|
DOI: 10.14489/vkit.2025.12.pp.003-012
Кабанов С. А., Полковников Е. В.
ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГРУППОЙ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
(c. 3-12)
Аннотация. Интерес в области управления беспилотными летательными аппаратами представляет управление группой таких аппаратов. В рассматриваемом случае задача управления решается в детерминированной постановке. Групповое движение летательных аппаратов (ЛА) реализовано при подходе «ведущий–ведомый». Управление ведущим ЛА формируется на основе принципа максимума с использованием алгоритма коррекции структуры управления. Движение ведомого объекта обеспечивается по траектории, ориентированной на перемещение ведущего. Приведены результаты численного моделирования, показывающие возможность использования предложенного алгоритма для осуществления управления группой беспилотных ЛА при различных конечных условиях.
Ключевые слова: управление; оптимизация; коррекция структуры; группа беспилотных летательных аппаратов.
Kabanov S. A., Polkovnikov E. V.
OPTIMAL CONTROL OF UNMANNED AERIAL VEHICLE GROUP
(pp. 3-12)
Abstract. Currently, numerous studies are being conducted in unmanned aerial vehicle (UAV) control. The problem of controlling a UAV group is of particular interest. This article solves the group control problem for UAVs in the lateral plane while preserving optimization solutions. The control problem is formulated in a deterministic setting. Group control is implemented using a "leader-follower" approach. A mathematical model for the aircraft's center of mass motion was used for optimal control synthesis. A mathematical model representing the aircraft as a rigid body was used for simulation modeling. The leader aircraft control is formed based on the maximum principle using a control structure correction algorithm. The control structure includes segments with limit load factor values and singular control. Structure correction is carried out by controlling the switching times between these segments. The follower object motion is ensured along a trajectory oriented on the leader's movement. For simulation, the leader trajectory curvature is recalculated into the follower trajectory curvature considering a given lateral deviation. The follower's rudder deflection angle is determined by a reference value, set via the computed curvature value, and terms corresponding to PI-, PD-, or PID-regulators. The regulator weighting coefficients were determined using known analytical expressions for A.A. Krasovsky's self-organizing optimal regulator, for which they are special cases. The algorithm also used a PID-regulator to maintain the required follower UAV distance along the leader's trajectory. Numerical simulation was performed for various configuration options. Calculations using aircraft simulation models demonstrate that the proposed algorithm enables group control for vehicles while preserving optimization solutions.
Keywords: Control; Optimization; Structure correction; Group of unmanned aerial vehicles.
C. А. Кабанов, Е. В. Полковников (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
S. A. Kabanov, E. V. Polkovnikov (Baltic State Technical University “Voenmeh” D. F. Ustinov, St.-Petersburg, Russia) E-mail:
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
1. A Review of Unmanned Aerial Vehicle Technology Adoption for Precision Agriculture in Malaysia / N. Norhashim, N. L. Mohd Kamal, S. Ahmad Shah et al. // Unmanned Systems. 2024. V. 12(4). P. 707–725.
2. Zhou T., Hasheminasab S. M., Habib A. Tightly-coupled camera/LiDAR integration for point cloud generation from GNSS/INS-assisted UAV mapping systems // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2021. V. 180. P. 336–356.
3. UAV Computing-Assisted Search and Rescue Mission Framework for Disaster and Harsh Environment Mitigation / S. H. Alsamhi, A. V. Shvetsov, S. Kumar et al. // Drones. 2022. V. 6(7). P. 154.
4. Lei X., Hu X., Wang G., Luo H. A multi-UAV deployment method for border patrolling based on Stackelberg game // Journal of Systems Engineering and Electronics. 2023. V. 34(1). P. 99–116.
5. Ramachandran A., Sangaiah A. K. A review on object detection in unmanned aerial vehicle surveillance // International Journal of Cognitive Computing in Engineering. 2021. V. 2. P. 215–228.
6. Евдокименков В. Н., Красильщиков М. Н., Ляпин Н. А. Исследование маневров уклонения беспилотного летательного аппарата от атаки воздушного противника на основе игрового подхода // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2019. №10. С.21–31.
7. Евдокименков В. Н., Красильщиков М. Н., Оркин С. Д. Управление смешанными группами пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов в условиях единого информационно-управляющего поля. М.: Изд-во МАИ, 2015. 271 с.
8. Interactive Motion Planning Using Hardware-Acce¬lerated Computation of Generalized Voronoi Diagrams / K. I. Hoff, T. Culver, J. Keyser et al. // Proceeding of the 2000 IEEE Transaction on Robotics and Automation, V. 3, Inst. of lectrical and Electronics Engineers, Piscataway, 2000.
