کنترل ‌پرواز مبتنی بر وارون‌دینامیک تطبیقی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی هوافضا / دانشکدة هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این مقاله کنترل پرواز براساس وارون‏دینامیک تطبیقی با جداسازی مقیاس زمانی برای هواپیما ارائه شده است. به‌دلیل رفتار غیرخطی دینامیک وسیلة پرنده، مسئلة کنترل پرواز در طراحی اجسام پرنده موضوعی نسبتاً پیچیده و مهم محسوب می‌شود. علاوه بر روش‏های سنتی، روش‏های وارون‌دینامیک، فازی، تطبیقی و روش‏های مبتنی بر شبکة عصبی نیز در این زمینه به‌کار رفته‏اند. بعد از بررسی آنها، روش ترکیبی وارون‌دینامیک تطبیقی برای تعقیب فرمان‌ زاویه‌های حمله، لغزش‌جانبی و رول در دستگاه باد ( ) انتخاب شده است. معادلات حرکت کامل شش ‌درجه آزادی هواپیما جهت تعقیب فرمان‌های ورودی آمده است. چون روش وارون‌دینامیک به مدل کامل و دقیق دینامیک هواپیما نیاز دارد، برای جبران این نقص از کنترل‏کنندة تطبیقی استفاده شده است. دینامیک سیستم براساس جداسازی مقیاس زمانی به دو حلقة داخلی سریع و حلقة خارجی کند تقسیم شده و کنترل تطبیقی فقط در حلقة داخلی و وارون‏دینامیک در حلقة خارجی اعمال شده‏اند. عملکرد روش پیشنهادی با نتایج حاصل از روش وارون‏دینامیک مقایسه شده و نتایج شبیه‏سازی‏ها نشان‏دهندة تأثیر کنترل‏کنندة وارون‏دینامیک تطبیقی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Flight control using adaptive dynamic inversion

نویسندگان [English]

  • Maryam Mobini Bidgoli 1
  • Seyed Hossein Sadati 2
چکیده [English]

This paper discusses the flight control strategy based on Adaptive Dynamic Inversion (ADI) with two-time-scale separation for airplane. Because of nonlinear behavior of flight dynamics, the flight control problem is a rather important and complex issue. In addition to traditional methods, e.g., classic controller, Dynamic inversion methods, fuzzy and neural networks have been used. After reviewing these methods, Combination Adaptive dynamic inversion Method is designed. In this structure, the control system attempts to track the angle of attack, the sideslip angle and the roll angle in wind frame ( ). Six degree-of-freedom nonlinear equations of motion are considered for tracking the input commands. Dynamic inversion technique needs an exact and accurate flight dynamics, and to avoid this problem, we use an adaptive controller. Two-timescale based system dynamics are divided into slow outer variables and fast inner variables. Adaptive controller and Dynamic inversion algorithm are used in inner and outer loops, respectively. The performance of the proposed method compares with Full Dynamic Inversion (DI) method. Simulation results demonstrated the efficacy of Adaptive Dynamic Inversion controller.

کلیدواژه‌ها [English]

  • flight controller
  • adaptive dynamics inversion
  • dynamics inversion
  • adaptive controller
  • time-scale separation

[1] Xie, Z., Y. Xia, M. Fu. “Robust trajectory tracking method for UAV using nonlinear dynamic inversion.” Proc. 2011 IEEE 5th Int. Conf. Cybern. Intell. Syst. CIS 2011, pp. 93-98.

[2] Reiner, J., G. J. Balas, W. L. Garrard. "Flight control design using robust dynamic inversion and time-scale separation." Automatica, 1996. 32(11): p. 1493-1504.

[3] Tanyer, I., E. Tatlicioglu, E. Zergeroglu. “A robust adaptive tracking controller for an aircraft with uncertain dynamical terms.” 2014, pp. 3202-3207.

[4] Wang, H., X. Zhang, J. Yi. "Reconfigurable flight control based on nonlinear dynamic inversion and dynamic control allocation." Int. J. Syst. Control Inf. Process, vol. 1, No. January 2014, p. 274.

