dynamics inverse problems using the principles of " flexible" kinematic trajectories and aiming into the target point was also developed. Computer approbation of the synthesized control algorithms for the landing maneuver of UAV "Aerosonde" under conditions of various wind disturbances was carried out using digital modeling in the Matlab environment.

посадочный маневр БПЛАнеподвижная посадочная площадкаподвижная посадочная платформасинтез алгоритма управленияметод обратных задач динамикипринцип «гибких» кинематических траекторийlanding maneuver of UAVstationary landing sitemobile landing platformsynthesis of control algorithmmethod of dynamics invers problemsprinciple of " flexible" kinematic trajectoriesprinciple of the guidance to the target point.ReferencesБеспилотные летательные аппараты / Справочное пособие. Воронеж: Изд-во Полиграфический центр "Научная книга", 2015. 616 с.Unmanned aerial vehicles: Reference Guide, Voronezh, Poligraficheskij centr "Nauchnaya kniga", 2015, 616 p. (in Russian).Биард Р. У., МакЛэйн Т. У. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2015. 312 с.Beard R. W., McLain T. W. Small Unmanned Aircraft: Theory and Practice, Princeton University Press, 2012, 320 p.Gautam A., Sujit P. B., Saripalli S. A Survey of Autonomous Landing Techniques for UAVs // In Proceedings of the 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Orlando, FL, USA. 2014. P. 1210—1218.Gautam A., Sujit P. B., Saripalli S. A Survey of Autonomous Landing Techniques for UAVs, Proceedings of the 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Orlando, FL, USA, 2014, pp. 1210—1218.Гоммер А. С. Обзор методов автономной посадки БПЛА // Наукоемкие исследования как основа инновационного развития общества: сборник статей Международной научно-практической конференции, в 4 ч. Ч. 2. Уфа: ОМEGA SCIENCE, 2019. С. 70—76.Gommer A. S. Review of Methods of Autonomous Landing of UAVs, Science-intensive research as the basis of innovative development of society: collection of articles of the International scientific and practical conference, Ufa, OMEGA SCIENCE, 2019, pp. 70—76 (in Russian).Агеев А. М., Беляев В. В., Бондарев В. Г., Проценко В. В. Системы автоматической посадки беспилотных летательных аппаратов: проблемы и пути решения // Военная мысль. 2020. № 4. С. 130—136.Ageev A. M., Belyaev V. V., Bondarev V. G., Protsenko V. V. The Systems of Automatic Landing for Unmanned Aerial Vehicles, Problems and Solutions, Military Thought, 2020, no. 4, pp. 130—136 (in Russian).Кравченко П. П., Куликов Л. И., Щербинин В. В. Применение метода оптимизированных дельта-преобразований в задаче управления посадкой беспилотного летательного аппарата // Известия РАН. Теория и системы управления. 2019. № 5. С. 130—144.Kravchenko P. P., Kulikov L. I., Scherbinin V. V. Application of the Method of Optimized Delta-Transformations in the Control Landing Problem for an Unmanned Aerial Vehicle, Journal of Computer and Systems Sciences International, 2019, vol. 58, no. 5, pp. 786—800 (in Russian).Пенязь И. М. Инновационные разработки, касающиеся способа безаварийной посадки современных беспилотных летательных аппаратов // Проблемы безопасности полетов. 2029. № 10. С. 34—38.Penyaz I. M. The Innovative Developments Concerning a Way of Soft Landing of the Modern Unmanned Aerial Vehicles, Problems of Saferty of Flights, 2019, no. 10, pp. 34—38 (in Russian).Burchett B. T. Feedback Linearization Guidance for Approach and Landing of Reusable Launch Vehicles // in American Control Conference. Proceedings of the 2005. IEEE, 2005. P. 2093—2097.Burchett B. T. Feedback Linearization Guidance for Approach and Landing of Reusable Launch Vehicles; in American Control Conference, Proceedings of the 2005, IEEE, 2005, pp. 2093—2097.Nho K., Agarwal R. K. Automatic Landing System Design Using Fuzzy Logic // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 2000. Vol. 23, N. 2. P. 298—304.Nho K., Agarwal R. K. Automatic Landing System Design Using Fuzzy Logic; Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2000, vol. 23, no. 2, pp. 298—304, 2000.Malaek S., Sadati N., Izadi H., Pakmehr M. Intelligent Autolanding Controller Design using Neural Networks and Fuzzy Logic // in Control Conference, 5th Asian. 2004. Vol. 1. IEEE. P. 365—373.Malaek S., Sadati N., Izadi H., Pakmehr M. Intelligent Autolanding Controller Design using Neural Networks and Fuzzy Logic, in Control Conference, 5th Asian, 2004, vol. 1, pp. 365—373.Wang R., Zhou Z., Shen Y. Flying-wing UAV Landing Control and Simulation based on Mixed h2/h // Mechatronics and Automation, ICMA 2007. International Conference on. IEEE. 2007. P. 1523—1528.Wang R., Zhou Z., Shen Y. Flying-wing UAV Landing Control and Simulation based on Mixed h2/h, Mechatronics and Automation, ICMA 2007, International Conference on IEEE, 2007, pp. 1523—1528.