9. Rong Zhu, Dong Sun, Zhaoying Zhou Cooperation Strategy of Unmanned Air Vehicles for Multitarget Interception // Journal Guidance. 2005. V. 28, No. 5.
10. Муслимов Т. З. Алгоритмы управления строем автономных беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с помощью метода векторного поля // Системы управления, связи и безопасности. 2019. № 4. С. 187–214.
11. Babazadeh R., Selmic R. Distance-Based Multi-Agent Formation Control with Energy Constraints Using SDRE // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2019. No. 56. P. 41–56.
12. Tahir M. A., Mir I., Islam T. U. Control Algorithms, Kalman Estimation and Near Actual Simulation for UAVs: State of Art Perspective // Drones. 2023. V. 7. P. 339.
13. Малышев В. В., Кабанов Д. С. Оптимальное выведение на глубину автоматического подводного аппарата с коррекцией параметров структуры управления // Вестник МАИ. 2012. № 4. С. 88–96.
14. Кабанов Д. С. Синтез алгоритма оптимального программно-позиционного управления многорежимным автоматическим подводным аппаратом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2024. № 1. С. 60–66.
15. Кабанов С. А. Оптимизация динамики систем с коррекцией параметров структуры управления // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер 1. 2014. Вып. 2. С. 254–260.
16. Понтрягин Л. С., Болтянский В. Г., Гамкрелизде Р. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1983. 392 с.
17. Лебедев А. А, Чернобровкин Л. С. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1973. 616 с.
18. Кабанов С. А., Кабанов Д. С., Митин Ф. В. Расчет аэрогидродинамических характеристик и траекторий подвижных объектов. СПб.: Балтийский государственный технический университет, 2019. 159 с.
19. Справочник по теории автоматического управления / под ред. А. А. Красовского. М.: Наука, 1987. 712 с.
20. Батенко А. П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. М.: Сов. радио, 1977. 256 с.
21. Красовский А. А. Алгоритмические основы оптимальных адаптивных регуляторов нового класса // Автоматика и телемеханика. 1995. № 6. С. 104–116.
22. Кабанов С. А., Кабанов Д. С. Задачи управления с оптимизацией параметров прогнозирующих моделей. СПб.: Балтийский государственный технический университет. 2017. 110 с.
23. Кабанов С. А., Митин Ф. В. Оптимальное управление движением группы беспилотных автомобилей // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. № 3. С. 147–154.
24. Баранов Н. Е., Кабанов С. А. Формирование управления беспилотным летательным аппаратом на пилотажном уровне на основе метода обратных задач динамики // Вестник СПбГУГА им. А. А. Новикова. 2024. № 4(45). С. 44–51.
25. Arifianto O., Farhood M. Development and Modeling of a Low-Cost Unmanned Aerial Vehicle Research Platform // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2015. V. 80, No. 1. P. 139–164.
1. Norhashim, N., Mohd Kamal, N. L., Ahmad Shah, S., Abd Manap, Z., Mohd Sabri, M. N., & Mohd Nawi, S. N. (2024). A review of unmanned aerial vehicle technology adoption for precision agriculture in Malaysia. Unmanned Systems, 12(4), 707–725. https://doi.org/10.1142/S2301385024500180
2. Zhou, T., Hasheminasab, S. M., & Habib, A. (2021). Tightly-coupled camera/LiDAR integration for point cloud generation from GNSS/INS-assisted UAV mapping systems. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 180, 336–356. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.08.019
3. Alsamhi, S. H., Shvetsov, A. V., Kumar, S., Shvetsova, S. V., Alhartomi, M. A., Hawbani, A., Rajput, N. S., Srivastava, S., Saif, A., & Nyangaresi, V. O. (2022). UAV computing-assisted search and rescue mission framework for disaster and harsh environment mitigation. Drones, 6(7), 154. https://doi.org/10.3390/drones6070154
4. Lei, X., Hu, X., Wang, G., & Luo, H. (2023). A multi-UAV deployment method for border patrolling based on Stackelberg game. Journal of Systems Engineering and Electronics, 34(1), 99–116. https://doi.org/10.23919/JSEE.2023.000010
5. Ramachandran, A., & Sangaiah, A. K. (2021). A review on object detection in unmanned aerial vehicle surveillance. International Journal of Cognitive Computing in Engineering, 2, 215–228. https://doi.org/10.1016/j.ijcce.2021.11.004
