Розробка математичного моделювання системи керування рухом мобільного робота

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.308928

Ключові слова:

безпілотний літальний апарат, математична модель, лінійно-квадратичний регулятор, пропорційно-похідна, керування та стійкість

Анотація

Це дослідження спрямоване на розробку математичної моделі для точного керування та стабілізації безпілотних літальних апаратів (БПЛА) у різних просторових умовах. Вирішуючи проблему досягнення точного керування та стабільності, запропоноване рішення проектує систему керування на основі лінійно-квадратичного контролера (ЛКК) та моделює його за допомогою пропорційно-похідного (PD) контролера, реалізованого в Matlab/Simulink. Результати демонструють високу точність і стабільність в управлінні параметрами руху БПЛА – креном, тангажем, курсом і висотою. Цей важливий рівень продуктивності досягається завдяки адаптивності системи керування на основі ЛКК, яка оптимізує керуючі дії відповідно до нестаціонарної динаміки БПЛА. Інтеграція контролера PD покращує чуйність і стабільність, забезпечуючи точний контроль руху в діапазоні просторових станів. Ці функції ефективно вирішують проблему, керуючи складною динамікою БПЛА та забезпечуючи точне керування. Результати пояснюються здатністю ЛКК забезпечувати оптимальні закони керування, які мінімізують відхилення за допомогою квадратичної функції вартості, тоді як контролер PD швидко виправляє помилки та реагує на порушення. Переваги цього підходу включають значне зменшення помилок керування приблизно на 25–30 %, збільшення швидкості реакції на зовнішні перешкоди та зменшення затримки обчислення завдяки ефективній обробці порівняно з більш ресурсномісткими методами, такими як прогнозне керування моделлю. Розроблена математична модель може бути застосована на практиці в умовах, що вимагають надійного контролю в режимі реального часу та адаптації до динамічних змін зовнішнього середовища. Він особливо підходить для таких галузей, як логістика, спостереження та моніторинг навколишнього середовища, забезпечуючи ефективне та оптимальне рішення для стабілізації та контролю руху БПЛА в різних просторових станах. Такий підхід покращує характеристики БПЛА та розширює їх можливості в різних умовах експлуатації.

