Повышение точности следования БПЛА по заданной траектории при ветровых нагрузках методом SPSA

Повышение точности следования БПЛА по заданной траектории при ветровых нагрузках методом SPSA

Амелин Константин Сергеевич
к.ф.-м.н., Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ), научно-образовательный центр «Математическая робототехника и искусственный интеллект», директор, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7-9, тел.: +7(904)510-51-09, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-3643-5132

Граничин Олег Николаевич
д.ф.-м.н., СПбГУ, профессор, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7-9; тел.: +7(921)740-03-37, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-3631-7347

Мальцев Владимир Сергеевич
СПбГУ, научно-образовательный центр «Математическая робототехника и искусственный интеллект», исследователь, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7-9, тел.: +7(921)567-19-64

Сергеев Сергей Федорович
д.псх.н., профессор, СПбГУ, профессор, 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7-9; Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого (СПбПУ), НИЛ «Эргономика сложных систем», заведующий лабораторией, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, тел.: +7(911)995-09-29, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID: 0000-0002-6677-8320

Материал поступил в редакцию 30 августа 2021 года.

Аннотация

Одним из основных направлений применения БПЛА является сбор данных с точной их привязкой к выбран-ной системе координат (например, при аэрофотосъемке). При этом важно не только записывать точные координаты сбора данных, но и обеспечить минимальное отклонение БПЛА от заданного маршрута в условиях действия на него внешних возмущений (ветровых нагрузок). В статье предлагается процедура оценки скорости и направления ветра с использованием метода SPSA. Представлены результаты имитационного моделирования работы алгоритма, которые подтверждены при натурных испытаниях на сверхлегком БПЛА.

Ключевые слова
Система управления БПЛА, рандомизированные алгоритмы, фильтр Калмана, глобальная система позиционирования, методы предсказания случайного процесса.

Благодарности
Исследование поддержано Санкт-Петербургским государственным университетом, проект № 73555239.

DOI
10.31776/RTCJ.9403

Индекс УДК 
519.711: 519.711

Библиографическое описание
Амелин К.С. Повышение точности следования БПЛА по заданной траектории при ветровых нагрузках методом SPSA / К.С. Амелин, О.Н. Граничин, В.С. Мальцев, С.Ф. Сергеев // Робототехника и техническая кибернетика. – Т. 9. - №4. – Санкт-Петербург : ЦНИИ РТК. – 2021. – С. 260-270. – Текст : непосредственный.

