priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-1-36-49pribor-333Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИSYSTEM ANALYSIS, MANAGEMENT AND INFORMATION PROCESSINGСистема траекторного управления движением гексакоптераHexacopter trajectory control systemЛельковК. С.LelkovK. S.

Константин Сергеевич Лельков — аспирант;  кафедра 305

Москва

Konstantin S. Lelkov — Post-Graduate Student

Moscow

kon.lelkov@gmail.comЧерноморскийА. И.ChernomorskyA. I.

Александр Исаевич Черноморский — канд. техн. наук, доцент;  кафедра 305; доцент

Москва

Alexandr I. Chernomorsky — PhD, Associate Professor

Moscow

chernomorscky@yandex.ruМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет)Moscow Aviation Institute2025100220256813649Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/333

Исследована система автоматического управления перемещениями беспилотного летательного аппарата (гексакоптера) в процессе мониторинга наружной поверхности воздушного судна на его стоянке. Для разработанной ранее подробной математической модели полета гексакоптера предложены структура и законы управления его траекторным движением с целью минимизации отклонений от заданной траектории. Особенностью этой структуры является наличие контура ориентации, а также локомоционного и траекторного контуров, позволяющих разделить процессы стабилизации скорости беспилотного летательного аппарата и его траекторного управления. Приведены законы управления в траекторном контуре, сформированные на основе применения линейных регуляторов и пропорциональных ограничителей требуемых скоростей движения беспилотного аппарата. Представлены результаты синтеза законов управления в локомоционном контуре на основе использования метода последовательных возвратов П. В. Кокотовича. Предложен и обоснован вариант формирования требуемых значений тяг двигателей беспилотного летательного аппарата посредством наложения дополнительных ограничений на его динамику. Представлены результаты имитационного моделирования полета гексакоптера в разных режимах: набор высоты, горизонтальный полет, вертикальная посадка, разворот на постоянной высоте. Результаты моделирования подтвердили справедливость принятых в работе технических решений.

The automatic control system for the movements of a hex-rotor unmanned aerial vehicle (hexacopter) during monitoring of the outer surface of an aircraft while parked is investigated. For the previously developed detailed mathematical model of the hexacopter flight, the structure and laws of control of its trajectory motion are proposed in order to minimize its deviations from the specified trajectory. The peculiarity of this structure is the presence of an orientation loop, as well as locomotion and trajectory loops, which allow separating the processes of stabilizing the speed of the unmanned aerial vehicle and its trajectory control. The control laws in the trajectory loop are presented, formed on the basis of using linear regulators and proportional limiters of the required speeds of the unmanned vehicle. The results of the synthesis of control laws in the locomotion loop are presented based on the use of the successive returns method of P. V. Kokotovich. A variant of forming the required values of engine thrust of the unmanned aerial vehicle by imposing additional restrictions on its dynamics is proposed and substantiated. The results of the simulation modeling of the hexacopter flight in different modes are presented: altitude gain, horizontal flight, vertical landing, turn at a constant altitude. The results of the modeling confirme the validity of the technical solutions adopted in the work.

