Синтез контролера для квадрокоптерів з підвішеними корисними навантаженнями

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342109

Ключові слова:

керування ковзним режимом, розширений спостерігач станів, безпілотний літальний апарат, траєкторія

Анотація

Об'єктом цього дослідження є керування квадрокоптером. Безпілотні літальні апарати, що використовуються зараз, часто стикаються з різними труднощами та обмеженнями. Під час роботи в середовищах, що піддаються зовнішнім збуренням, зокрема, під час перенесення підвішених вантажів на тросах, проблема керування стає значно складнішою. В результаті квадрокоптер не може точно слідувати заданій траєкторії польоту.

Вирішена проблема полягає в синтезі нового контролера для квадрокоптера з вантажем, підвішеним на тросі, що забезпечує точне слідування квадрокоптера заданій траєкторії польоту. Запропонований алгоритм демонструє значне покращення порівняно з існуючими методами, ефективно пригнічуючи кут коливань підвішеного корисного вантажу, розглядаючи вплив корисного вантажу як зовнішнє збурення. Крім того, він обмежує кут розгойдування в прийнятному діапазоні, тим самим забезпечуючи стабільність та надійність всієї системи під час роботи.

У цьому дослідженні представлено новий алгоритм керування, здатний точно направляти квадрокоптер у потрібне положення, навіть за умови перенесення вантажу, підвішеного на тросі, у змінному середовищі. Алгоритм демонструє значну перевагу, дозволяючи квадрокоптеру досягти бажаної траєкторії протягом 2,6 секунд. Підвішений вантаж демонструє лише невеликі коливання, які поступово зменшуються, коли квадрокоптер переходить у стабільний стан. Завдяки своїй простій структурі, високій стабільності та швидкій конвергенції, це надійне рішення є важливим для безпілотних літальних апаратів, значно підвищуючи їхню експлуатаційну ефективність у складних умовах.

Ключовою перевагою запропонованого алгоритму є його проста структура. Крім того, він демонструє високі показники конвергенції та виняткову стабільність, що є важливими атрибутами для застосувань у реальному часі. Його конструкція також забезпечує легкість практичного впровадження, що робить його життєздатним рішенням для безпілотних літальних апаратів. Алгоритм розроблено на основі сучасних методів керування, поєднуючи контролер ковзного режиму з розширеним спостерігачем станів. Керування ковзним режимом підтримує стабільність системи за наявності збурень та невизначеностей, тоді як розширений спостерігач станів оцінює невиміряні стани та сукупні збурення, що впливають на систему. Така конструкція забезпечує точне позиціонування квадрокоптера з підвішеним вантажем у потрібному місці