6. Evdokimenkov, V. N., Krasil'shchikov, M. N., & Lyapin, N. A. (2019). Research of unmanned aerial vehicle evasion maneuvers from an air enemy attack based on a game approach. Vestnik Komp'iuternykh i Informatsionnykh Tekhnologii, (10), 21–31. [in Russian language]
7. Evdokimenkov, V. N., Krasil'shchikov, M. N., & Orkin, S. D. (2015). Upravlenie smeshannymi gruppami pilotiruemykh i bespilotnykh letatel'nykh apparatov v usloviiakh edinogo informatsionno-upravliaiushchego polia. MAI Publishing House. [in Russian language]
8. Hoff, K. I., Culver, T., Keyser, J., Lin, M., & Manocha, D. (2000). Interactive motion planning using hardware-accelerated computation of generalized Voronoi diagrams. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 3, 2939–2946. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2000.845138
9. Zhu, R., Sun, D., & Zhou, Z. (2005). Cooperation strategy of unmanned air vehicles for multitarget interception. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 28(5), 1064–1066. https://doi.org/10.2514/1.12400
10. Muslimov, T. Z. (2019). Algorithms for controlling the formation of autonomous unmanned aerial vehicles of aircraft type using the vector field method. Sistemy Upravleniia, Sviazi i Bezopasnosti, (4), 187–214. [in Russian language]
11. Babazadeh, R., & Selmic, R. (2020). Distance-based multi-agent formation control with energy constraints using SDRE. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 56(1), 41–56. https://doi.org/10.1109/TAES.2019.2908951
12. Tahir, M. A., Mir, I., & Islam, T. U. (2023). Control algorithms, Kalman estimation and near actual simulation for UAVs: State of art perspective. Drones, 7(5), 339. https://doi.org/10.3390/drones7050339
13. Malyshev, V. V., & Kabanov, D. S. (2012). Optimal diving of an autonomous underwater vehicle with correction of control structure parameters. Vestnik MAI, 19(4), 88–96. [in Russian language]
14. Kabanov, D. S. (2024). Synthesis of an algorithm or optimal program-positional control of a multimode autonomous underwater vehicle. Mekhatronika, Avtomatizatsiia, Upravlenie, 25(1), 60–66. [in Russian language]. https://doi.org/10.17587/mau.25.60-66
15. Kabanov, S. A. (2014). Optimization of system dynamics with correction of control structure parameters. Vestnik Sankt-Peterburgskogo Universiteta. Seriia 1. Matematika, Mekhanika, Astronomiia, (2), 254–260. [in Russian language]
16. Pontryagin, L. S., Boltyanskii, V. G., Gamkrelidze, R. V., & Mishchenko, E. F. (1983). Matematicheskaia teoriia optimal'nykh protsessov. Nauka. [in Russian language]
17. Lebedev, A. A., & Chernobrovkin, L. S. (1973). Dinamika poleta bespilotnykh letatel'nykh apparatov. Mashinostroenie. [in Russian language]
18. Kabanov, S. A., Kabanov, D. S., & Mitin, F. V. (2019). Raschet aerogidrodinamicheskikh kharakteristik i traektorii podvizhnykh ob"ektov. Baltic State Technical University. [in Russian language]
19. Krasovskii, A. A. (Ed.). (1987). Spravochnik po teorii avtomaticheskogo upravleniia. Nauka. [in Russian language]
20. Batenko, A. P. (1977). Upravlenie konechnym sostoianiem dvizhushchikhsia ob"ektov. Sovetskoe Radio. [in Russian language]
21. Krasovskii, A. A. (1995). Algorithmic foundations of new class optimal adaptive controllers. Avtomatika i Telemekhanika, (6), 104–116. [in Russian language]
22. Kabanov, S. A., & Kabanov, D. S. (2017). Zadachi upravleniia s optimizatsiei parametrov prognoziruiushchikh modelei. Baltic State Technical University. [in Russian language]
23. Kabanov, S. A., & Mitin, F. V. (2025). Optimal control of a group of unmanned vehicles motion. Mekhatronika, Avtomatizatsiia, Upravlenie, 26(3), 147–154. [in Russian language]
24. Baranov, N. E., & Kabanov, S. A. (2024). Formation of unmanned aerial vehicle control at the piloting level based on the inverse dynamics problem method. Vestnik SPbGUGA im. A. A. Novikova, (4), 44–51. [in Russian language]
25. Arifianto, O., & Farhood, M. (2015). Development and modeling of a low-cost unmanned aerial vehicle research platform. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 80(1), 139–164. https://doi.org/10.1007/s10846-015-0170-x
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/vkit.2025.12.pp.003-012
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/vkit.2025.12.pp.003-012
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»