Алгоритмизация стабилизирующего управления положением группы механически связанных БПЛА

Рассматривается задача разработки системы управления для группы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) мультироторного типа, совместно выполняющих транспортировку полезной нагрузки. Актуальность рассматриваемой задачи обусловлена ростом интереса к применению кооперативных беспилотных систем в логистике, промышленной автоматизации и спасательных операциях. Особенность рассматриваемой конфигурации заключается в том, что груз закреплен на жесткой раме, а каждый БПЛА соединен с ней посредством сферического шарнира, что создает систему с механическими связями. Такая конфигурация представляет интерес с точки зрения изучения сложных динамических систем с механическими связями и разработки эффективных методов группового управления. Для анализа и проектирования предложена математическая модель, описывающая динамику движения как отдельных аппаратов, так и всей связанной системы в целом, включая взаимодействие между летательными аппаратами и грузом.

На основе полученной математической модели разработан алгоритм управления, обеспечивающий устойчивое согласованное движение группы БПЛА вдоль заданных траекторий при сохранении требуемой ориентации груза. В работе показано, что предложенный алгоритм позволяет стабилизировать систему БПЛА при наличии внешних возмущений и движении вдоль сложных траекторий полета и демонстрируют возможность масштабирования на системы с большим числом аппаратов и различной конфигурацией нагрузки.

Результаты компьютерного моделирования подтверждают эффективность разработанной системы управления. Полученные выводы могут быть использованы при проектировании реальных прототипов систем совместной транспортировки, а также способствуют развитию методов группового управления БПЛА. Представленные результаты имеют практическую значимость для задач логистики, доставки грузов в труднодоступные районы и кооперативного применения БПЛА в различных сферах. Представленные подходы могут послужить основой для дальнейших исследований в области кооперативного управления беспилотными системами.

1. Elmokadem T., Savkin A. V. Towards Fully Autonomous UAVs: A Survey // Sensors. 2021. Vol. 21, N. 18. Article 6223. DOI:10.3390/s21186223.

2. Telli K., Kraa O., Himeur Y. и др. A Comprehensive Review of Recent Research Trends on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) // Systems. 2023. Vol. 11, N. 8. Article 400. DOI: 10.3390/systems11080400.

3. Pajares G. Overview and Current Status of Remote Sensing Applications Based on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) // Photogrammetric Engineering & Remote Sensing. 2015. Vol. 81, N. 4. P. 281—329. DOI: 10.14358/PERS.81.4.281.

4. Li H., Savkin A. V., Vucetic B. Autonomous Area Exploration and Mapping in Underground Mine Environments by Unmanned Aerial Vehicles // Robotica. 2020. Vol. 38, N. 3. P. 442—456. DOI: 10.1017/S0263574719000754.

5. Goodrich M. A., Morse B. S., Gerhardt D. и др. Supporting Wilderness Search and Rescue Using a Camera-Equipped Mini UAV // Journal of Field Robotics. 2008. Vol. 25, N. 1—2. P. 89—110. DOI: 10.1002/rob.20226.

6. Li X., Tupayachi J., Sharmin A., Martinez Ferguson M. Drone-Aided Delivery Methods, Challenges, and the Future: A Methodological Review // Drones. 2023. Vol. 7, N. 3. Article 191. DOI: 10.3390/drones7030191.

7. Lemardelé C., Estrada M., Pagès L., Bachofner M. Potentialities of Drones and Grou nd Autonomous Delivery Devices for Last-Mile Logistics // Transportation Research Part E: Logistics and Transportation Review. 2021. Vol. 149. Article 102325. DOI: 10.1016/j.tre.2021.102325.

8. Moshref-Javadi M., Winkenbach M. Applications and Research Avenues for Drone-Based Models in Logistics: A Classification and Review // Expert Systems with Applications. 2021. Vol. 177. Article 114854. DOI: 10.1016/j.eswa.2021.114854.

9. Elmokadem T., Savkin A. V. A Method for Autonomous Collision-Free Navigation of a Quadrotor UAV in Unknown Tunnel-Like Environments // Robotica. 2022. Vol. 40, N. 4. P. 835—861. DOI: 10.1017/S0263574721000849.

