sapiСистемный анализ и прикладная информатика«System analysis and applied information science»2309-49232414-0481Belarusian National Technical University10.21122/2309-4923-2024-3-41-46sapi-690Research ArticleУправление техническими объектамиManagement of technical objectsПрименение нечетких регуляторов в автопилоте беспилотного летательного аппаратаApplication of fuzzy controllers in the autopilot of an unmanned aerial vehicleГуПэнхаоGuPenghao

Гу Пэнхао, аспирант кафедры «Робототехнические системы»

Gu Penghao, post-graduate student of the Department of Robotic Systems

gupenghaoby@gmail.comЛобатыйА. А.LobatyA. A.

Лобатый Александр Александрович, доктор технических наук, профессор

Lobaty A.A., Doctor of Science, Professor

lobaty@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202422112024034146Copyright © Гу П., Лобатый А.А., 20242024Гу П., Лобатый А.А.Gu P., Lobaty A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sapi.bntu.by/jour/article/view/690

Статья посвящена исследованию особенностей применения регуляторов, построенных на использовании теоретических положений нечеткой логики, при создании автопилотов беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Проводится обоснование принципов и методик синтеза математической модели автопилота применительно к БЛА мультироторного типа, особенностей применения различных математических моделей регуляторов, их достоинств и недостатков. Сделан обоснованный вывод о том, что применение традиционных подходов, основанных на использовании линейных математических моделей объекта управления, не обеспечивает необходимое качество управления в широком диапазоне условий применения БЛА при наличии ограничений и внешних воздействий на процесс управления. Предложено при построении математической модели автопилота БЛА использовать принципы и методы нечеткой математики, которые лежат в основе получающих все большее распространение регуляторов на основе нечеткой логики (НЛ-регуляторов). Рассматривается построение канала управления БЛА на основе применения регулятора нечеткой логики, приведено описание структуры регулятора, реализованного в компьютерной среде SiminTech. Путём математического моделирования проведено сравнение работоспособности и переходных характеристик НЛ-регулятора с ПИД-регулятором и П-регулятором применительно к системе управления одного из каналов БЛА – канала управления креном. Установлено, что применяемые в качестве элементов автопилота БЛА регуляторы нечеткой логики по сравнению с другими регуляторами обеспечивают необходимое качество переходных процессов в системе управления БЛА при устойчивости к нежелательным внешним воздействиям, что делает эти регуляторы перспективными для применения в нелинейных нестационарных системах управления подвижными объектами, к которым относятся БЛА.

The article is devoted to the study of the features of the application of regulators built on the use of theoretical provisions of fuzzy logic, when creating autopilots of unmanned aerial vehicles (UAVs). The substantiation of the principles and methods of synthesizing a mathematical model of an autopilot as applied to a multi-rotor UAV, the features of the application of various mathematical models of regulators, their advantages and disadvantages is carried out. A reasonable conclusion is made that the use of traditional approaches based on the use of linear mathematical models of the control object does not ensure the required quality of control in a wide range of UAV application conditions in the presence of restrictions and external influences on the control process. It is proposed to use the principles and methods of fuzzy mathematics, which underlie the increasingly widespread fuzzy logic controllers (FL controllers), when constructing a mathematical model of a UAV autopilot. The construction of a UAV control channel based on the use of a fuzzy logic controller is considered, and a description of the controller structure implemented in the SiminTech computer environment is given. Using mathematical modeling, a comparison was made of the performance and transient characteristics of the NL controller with the PID controller and the P controller as applied to the control system of one of the UAV channels – the roll control channel. It has been established that fuzzy logic controllers used as elements of UAV autopilots, compared to other controllers, provide the necessary quality of transient processes in the UAV control system with resistance to undesirable external influences, which makes these controllers promising for use in nonlinear non-stationary control systems for moving objects, which include UAVs.