беспилотный летательный аппаратсистема автоматического управлениятраекторное управлениекритерии устойчивостиробототехникаимитационное моделированиеunmanned aerial vehicleautomatic control systemtrajectory controlstability criteriaroboticssimulationисследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 23-29-00958)The study was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 23-29-00958).ReferencesMohsan S. A. H. et al. Unmanned aerial vehicles (UAVs): Practical aspects, applications, open challenges, security issues, an d future trends // Intelligent Service Robotics. 2023. Vol. 16, N 1. Р. 109–137. DOI: 10.1007/s11370-022-00452-4.Mohsan S.A. H. et al. Intelligent Service Robotics, 2023, no. 1(16), pp. 109–137, DOI: 10.1007/s11370-022-00452-4.Molina A. A., Huang Y., Jiang Y. A Review of Unmanned Aerial Vehicle Applications in Construction Management: 2016–2021 // Standards. 2023. Vol. 3, N 2. Р. 95–109. DOI: 10.3390/standards3020009.Molina A.A., Huang Y., Jiang Y. Standards, 2023, no. 2(3), pp. 95–109, DOI: 10.3390/standards3020009.Rabiu L., Ahmad A., Gohari A. Advancements of Unmanned Aerial Vehicle Technology in the Realm of Applied Sciences and Engineering: A Review // Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology. 2024. Vol. 40, N 2. Р. 74–-95. DOI: 10.37934/araset.40.2.7495.Rabiu L., Ahmad A., Gohari A. Journal of Advanced Research in Applied Sciences and Engineering Technology, 2024, no. 2(40), pp. 74–95, DOI: 10.37934/araset.40.2.7495.Petruhin V. A., Lelkov K. S., Chernomorsky A. I. Local Navigation of a Wheeled Mobile Robot as a Carrier of Equipment for Aircraft Defects Monitoring at the Parking Lot // 30th Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems (ICINS). IEEE, 2023. Р. 1–5. DOI: 10.23919/ICINS51816.2023.10168466.Petruhin V.A., Lelkov K.S., Chernomorsky A.I. 30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), IEEE, 2023, рр. 1–5, DOI: 10.23919/ICINS51816.2023.10168466.Aleshin B. S. et al. Robotic complex for inspection of the outer surface of the aircraft in its parking lot // Incas Bulletin. 2020. Vol. 12. Р. 21–31. DOI: 10.13111/2066-8201.2020.12.S.2.Aleshin B.S. et al. Incas Bulletin, 2020, no. 12, pp. 21–31, DOI: 10.13111/2066-8201.2020.12.S.2.Лельков К. С., Черноморский А. И. Роботизированный комплекс для мониторинга воздушного судна на его стоянке // Авиационные системы в XXI веке: Тез. докл. юбилейной Всерос. науч.-техн. конф. Москва, 21– 22 апреля 2022 г. С. 274–275.Lelkov K.S., Chernomorsky A.I. Aviatsionnyye sistemy v XXI veke (Aviation systems in the 21st century), Abstracts of Reports of the Jubilee All-Russian Scientific and Technical Conference, Moscow, April 21–22, 2022, рр. 274–275. (in Russ.)Lei Y., Cheng M. Aerodynamic performance of hex-rotor UAV considering the horizontal airflow // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, N 22. Р. 4797. DOI: 10.3390/app9224797.Lei Y., Cheng M. Applied Sciences, 2019, no. 22(9), pp. 4797, DOI: 10.3390/app9224797.Stamate M. A. et al. Improvement of hexacopter UAVs attitude parameters employing control and decision support systems // Sensors. 2023. Vol. 23, N 3. Р. 1446. DOI: 10.3390/s23031446.Stamate M.A. et al. Sensors, 2023, no. 3(23), pp. 1446, DOI: 10.3390/s23031446.Петрухин В. А., Лельков К. С., Черноморский А. И. Локальная навигация колесного мобильного робота как носителя аппаратуры мониторинга дефектов воздушного судна на его стоянке // XXX Юбилейная Санкт-Петербургская междунар. конф. по интегрированным навигационным системам. 2023. С. 85–90.Petrukhin V.A., Lelkov K.S., Chernomorskiy A.I. XXX Yubileynaya Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam (XXX Anniversary St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems), 2023, рр. 85–90. (in Russ.)Lelkov K. S. Hex-rotor aircraft dynamics and simulation // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, 2023. Vol. 2948, N 1. DOI: 10.1063/5.0165369.Lelkov K.S. AIP Conference Proceedings, AIP Publishing, 2023, no. 1(2948), DOI: 10.1063/5.0165369.Bangura M., Melega M., Naldi R. and Mahony R. Aerodynamics of Rotor Blades for Quadrotors // arXiv: Fluid Dynamics, 2016.Bangura M., Melega M., Naldi R. and Mahony R. Aerodynamics of Rotor Blades for Quadrotors, arXiv: Fluid Dynamics, 2016.Cai G. et al. Coordinate systems and transformations // Unmanned rotorcraft systems. Springer Science & Business Media, 2011. Р. 23–34. DOI: 10.1007/978-0-85729-635-1_2.Cai G. et al. Unmanned Rotorcraft Systems, 2011, рр. 23–34, DOI: 10.1007/978-0-85729-635-1_2.Alaimo A. et al. PID controller applied to hexacopter flight // Journal of Intelligent & Robotic Systems. 2014. Vol. 73. Р. 261–270.Alaimo A. et al. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2014, vol. 73, рр. 261–270.Kokotovic P. V. The joy of feedback: nonlinear and adaptive // IEEE control systems magazine. 1992. Vol. 12, N 3. Р. 7–17. DOI: 10.1109/37.165507.Kokotovic P.V. IEEE control systems magazine, 1992, no. 3(12), pp. 7–17, DOI: 10.1109/37.165507.Arellano-Muro C. A. et al. Backstepping control with sliding mode estimation for a hexacopter //10th Intern. Conf. on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE). IEEE, 2013. Р. 31–36. DOI: 10.1109/ICEEE.2013.6676026.Arellano-Muro C.A. et al. 10th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), IEEE, 2013, рр. 31–36, DOI: 10.1109/ICEEE.2013.6676026.Буланов С. Г. Необходимые и достаточные критерии устойчивости по Ляпунову систем обыкновенных дифференциальных уравнений // Итоги науки и техники. Сер. „Современная математика и ее приложения. Тематические обзоры“. 2023. Т. 224. С. 10–18.Bulanov S.G. Itogi nauki i tekhniki. Seriya “Sovremennaya matematika i yeye prilozheniya. Tematicheskiye obzory” (Results of Science and Technology. Series “Modern Mathematics and Its Applications. Thematic Reviews”), 2023, vol. 224, рр. 10–18. (in Russ.)

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