О робастной стабилизации движения квадрокоптера с подвешенным грузом

Одной из важных задач, которую выполняют квадрокоптеры, является транспортировка различных грузов. В случае если груз подвешен к квадрокоптеру и может двигаться относительно корпуса квадрокоптера, это движение должно учитываться в управлении системой, в частности, в целях подавления и предотвращения нежелательных колебаний груза.

В работе рассматривается механическая система, состоящая из квадрокоптера и груза, подвешенного к нему на невесомом стержне. Предполагается, что площадь поперечного сечения груза достаточно велика, так что аэродинамической силой, действующей на него, пренебречь нельзя. Известно, что для целого ряда форм оболочки груза эта аэродинамическая сила не сводится только к силе лобового сопротивления, но содержит и компоненту, перпендикулярную лобовому сопротивлению — подъемную силу. Для описания указанных сил используется квазистатический подход.

В то же время, точная информация об аэродинамических силах для каждого переносимого груза, вообще говоря, недоступна. Однако известно, что значения аэродинамических коэффициентов для достаточно широкого класса тел принадлежат определенной области. Обсуждается вопрос построения управления квадрокоптером, обеспечивающего робастную стабилизацию равномерного подъема и спуска системы в условиях неполной информации об аэродинамическом воздействии. Предложен алгоритм построения управления квадрокоптером для робастной стабилизации равномерного вертикального подъема и спуска системы в целом. Показано, что это управление обеспечивает стабилизацию целевого режима в достаточно широком диапазоне параметров системы. Определены ограничения на целевую скорость движения, при превышении которых робастная стабилизация становится невозможной.

1. Hoffmann G. M., Huang H., Waslander S. L., Tomli C. J. Quadrotor helicopter flight dynamics and control: Theory and experiment // AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. 2007. Vol. 2. P. 20.

2. Jung S., Kim H. Analysis of Amazon Prime Air UAV Delivery Service // J. Knowl. Inf. Technol. Syst. 2017. Vol. 12, N. 2. P. 253—266. DOI: 10.34163/jkits.2017.12.2.005.

3. Emelianov S., Bulgakow A., Sayfeddine D. Aerial laser inspection of buildings facades using quadrotor // Procedia Engineering. 2014. Vol. 85. P. 140—146. DOI: 10.1016/j.proeng.2014.10.538.

4. Chandra A., Lal P. P. S. Higher Order Sliding Mode Controller for a Quadrotor UAV with a Suspended Load // IFAC-PapersOnLine. 2022. Vol. 55, N. 1. P. 610—615. DOI: 10.1016/j.ifacol.2022.04.100.

5. Hu D., Pei Z., Tang Z. Automatic control optimization for largeload plant-protection quadrotor // Appl. Sci. 2021. Vol. 11, N. 9. P. 4058. DOI: 10.3390/app11094058.

6. Li J., Cao D., Pan K. Hydrodynamics with complex boundary motions by non-inertial SPH method and its application in attitude-liquid-control coupled dynamics of a liquid-filled quadrotor UAV // Mech. Syst. Signal Process. 2021. Vol. 163. P. 108066. DOI: 10.1016/j.ymssp.2021.108066.

7. Bonyan Khamseh H., Janabi-Sharifi F., Abdessameud A. Aerial manipulation—A literature survey // Rob. Auton. Syst. 2018. Vol. 107. P. 221—235. DOI: 10.1016/j.robot.2018.06.012.

8. Caccavale F, Giglio G., Muscio G., Pierri F. Adaptive control for UAVs equipped with a robotic arm // IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). 2014. Vol. 19. P. 11049—11054.

9. Alvarez-Mu oz J. U., Escareno J., Marchand N., Guerrero-Castellanos J. F., Raharijaona T., Rakotondrabe M. Quaternion Modeling and Observer-based Torque Compensation of an Aerial Manipulator. 2018. Vol. 51, N. 13. P. 543—548. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.07.336.

10. Dalwadi N., Deb D., Muyeen S. M. Observer based rotor failure compensation for biplane quadrotor with slung load // Ain Shams Eng. J. 2022. Vol. 13, N. 6. P. 101748. DOI: 10.1016/j.asej.2022.101748.

