دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

طراحی و پیاده‌سازی پرواز گروهی کوادکوپترها برای نمایش نوری با الگوریتم ترکیبی ازدحام ذرات و یادگیری فیزیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه سمنان، ایران
2 دانشگاه سمنان دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
3 دانشکده مهندسی هوا و فضا، دانشگاه شریف، تهران، ایران
چکیده
پرواز گروهی کوادکوپترها در نمایش‌های نوری، مأموریت‌های اکتشافی و نظارت هوایی اهمیت فراوانی دارد. بااین‌حال، بهینه‌سازی مسیر و تخصیص هدف با چالش‌هایی نظیر جلوگیری از برخورد، حفظ پایداری و دستیابی به همگرایی سریع همراه است. در این پژوهش، چارچوب کنترل متمرکز ارائه می‌شود که در آن یک واحد تصمیم‌گیر مرکزی، مسئول تخصیص اهداف، تولید مسیر و اعمال قیود ایمنی برای کل گروه پروازی است. در این چارچوب، الگوریتمی ترکیبی و بهبودیافته مبتنی بر ازدحام ذرات و یادگیری فیزیکی، مسیر حرکت، تخصیص هدف و هماهنگی پرواز گروهی کوادکوپترها را بهینه می‌سازد. هدف این روش، افزایش سرعت همگرایی و پایداری جستجو از طریق ترکیب قابلیت‌های دو الگوریتم است. در ساختار پیشنهادی، الگوریتم ازدحام ذرات به‌عنوان بخش اکتشاف سراسری عمل می‌کند و الگوریتم یادگیری فیزیکی با بهره‌گیری از مفاهیم انرژی و مومنتوم، موقعیت ذرات را دینامیک اصلاح نموده و از گرفتارشدن در کمینه‌های محلی جلوگیری می‌کند. نتایج شبیه‌سازی، برتری روش ترکیبی را ازنظر سرعت همگرایی، دقت، پایداری و کارایی محاسباتی نسبت به الگوریتم‌های مستقل تأیید می‌کند
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and Experimental Validation of Quadrotor Swarm Flight for Drone Light Shows Based on a Hybrid Particle Swarm Optimization and Physics Learning Framework.

نویسندگان English

Naser Eskandarian 1
farhad ferdowsi 2
Fahimeh Baghbani 1
Alireza Sharifi 3
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 Faculty of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده English

Quadcopter swarm flight is of great significance in light displays, exploratory missions, and aerial surveillance. However, trajectory optimization and target assignment are accompanied by challenges such as collision avoidance, stability preservation, and achieving rapid convergence. In this study, a centralized control framework is proposed in which a central decision-making unit is responsible for target allocation, path generation, and enforcing safety constraints for the entire flying swarm. Within this framework, an improved hybrid algorithm based on particle swarm optimization and physics-based learning optimizes the trajectory, target assignment, and coordination of quadcopter swarms. The aim of this method is to enhance convergence speed and search stability by combining the capabilities of the two algorithms. In the proposed structure, the particle swarm optimization algorithm serves as the global exploration component, while the physics-based learning algorithm, leveraging the concepts of energy and momentum, dynamically adjusts particle positions to prevent entrapment in local minima. Simulation results confirm the superiority of the hybrid method over the independent algorithms in terms of convergence speed, accuracy, stability, and computational efficiency.

کلیدواژه‌ها English

Particle Swarm Optimization (PSO)
Physical Learning (PL)
Multi-UAV Cooperative Flight
Obstacle Avoidance
Formation Control