Біографії авторів

Nguyen Thi Dieu Linh, Hanoi University of Industry

PhD

Department of Science and Technology

Nguyen Van Bang, Air Defence – Air Force Academy

PhD

Department of Missile

Посилання

  1. Lin, S., Liu, A., Wang, J., Kong, X. (2022). A Review of Path-Planning Approaches for Multiple Mobile Robots. Machines, 10 (9), 773. https://doi.org/10.3390/machines10090773
  2. Loganathan, A., Ahmad, N. S. (2023). A systematic review on recent advances in autonomous mobile robot navigation. Engineering Science and Technology, an International Journal, 40, 101343. https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.101343
  3. Liu, Y., Wang, S., Xie, Y., Xiong, T., Wu, M. (2024). A Review of Sensing Technologies for Indoor Autonomous Mobile Robots. Sensors, 24 (4), 1222. https://doi.org/10.3390/s24041222
  4. Niloy, Md. A. K., Shama, A., Chakrabortty, R. K., Ryan, M. J., Badal, F. R., Tasneem, Z. et al. (2021). Critical Design and Control Issues of Indoor Autonomous Mobile Robots: A Review. IEEE Access, 9, 35338–35370. https://doi.org/10.1109/access.2021.3062557
  5. Sousa, R. B., Sobreira, H. M., Moreira, A. P. (2023). A systematic literature review on long‐term localization and mapping for mobile robots. Journal of Field Robotics, 40 (5), 1245–1322. https://doi.org/10.1002/rob.22170
  6. Kabir, H., Tham, M.-L., Chang, Y. C. (2023). Internet of robotic things for mobile robots: Concepts, technologies, challenges, applications, and future directions. Digital Communications and Networks, 9 (6), 1265–1290. https://doi.org/10.1016/j.dcan.2023.05.006
  7. Gielis, J., Shankar, A., Prorok, A. (2022). A Critical Review of Communications in Multi-robot Systems. Current Robotics Reports, 3 (4), 213–225. https://doi.org/10.1007/s43154-022-00090-9
  8. Garaffa, L. C., Basso, M., Konzen, A. A., de Freitas, E. P. (2023). Reinforcement Learning for Mobile Robotics Exploration: A Survey. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 34 (8), 3796–3810. https://doi.org/10.1109/tnnls.2021.3124466
  9. Orr, J., Dutta, A. (2023). Multi-Agent Deep Reinforcement Learning for Multi-Robot Applications: A Survey. Sensors, 23 (7), 3625. https://doi.org/10.3390/s23073625
  10. Sun, H., Zhang, W., Yu, R., Zhang, Y. (2021). Motion Planning for Mobile Robots – Focusing on Deep Reinforcement Learning: A Systematic Review. IEEE Access, 9, 69061–69081. https://doi.org/10.1109/access.2021.3076530
  11. 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
  12. Cohen, S., Agmon, N. (2021). Recent Advances in Formations of Multiple Robots. Current Robotics Reports, 2 (2), 159–175. https://doi.org/10.1007/s43154-021-00049-2
  13. Rafai, A. N. A., Adzhar, N., Jaini, N. I. (2022). A Review on Path Planning and Obstacle Avoidance Algorithms for Autonomous Mobile Robots. Journal of Robotics, 2022, 1–14. https://doi.org/10.1155/2022/2538220
  14. Cho, S. W., Park, H. J., Lee, H., Shim, D. H., Kim, S.-Y. (2021). Coverage path planning for multiple unmanned aerial vehicles in maritime search and rescue operations. Computers & Industrial Engineering, 161, 107612. https://doi.org/10.1016/j.cie.2021.107612
  15. Omar, H. M., Akram, R., Mukras, S. M. S., Mahvouz, A. A. (2023). Recent advances and challenges in controlling quadrotors with suspended loads. Alexandria Engineering Journal, 63, 253–270. https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.08.001
  16. Liang, X., Yu, H., Zhang, Z., Liu, H., Fang, Y., Han, J. (2023). Unmanned Aerial Transportation System With Flexible Connection Between the Quadrotor and the Payload: Modeling, Controller Design, and Experimental Validation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 70 (2), 1870–1882. https://doi.org/10.1109/tie.2022.3163526
  17. Huang, J., Tao, H., Wang, Y., Sun, J.-Q. (2023). Suppressing UAV payload swing with time-varying cable length through nonlinear coupling. Mechanical Systems and Signal Processing, 185, 109790. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109790
  18. Xinyu, C., Yongsheng, Z., Yunsheng, F. (2020). Adaptive Integral Backstepping Control for a Quadrotor with Suspended Flight. 2020 5th International Conference on Automation, Control and Robotics Engineering (CACRE), 226–234. https://doi.org/10.1109/cacre50138.2020.9229913
  19. Van Trieu, P., Cuong, H. M., Dong, H. Q., Tuan, N. H., Tuan, L. A. (2021). Adaptive fractional-order fast terminal sliding mode with fault-tolerant control for underactuated mechanical systems: Application to tower cranes. Automation in Construction, 123, 103533. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103533
  20. Basal, M. A. (2025). Advanced Sliding Mode Control with Disturbance Rejection Techniques for Multi-DOF Robotic Systems. Journal of Robotics and Control, 6 (4), 1612–1623. https://doi.org/10.18196/jrc.v6i4.25779
  21. Labbadi, M., Boukal, Y., Cherkaoui, M. (2022). Advanced Robust Nonlinear Control Approaches for Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle. In Studies in Systems, Decision and Control. Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-81014-6
  22. Tokat, S., Fadali, M. S., Eray, O. (2015). A Classification and Overview of Sliding Mode Controller Sliding Surface Design Methods. Recent Advances in Sliding Modes: From Control to Intelligent Mechatronics, 417–439. https://doi.org/10.1007/978-3-319-18290-2_20
  23. Liu, J., Wang, X. (2011). Advanced Sliding Mode Control for Mechanical Systems. Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-20907-9
Синтез контролера для квадрокоптерів з підвішеними корисними навантаженнями

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-31

Як цитувати

Linh, N. T. D., & Bang, N. V. (2025). Синтез контролера для квадрокоптерів з підвішеними корисними навантаженнями. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(7 (137), 65–71. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342109

Номер

Том 5 № 7 (137) (2025): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Nguyen Thi Dieu Linh, Nguyen Van Bang

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.