11. Omar H. M., Akram R., Mukras S. M. S., Mahvouz A. A. Recent advances and challenges in controlling quadrotors with suspended loads // Alexandria Engineering Journal. 2022. P. 253—270. DOI: 10.1016/j.aej.2022.08.001.

12. Guo M., Su Y., Gu D. Mixed H2/H∞ Tracking Control with Constraints for Single Quadcopter Carrying a Cable-suspended Payload // IFAC-PapersOnLine. 2017. Vol. 50, N. 1. P. 4869—4874. DOI: 10.1016/j.ifacol.2017.08.976.

13. Das H. Dynamic Inversion Control of Quadrotor with a Suspended Load. 2018. Vol. 51, N. 1. P. 172—177. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.05.030.

14. Sekiguchi K., Eikyu W., Nonaka K. Feedback control for a drone with a suspended load via hierarchical linearization // J. Robot. Mechatronics. 2021. Vol. 33, N. 2. P. 274—282. DOI: 10.20965/jrm.2021.p0274.

15. Kong L., Reis J., He W., Yu X., Silvestre C. On dynamic performance control for a quadrotor-slung-load system with unknown load mass // Automatica. 2024. Vol. 162. P. 111516. DOI: 10.1016/j.automatica.2024.111516.

16. Димова А. С., Котов К. Ю., Мальцев А. С., Семенюк Е. Д., Соболев М. А. Управление траекторным движением квадрокоптера при транспортировке груза на подвесе: эксперимент // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2019. Т. 17, № 4. С. 46—56. DOI: 10.25205/1818-7900-2019-17-4-5-46-56.

17. Asignacion A., Noda R., Nakata T., Tsubakino D., Liu H., Suzuki S. Accurate Wind Observation and Robust Control for Drones in the Field of Micro-meteorology // IFAC-PapersOnLine. 2023. Vol. 56, N. 2. P. 8616—8621. DOI: 10.1016/j.ifacol.2023.10.036.

18. Bouaiss O., Mechgoug R., Taleb-Ahmed A., Brikel A. E. Robust trajectory tracking of quadrotors using adaptive radial basis function network compensation control // J. Franklin Inst. 2024. Vol. 361, N. 3. P. 1167—1185. DOI: 10.1016/j.jfranklin.2023.12.045.

19. Guerrero-Sánchez M. E., Mercado-Ravell D. A., Lozano R., García-Beltrán C. D. Swing-attenuation for a quadrotor transporting a cable-suspended payload // ISA Trans. 2017. Vol. 68. P. 433—449. DOI: 10.1016/j.isatra.2017.01.027.

20. Sun L., Wang K., Mishamandani A. H. A., Zhao G., Huang H., Zhao X., Zhang B. A novel tension-based controller design for the quadrotor—load system // Control Eng. Pract. 2021. Vol. 112. P. 104818.

21. Bisgaard M., Bendtsen J. D., La Cour-Harbo A. Modeling of generic slung load system // J. Guid. Control. Dyn. 2009. Vol. 32, N. 2. P. 433—449. DOI: 10.2514/1.36539.

22. Куликов В. Е., Чукаева А. Н. Система управления квадрокоптером при транспортировке груза на внешней подвеске // Труды Московского Института Электромеханики и Автоматики. 2016. Т. 14. С. 2—16.

23. Ubbink J. B., Engelbrecht J. A. A. Sequence-constrained trajectory planning and execution for a quadrotor UAV with suspended payload // IFAC-PapersOnLine. 2020. Vol. 53. P. 9405—9411. DOI: 10.1016/j.ifacol.2020.12.2410.

24. Бакланов Ф. Ю., Морозов В. М. Стабилизация программного движения квадрокоптера // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2013. № 6. С. 114—121. DOI: 10.7868/s0002338813060036.

25. Aleksandrov A. Yu., Tikhonov A. A. On the attitude stabilization of a rigid body under control with distributed delay // Mechanics Based Design of Structures and Machines. 2021. Vol. 51, N. 4. P 2241—2250. DOI: 10.1080/15397734.2021.1891935.

26. Sarioglu M., Akansu Y. E., Yavuz T. Flow around a rotatable square cylinder-plate body // AIAA J. 2006. Vol. 44, N. 5. P. 1065—1072. DOI: 10.2514/1.18069.