Литература

  1. Ribeiro Maria Isabel. Kalman and Extended Kalman Filters: Concept, Derivation and Properties / Maria Isabel Ribeiro — Lisboa : Institute for Systems and Robotics. — 2004. — 43 p. – Text : unmediated.
  2. Experimental validation of Kalman filter-based strain estimation in structures subjected to non-zero mean input / Rajendra P. Palanisamy, Soojin Cho, Hyunjun Kim, Sung-Han Sim // Smart Structures and Systems. — 2015. — № 2. — Vol. 15. — Pp. 489-503. — Text : unmediated.
  3. Duník Jindřich The Development of a Randomised Unscented Kalman Filter / Duník Jindřich, Straka Ondřej, Šimandl Miroslav // IFAC Proceedings Volumes. 18th IFAC World Congress. — 2011. — Vol. 44, № 1. — Pp. 8-13. — Text : unmediated.
  4. James C. S. Introduction to Stochastic Search and Optimization: Estimation, Simulation / C. S. James. — WILEY, 2005. — P. 618 — Text : unmediated.
  5. Antal C. Adaptive autonomous soaring of multiple UAVs using Simultaneous Perturbation Stochastic Approximation / C. Antal, O. Granichin, S. Levi // 49th IEEE Conference on Decision and Control (CDC). — 2010. — Pp. 3656-3661. — Text : unmediated.
  6. Alessandri A. Nonlinear modeling of complex large-scale plants using neural networks and stochastic approximation / A. Alessandri, T. Parisini // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics — Part A: Systems and Humans. — 1997. — Vol. 27, №. 6. — Pp. 750-757. — Text : unmediated.
  7. Amelin K. Randomized controls for linear plants and confidence regions for parameters under external arbitrary noise / K. Amelin, O. Granichin // 2012 American Control Conference (ACC). — 2012. — Pp. 851-856. — Text : unmediated.
  8. Claude S. Time-Varying Feedback Stabilization of Car-like Wheeled Mobile Robots / S. Claude // International Journal of Robotics Research. — 1993. — Vol. 12, №. 1. — Pp. 55-64. — Text : unmediated.
  9. Conte G. Dynamic 3D path following for an autonomous helicopter / G. Conte, S. Duranti, T. Merz // IFAC Proceedings Volumes. — 2004. — Vol. 37, № 8. — Pp. 472-477. — Text : unmediated.
  10. Fossen Thor I. Line-of-sight path following of underactuated marine craft / Thor I. Fossen, Morten Breivik, Roger Skjetne // IFAC Proceedings Volumes. — 2003. — Vol. 36, № 21. — Pp. 211-216. — Text : unmediated.
  11. Path Generation and Tracking in 3-D for UAVs / G. Ambrosino, M. Ariola, U. Ciniglio [et al] // IEEE Transactions on Control Systems Technology. — 2009. — Vol. 17, № 4, — Pp. 980-988. — Text : unmediated.
  12. Bingyu Zhou. Adaptive path following for Unmanned Aerial Vehicles in time-varying unknown wind environments / Bingyu Zhou, H. Satyavada, S. Baldi // 2017 American Control Conference (ACC). — 2017. — Pp. 1127-1132. — Text : unmediated.
  13. Park Sanghyuk Performance and Lyapunov Stability of a Nonlinear Path Following Guidance Method / Park Sanghyuk, Deyst John, How Jonathan P. // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. — 2007. — Vol. 30, № 6. – Pp. 1718–1728. — Text : unmediated.
  14. Chen H. UAV Path Planning with Tangentplus-Lyapunov Vector Field Guidance and Obstacle Avoidance / H. Chen, K. Chang, C.S. Agate // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. — 2013. — Vol. 49, № 2 — Pp. 840-856. — Text : unmediated.
  15. Sun M. UAV Path Generation, Path Following and Gimbal Control / M. Sun, R. Zhu, X. Yang // 2008 IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control. — 2008. — Pp. 870-873. — Text : unmediated.
  16. Ashwini Ratnoo. Adaptive Optimal Path Following for High Wind Flights / Ashwini Ratnoo, P.B. Sujit, K. Mangal // IFAC Proceedings Volumes. — 2011. — Vol. 44, № 1. — Pp. 12985-12990. — Text : unmediated.
  17. Healey A. J. Multivariable sliding mode control for autonomous diving and steering of unmanned underwater vehicles / A. J. Healey, D. Lienard // IEEE Journal of Oceanic Engineering. — 1993. — Vol. 18, № 3. — Pp. 327-339. — Text : unmediated.
  18. Tracking controllers for small UAVs with wind disturbances: Theory and flight results / S. Jackson, J. Tisdale, M. Kamgarpour [et al] // 2008 47th IEEE Conference on Decision and Control. — 2008. — Pp. 564-569. — Text : unmediated.
  19. Ahmed M. Nonlinear 3-D trajectory guidance for unmanned aerial vehicles / M. Ahmed, K. Subbarao // 2010 11th International Conference on Control Automation Robotics Vision. — 2010. — Pp. 1923–1927. — Text : unmediated.
  20. Cunha R. A path following controller for model-scale helicopters / R. Cunha, C. Silvestre, A. Pascoal // 2003 European Control Conference (ECC). — 2003. — Pp. 2248-2253. — Text : unmediated.
  21. Da Silva J. E. A dynamic programming approach for the motion control of autonomous vehicles / J. E. Da Silva, J. B. de Sousa // 49th IEEE Conference on Decision and Control (CDC). — 2010. — Pp. 6660-6665. — Text : unmediated.
  22. Shehab S. Preliminary results on UAV path following using piecewise-affine control / S. Shehab, L. Rodrigues // Proceedings of 2005 IEEE Conference on Control Applications, 2005. CCA 2005. — 2005. — Pp. 358-363. — Text : unmediated.
  23. Youngjoo K. Introduction to Kalman Filter and Its Applications / K. Youngjoo, B. Hyochoong. – IntechOpen. — 2018. — 16 p. — ISBN: 978-1-83880-536-4. — Text : unmediated.
  24. Garulli A., Giarre L., Zappa G. Identification of approximated Hammerstein models in a worst-case setting / A. Garulli, L. Giarre, G. Zappa // Automatic Control, IEEE Transactions on. — 2003. — Vol. 47, № 1. — Pp. 2046-2050. — Text : unmediated.
  25. Кунцевич В. М. Робастная устойчивость и синтез дискретных систем управления нелинейными объектами / В. М. Кунцевич // Проблемы управления и информатики систем. — 2007. — № 4. — Том 39. — С. 5–22. — Текст : непосредственный.
  26. Александров А. Г. Конечно-частотная идентификация: динамический алгоритм / А. Г. Александров, Ю. Ф. Орлов // Проблемы управления. — 2009. — № 4. — С. 2–8. — Текст : непосредственный.
  27. Граничин О. Н. Адаптивное управление с использованием пробных сигналов / О. Н. Граничин, В. Н. Фомин // Автоматика и телемеханика. — 1986. – № 2. — С. 100–112. — Текст : непосредственный.
  28. Граничин О. Н. Рандомизированные алгоритмы оценивания и оптимизации при почти произвольных помехах / О. Н. Граничин, Б. Т. Поляк. — Москва : Наука, 2003. — 293 c. — Текст : непосредственный.
  29. MASC – a small Remotely Piloted Aircraft (RPA) for wind energy research / N. Wildman, M. Hofsäß, F. Weimer [et al] // Advances in Science and Research. — 2014. — Vol. 11, № 5. – Pp. 55-61. — Text : unmediated.
  30. Dobrowolski B. A mathematical model of the self-averaging Pitot tube / B. Dobrowolski, M. Kabaciński, J. Pospolita // Flow Measurement and Instrumentation. — 2005. — Vol. 16, № 8. — Pp. 251-265. — Text : unmediated.
  31. A ‘No-Flow-Sensor’ Wind Estimation Algorithm for Unmanned Aerial Systems/ S. Mayer, G. Hattenberger, P. Brisset [et al] // International Journal of Micro Air Vehicles. — 2012. — Vol. 4, № 03. — Pp. 15-30. — Text : unmediated.
  32. Done G.T.S. Dynamics of Flight: The Equations / J-L. Boiffier, John Wiley and Sons, Baffins Lane // The Aeronautical Journal (1968). — 1999. — Vol. 103, № 1025. — Pp. 358. — Text : unmediated.
  33. Bange J. Airborne Measurement of Turbulent Energy Exchange between the Earth Surface and the Atmosphere / J. Bange. — 2009. — P. 178. — Text : unmediated.
  34. Amelin K. S. Randomization in control for a small UAV fly optimization under unknown arbitrary wind disturbances / K. S. Amelin // Cybernetics and Physics. — 2012. — Vol. 1, № 2. — Pp. 79-88. — Text : unmediated.

 

Полный текст статьи (pdf)

Адрес редакции:  Россия, 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21   Тел.: +7(812) 552-13-25 e-mail: zheleznyakov@rtc.ru 
 
 
vk2    tg2