беспилотный летательный аппаратматематическая модельнечеткий регуляторпереходная характеристикаunmanned aerial vehiclemathematical modelfuzzy controllertransient responseReferencesБеспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования / под ред. И.С. Голубева, И.К. Туркина. – М.: МАИ, 2010. – 654 с.Unmanned aerial vehicles. Basics of the device and functioning / edited by I.S. Golubev, I.K. Turkin. – M.: MAI, 2010. – 654 p.Беспилотные летательные аппараты: http://geoportal.by/index/bespilotnye_letatelnye_apparaty/ 0-434/.Unmanned aerial vehicles: http://geoportal.by/index/bespilotnye_letatelnye_apparaty/ 0-434/.Гу Пэнхао. Особенности моделирования операторного управления беспилотным летательным аппаратом и его целевой нагрузкой / А.А. Лобатый, Гу Пэнхао, П.И. Савёлов // Системный анализ и прикладная информатика. – 2022. – № 4. – С. 24-28.Gu Penghao. Features of modeling operator control of an unmanned aerial vehicle and its target load / A.A. Lobaty, Gu Penghao, P.I. Savelov // Systems analysis and applied informatics. – 2022. – No. 4. – P. 24-28.Методы классической и современной теории автоматического управления: в 5 т. / под ред. К.А. Пупкова и Н.Д. Егупова. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 5 т.Methods of classical and modern theory of automatic control: in 5 volumes / edited by K.A. Pupkov and N.D. Egupov. – M.: Publishing house of Bauman Moscow State Technical University, 2004. – 5 vol.Гу Пэнхао. Математическое моделирование движения летательных аппаратов мультироторного типа / А.А. Лобатый, Гу Пэнхао // Системный анализ и прикладная информатика. – 2023. – № 1. – С. 10-15.Gu Penghao. Mathematical modeling of multirotor aircraft motion / A.A. Lobaty, Gu Penghao // Systems analysis and applied informatics. – 2023. – No. 1. – P. 10-15.Гу Пэнхао. Форсированное управление квадрокоптером / Гу Пэнхао, Ю.А. Леоновец, А.А. Лобатый // Наука и техника. – 2023. – Том 22. – № 2. – С. 91-95.Gu Penghao. Forced control of a quadcopter / Gu Penghao, Yu.A. Leonovets, A.A. Lobaty // Science and Technology. – 2023. – Vol. 22. – No. 2. – P. 91-95.Лобатый, А.А. Модальное управление беспилотным летательным аппаратом / А.А. Антаневич, Ю.Ф. Икуас // Вестник БНТУ. – 2010. – № 5. – С. 37-40.Lobaty, A.A. Modal control of an unmanned aerial vehicle / A.A. Antanevich, Yu.F. Ikuas // Bulletin of BNTU. – 2010. – No. 5. – P. 37-40.Лобатый, А.А. Поэтапный аналитический синтез математической модели автопилота беспилотного летательного аппарата / А.А. Лобатый, А.Ю. Бумай, С.С. Прохорович // Системный анализ и прикладная информатика. – 2021. – № 1. – С. 21-28.Lobaty, A.A. Step-by-step analytical synthesis of a mathematical model of an unmanned aerial vehicle autopilot / A.A. Lobaty, A.Yu. Bumay, S.S. Prokhorovich // Systems analysis and applied informatics. – 2021. – No. 1. – P. 21-28.Моисеев, В.С. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами / В.С. Моисеев. – Казань: ГБУ РЦМКО, 2013. – 768 с.Moiseev, V.S. Applied Theory of Unmanned Aerial Vehicle Control / V.S. Moiseev. – Kazan: GBU RCMKO, 2013. – 768 p.Гостев, В.И. Проектирование нечетких регуляторов для систем автоматического управления / В.И. Гостев. – СПб.: БХВ. – Петербург, 2011. – 416 с.Gostev, V.I. Design of Fuzzy Controllers for Automatic Control Systems / V.I. Gostev. – St. Petersburg: BHV. – St. Petersburg, 2011. – 416 p.Герман-Галкин, С.Г. Модельное проектирование электромеханических мехатронных модулей движения в среде SiminTech / Б.А. Карташов, С.Н. Литвинов. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 494 с.German-Galkin, S.G. Model Design of Electromechanical Mechatronic Motion Modules in the SiminTech Environment / B.A. Kartashov, S.N. Litvinov. – Moscow: DMK Press, 2021. – 494 p.Щекатуров, А.М. Методика моделирования динамики октокоптера / А.М. Щекатуров. – М.: ДМК Пресс, 2021. – 228 с.Shchekaturov, A.M. Methodology for Modeling Octocopter Dynamics / A.M. Shchekaturov. – M.: DMK Press, 2021. – 228 p.Демичева, Г.Д. Регуляторы на основе нечеткой логики в системах управления техническими объектами / Г.Д. Демичева, Д.В. Лукичев. – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 81 с.Demicheva, G.D. Fuzzy logic controllers in control systems of technical objects / G.D. Demicheva, D.V. Lukichev. – St. Petersburg: ITMO University, 2017. – 81 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.