Подоплекин Ю. Ф., Шаров С. Н. Ключевые вопросы теории и проектирования систем посадки беспилотных летательных аппаратов на малоразмерные суда // Информационно-управляющие системы. 2013. № 6. С. 14—24.Podoplekin Yu. F., Sharov S. N. Key Aspects of Theory and Design of Landing Systems of UAV on Small Vessels, Informacionno-Upravlyayushchie Sistemy, 2013, no. 6, pp 14—24.Hérissé B., Hamel T., Mahony R., Russotto F.-X. Landing a VTOL Unmanned Aerial Vehicle on a Moving Platform Using Optical Flow // IEEE Transactions on Robotics. 2012. Vol. 28, N. 1. P. 77—89.Hérissé B., Hamel T., Mahony R., Russotto F.-X. Landing a VTOL Unmanned Aerial Vehicle on a Moving Platform Using Optical Flow, IEEE Transactions on Robotics, 2012, vol. 28, no. 1, pp. 77—89.Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Методы "гибких" траекторий в задачах терминального управления вертикальными маневрами летательных аппаратов / Гл. 2 в монографии "Проблемы управления сложными динамическими объектами авиационной и космической техники". М.: Машиностроение, 2015. С. 51—110.Filimonov A. B., Filimonov N. B. Methods of "Flexible" Trajectories in the Tasks of Terminal Control of Aircraft Vertical Maneuvers, Problems of Control of Complex Dynamic Objects of Aviation and Space Technology, Ch. 2, Moscow, Machinostroenie, 2015, pp. 51—110 (in Russian).Теряев Е. Д., Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б., Петрин К. В. Концепция "гибких кинематических траекторий" в задачах терминального управления подвижными объектами // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. № 12. С. 7—15.Teryaev E. D., Filimonov A. B., Filimonov N. B., Petrin K. V. The Conception of "Flexible Kinematic Trajectories" in the Problems of Terminal Control by Moving Objects, Mekhatronika, Avtomatizaciya, Upravlenie, 2011, no. 12, pp. 7—15 (in Russian).Бюшгенс Г. С., Студнев Р. В. Аэродинамика самолета: Динамика продольного и бокового движения. М.: Машиностроение, 1979. 352 с.Byushgens G. S. Dynamics of the Airplane. Dynamics of Longitudinal and Transverse Motion, Мoscow, Machinostroenie, 1979, 352 p. (in Russian).Крутько П. Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. М.: Машиностроение, 2004. 406 с.Krutko P. D. Inverse Problems of Dynamics in the Theory of Automatic Control, Moscow, Mashinostroenie, 2004, 406 p. (in Russian).Филимонов Н. Б., Сергеев А. А. Синтез алгоритма управления вертикальным посадочным маневром БПЛА методом гибких кинематических траекторий // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2019. Iss. 17-2. P. 150—156.Filimonov N. B., Sergeev A. A. Synthesis of Control Algorithm for the UAV Vertical Landing Maneuver by the Method of Flexible Kinematic Trajectories, Journal of Advanced Research in Technical Science, 2019, no. 17—2, pp. 150—156 (in Russian).Burston M. T., Sabatini R., Clothier R., Gardi A. Reverse Engineering of a Fixed Wing Unmanned Aircraft 6-DoF Model for Navigation and Applications // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 629. P. 164—169.Burston M. T., Sabatini R., Clothier R., Gardi A. Reverse Engineering of a Fixed Wing Unmanned Aircraft 6-DoF Model for Navigation and Applications, Applied Mechanics and Materials, 2014, vol. 629, pp. 164—169.Bateman F., Noura H.,Ouladsine M. Faultdiagnosis and Fault-Tolerant Control Strategy for Theaerosonde UAV // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2011. Vol. 47(3). P. 2119—2137.Bateman F., Noura H.,Ouladsine M. Faultdiagnosis and Fault-Tolerant Control Strategy for Theaerosonde UAV, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2011, vol. 47(3), pp. 2119—2137.Бюшгенс Г. С., Студнев Р. В. Динамика самолета. Пространственное движение. М.: Машиностроение, 1983. 320 с.Byushgens G. S., Studnev R. V. Dynamics of the Airplane. Spatial Motion, Мoscow, Machinostroenie, 1983, 320 p. (in Russian).Паньков С. Я., Забураев Ю. Е., Матвеев А. М. Теория и методика управления авиацией. В 2 ч. Ч. 1. Ульяновск: УВАУ ГА, 2006. 190 с.Panjkov S. J., Zaburaev J. E., Matveev A. M. Theory and Methods of Aircraft Control. Ch.1, Ulyanovsk, UVAU GA, 2006, 190 p.Сергеев А. А., Филимонов Н. Б. Управление посадочным маневром беспилотного летательного аппарата на подвижную платформу методом "гибких" кинематических траекторий // Известия вузов. Приборостроение. 2020. № 8. С. 689—695.Sergeev А. А., Filimonov N. B. Controlling the Maneuver of an Unmanned Aerial Vehicle when Landing on a Mobile Platform Using the Method of "Flexible" Kinematic Trajectories, Journal of Instrument Engineering, 2020, vol. 63, no. 9, pp. 803—812 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.