10. Пшихопов В. Х., Медведев М. Ю., Гуренко Б. В. Алгоритмы терминального управления подвижными объектами мультикоптерного типа // Мехатроника, автомати зация, управление. 2019. Т. 20, № 1. С. 44—51. DOI: 10.17587/ mau.20.44-51.

11. Мелехин В. Б., Хачумов М. В. Нечеткая модель ситуационного управления параметрами полета автономного беспилотного летательного аппарата в условиях неопределенности // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 12. С. 650—659. DOI: 10.17587/mau.22.650-659.

12. Li C. Artificial Intelligence Technology in UAV Equipment // Proceedings of the 2021 IEEE/ACIS 20th International Fall Conference on Computer and Information Science (ICIS Fall). Xi’an, China, 2021. P. 299—302. DOI: 10.1109/ICISFall51598.2021.9627359.

13. Hu J., Bhowmick P., Jang I. и др. A Decentralized Cluster Formation Containment Framework for Multirobot Systems // IEEE Transactions on Robotics. 2021. Vol. 37, N. 6. P. 1936—1955. DOI: 10.1109/TRO.2021.3071615.

14. Wooldridge M. An Introduction to MultiAgent Systems. Chichester: John Wiley & Sons, 2002. 366 p.

15. Farinelli A., Iocchi L., Nardi D. Multirobot Systems: A Classification Focused on Coordination // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B (Cybernetics). 2004. Vol. 34, N. 5. P. 2015—2028. DOI: 10.1109/TSMCB.2004.832155.

16. Мунасыпов Р. А., Муслимов Т. З. Групповое управление беспилотными летательными аппаратами на основе метода пространства относительных состояний // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 2. С. 120—125.

17. Лебедев Г. Н., Гончаренко В. И., Максимов Н. А. и др. Метод оперативного планирования групповых действий летательных аппаратов в режиме "воздушного такси" // Мехатроника, автоматизация, управление. 2021. Т. 22, № 9. С. 484—493. DOI: 10.17587/mau.22.484-493.

18. Lee T. Geometric control of quadrotor UAVs transporting a cable-suspended rigid body // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2017. Vol. 26, N. 1. С. 255—264. DOI: 10.1109/CDC.2014.7040353

19. Goodarzi F. A., Lee T. Stabilization of a rigid body payload with multiple cooperative quadrotors // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2016. Vol. 138, N. 12. С. 121001 DOI: 10.1115/1.4033945.

20. Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Применение аппарата линейно квадратичной оптимизации в задачах координирующего управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 4. С. 2—8.

21. Филимонов А. Б., Филимонов Н. Б. Аналитический синтез системы координирующего управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 7. С. 2—8.

22. Bannikov A., Deryushev P., Nikitin Yu. Mathematical Model of a Group of Unmanned Aircraft Under Rigid Coupling Conditions // Mechatronics, Production Technologies, Digital Enterprise: latest success, challenges, trends: International Student Scientific Conference (on-line), Prague, 16 мая 2024 года. Prague: Ing. Jan Kudláček, Jaroměř, 2024. P. 219—229.

23. Дерюшев П. Н., Банников А. А., Караваев Ю. Л. Моделирование движения группы квадрокоптеров при совместной транспортировке груза // Актуальные вопросы энергомашиностроения, нефтяной и газовой отрасли: Сб. тр. V Всеросс. науч.-техн. Конф., посвященной 75-летию со дня рождения профессора А. В. Алиева, Ижевск, 20—21 марта 2025 года. Ижевск: Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, 2025. С. 149—150.

24. Fossen T. I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2011. 576 p.

25. Маркеев А. П. Теоретическая механика. М.; Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика"; Институт компьютерных исследований, 2024. 712 с.

26. Hoerner S. F. Fluid-Dynamic Drag: Practical Information on Aerodynamic Drag and Hydrodynamic Resistance. USA: Published by the author, 1965. 504 p.

27. Hespanha J. P. Linear Systems Theory. Princeton: Princeton University Press, 2018. 352 p.