Біографії авторів

Zhanibek Issabekov, Abay Myrzakhmetov Kokshetau University

PhD, Vice-Rector for Innovation

Aldabergen Bektilevov, Satbayev University

Doctor of Philosophical Sciences, Associate Professor

School of Transport Engineering and Logistics named after M. Tynyshpayev

Vinera Baiturganova, Satbayev University

Senior Lecturer

Department of Robotics and Technical Means of Automation

Makhabbat Zhamuratova, Satbayev University

Senior Lecturer

Department of Robotics and Technical Means of Automation

Perizat Rakhmetova, Satbayev University

PhD Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer

Department of Robotics and Technical Means of Automation

Посилання

  1. Wang, Z., Li, P., Li, Q., Wang, Z., Li, Z. (2023). Motion Planning Method for Car-Like Autonomous Mobile Robots in Dynamic Obstacle Environments. IEEE Access, 11, 137387–137400. https://doi.org/10.1109/access.2023.3339539
  2. Issabekov, Z., Aldiyarov, N. (2021). Developing the Mathematical Model of the Bipedal Walking Robot Executive Mechanism. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, 12 (12). https://doi.org/10.14569/ijacsa.2021.0121240
  3. Reyes-Rubiano, L., Voegl, J., Hirsch, P. (2022). An Online Algorithm for Routing an Unmanned Aerial Vehicle for Road Network Exploration Operations after Disasters under Different Refueling Strategies. Algorithms, 15 (6), 217. https://doi.org/10.3390/a15060217
  4. Altay, Y. A., Lyamin, A. V., Kelemseiit, N. E., Skakov, D. M. (2023). Cascade Notch Filter with a Unity Feedback and Improved Transient Response. 2023 V International Conference on Control in Technical Systems (CTS), 1, 217–220. https://doi.org/10.1109/cts59431.2023.10288775
  5. Colomina, I., Molina, P. (2014). Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing: A review. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 92, 79–97. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2014.02.013
  6. Rakhmetova, P., Shingissov, B., Torgaev, A., Yussupova, S., Kaliyev, Y. (2024). Artificial vision for manipulators: A review. International Conference on Environmental, Mining, and Sustainable Development 2022, 3001, 060015. https://doi.org/10.1063/5.0195816
  7. Rafeeq, M., Toha, S. F., Ahmad, S., Razib, M. A. (2021). Locomotion Strategies for Amphibious Robots-A Review. IEEE Access, 9, 26323–26342. https://doi.org/10.1109/access.2021.3057406
  8. Zhu, K., Zhang, T. (2021). Deep reinforcement learning based mobile robot navigation: A review. Tsinghua Science and Technology, 26 (5), 674–691. https://doi.org/10.26599/tst.2021.9010012
  9. Alatise, M. B., Hancke, G. P. (2020). A Review on Challenges of Autonomous Mobile Robot and Sensor Fusion Methods. IEEE Access, 8, 39830–39846. https://doi.org/10.1109/access.2020.2975643
  10. Zhang, B., Sengoku, R., Lim, H.-O. (2023). Adaptive Motion Control for an Autonomous Mobile Robot Based on Space Risk Map. IEEE Access, 11, 69553–69562. https://doi.org/10.1109/access.2023.3292999
  11. Azizi, M. R., Rastegarpanah, A., Stolkin, R. (2021). Motion Planning and Control of an Omnidirectional Mobile Robot in Dynamic Environments. Robotics, 10 (1), 48. https://doi.org/10.3390/robotics10010048
  12. Gong, H., Huang, B., Jia, B., Dai, H. (2023). Modeling Power Consumptions for Multirotor UAVs. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 59 (6), 7409–7422. https://doi.org/10.1109/taes.2023.3288846
  13. Zhao, J. (2023). Quadrotor’s modeling and control system design based on PID control. Journal of Physics: Conference Series, 2483 (1), 012034. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2483/1/012034
  14. Bangura, M., Mahony, R. (2014). Real-time Model Predictive Control for Quadrotors. IFAC Proceedings Volumes, 47 (3), 11773–11780. https://doi.org/10.3182/20140824-6-za-1003.00203
  15. An, C., Jia, S., Zhou, J., Wang, C. (2022). Fast Model-Free Learning for Controlling a Quadrotor UAV With Designed Error Trajectory. IEEE Access, 10, 79669–79680. https://doi.org/10.1109/access.2022.3194276
  16. Abdulkareem, A., Oguntosin, V., Popoola, O. M., Idowu, A. A. (2022). Modeling and Nonlinear Control of a Quadcopter for Stabilization and Trajectory Tracking. Journal of Engineering, 2022, 1–19. https://doi.org/10.1155/2022/2449901
  17. Pachayappan, M., Sundarakani, B. (2022). Drone delivery logistics model for on-demand hyperlocal market. International Journal of Logistics Research and Applications, 26 (12), 1728–1760. https://doi.org/10.1080/13675567.2022.2107189
  18. Toscano, F., Fiorentino, C., Capece, N., Erra, U., Travascia, D., Scopa, A. et al. (2024). Unmanned Aerial Vehicle for Precision Agriculture: A Review. IEEE Access, 12, 69188–69205. https://doi.org/10.1109/access.2024.3401018
  19. Quispe, J. A. B., Kemper, R. J. H., Gardini, S. R. P. (2023). Linear Quadratic Regulator (LQR) Control for the Active Suspension System of a Four-Wheeled Agricultural Robot. 2023 IEEE XXX International Conference on Electronics, Electrical Engineering and Computing (INTERCON), 41, 1–6. https://doi.org/10.1109/intercon59652.2023.10326049
  20. Bennaceur, Selima., Azouz, N. (2023). Modelling and control of a quadrotor with flexible arms. Alexandria Engineering Journal, 65, 209–231. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.10.027
  21. Zhang, B., Sun, X., Lv, M., Liu, S. (2022). Distributed Coordinated Control for Fixed-Wing UAVs With Dynamic Event-Triggered Communication. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 71 (5), 4665–4676. https://doi.org/10.1109/tvt.2022.3140771
  22. Aliyari, M., Wong, W.-K., Bouteraa, Y., Najafinia, S., Fekih, A., Mobayen, S. (2022). Design and Implementation of a Constrained Model Predictive Control Approach for Unmanned Aerial Vehicles. IEEE Access, 10, 91750–91762. https://doi.org/10.1109/access.2022.3202020
Розробка математичного моделювання системи керування рухом мобільного робота

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-30

Як цитувати

Issabekov, Z., Bektilevov, A., Baiturganova, V., Zhamuratova, M., & Rakhmetova, P. (2024). Розробка математичного моделювання системи керування рухом мобільного робота. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(2 (131), 103–111. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.308928

Номер

Том 5 № 2 (131) (2024): Інформаційні технології. Системи управління в промисловості

Розділ

Системи управління в промисловості

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Zhanibek Issabekov, Aldabergen Bektilevov, Vinera Baiturganova, Makhabbat Zhamuratova, Perizat Rakhmetova

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.