[5] Zhang, Z., F. Hu, J. Li. “Autonomous flight control system designed for small-scale helicopter based on approximate dynamic inversion." 2011 3rd Int. Conf. Adv. Comput. Control. ICACC 2011, no. August 2015, pp. 185-191.

[6] D. Enns and T. Keviczky, “Dynamic inversion based flight control for autonomous RMAX helicopter,” 2006 Am. Control Conf., pp. 3916–3923, 2006.

[7] Peng, K., G. Cai, B. M. Chen, M. Dong, K. Y. Lum, T. H. Lee. "Design and implementation of an autonomous flight control law for a UAV helicopter." Automatica, vol. 45, No. 10, 2009, pp. 2333-2338.

[8] Tanyer, I., E. Tatlicioglu, E. Zergeroglu. “A robust dynamic inversion technique for asymptotic tracking control of an aircraft.” 9th Asian Control Conf., 2013, pp. 1-6.

[9] Liu, Z. L. Z., F. Z. F. Zhou, J. Z. J. Zhou. “Flight Control of Unpowered Flying Vehicle Based on Robust Dynamic Inversion.” Chinese Control Conf., vol. 4, No. 4, 2006, pp. 693-698.

[10] Yamasaki, T., H. Sakaida, K. Enomoto, H. Takáno, Y. Babal. "Robust trajectory-tracking method for UAV guidance using proportional navigation." ICCAS 2007 - Int. Conf. Control. Autom. Syst., 2007, pp. 1404-1409.

[11] Wang, Q., R. F. Stengel. “Robust nonlinear flight control of a high-performance aircraft.” IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 13, No. 1, 2005, pp. 15-26.

[12] Chen, J. C. J., D. L. D. Li, X. J. X. Jiang, X. S. X. Sun. “Adaptive Feedback Linearization Control of a Flexible Spacecraft.” 6th Int. Conf. Intell. Syst. Des. Appl., vol. 2, 2006.

[13] Wang, S., J. Li, S. Wang. “A dynamic inversion controller design for miniature Unmanned Aerial Vehicles.” Int. Conf. Consum. Electron. Commun. Networks, 2011, pp. 1916-1921.

[14] Liu, X. J., F. Lara-Rosano, C. W. Chan. “Model-reference adaptive control based on neurofuzzy networks.” IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Part C Appl. Rev., vol. 34, No. 3, 2004, pp. 302-309.

[15] Tandale, M. D. J. Valasek. “Adaptive dynamic inversion control of a linear scalar plant with constrained control inputs.” Proc. 2005, Am. Control Conf., No. 2, 2005.

[16] Lin, Q., Z. Cai, Y. Wang, J. Yang, L. Chen. “Adaptive Flight Control Design for Quadrotor UAV Based on Dynamic Inversion and Neural Networks.” 3rd Int. Conf. Instrumentation, Meas. Comput. Commun. Control, 2013, pp. 1461-1466.

[17] Hovakimyan, N., E. Lavretsky, C. Cao. “Adaptive dynamic inversion via time-scale separation.” IEEE Trans. Neural Networks, Vol. 19, No. 10, 2008, pp. 1702-1711.

[18] Reiner, J., G. J. Balas, W. L. Garrard. “Flight control design using robust dynamic inversion and time-scale separation.” Automatica, Vol. 32, No. 11, 1996, pp. 1493-1504.

 [19] ساداتی، ح.، م. منهاج، م. سبزه‌پرور. "کنترلر تطبیقی کنترل ‌پرواز با استفاده از وارون‌دینامیک و شبکة ‌عصبی." ‌امیرکبیر، س. 18، ش. 66، بهار و تابستان 1386.

[20] Bodson, M., J. Groszkiewicz. “Multivariable Adaptive Algorithm for Reconfigurable Flight Control.” IEEE Trans. Control Syst. Technol., Vol. 5, No. 2, 1997, pp. 217-229.

[21] Kim, K., K. Lee, Y. Kim. “Recon gurable Flight Control System Design Using Direct Adaptive Method.” Vol. 26, No. 4, 2003.