Control Adaptativo de Inmersión e Invarianza para Helicóptero No Tripulado Bajo Vuelo de Maniobra
Autores: Zhou, Xu; Xu, Yousong; Du, Siliang; Zhao, Qijun
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Control Adaptativo de Inmersión e Invarianza para Helicóptero No Tripulado Bajo Vuelo de Maniobra
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Controlador de seguimiento de velocidad
Helicópteros no tripulados
Modelado aerodinámico de rotores
Ecuación de estado lineal
Teoría I&I
Controlador PID
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Se diseña un controlador de seguimiento de velocidad de estabilidad asintótica para permitir el vuelo de maniobra autónoma de helicópteros no tripulados. En primer lugar, tomando el UH-60A sin pilotos como objeto de investigación, se desarrolla un modelado aerodinámico de rotor de alta eficiencia, que incorpora un método de vórtice de estela libre con la respuesta de aletas de las palas. El modelo dinámico de vuelo completo se complementa con regresiones de carga de fuselaje/rotor de cola validadas en túnel de viento. En segundo lugar, se deriva una ecuación de espacio de estados lineal mediante el método de linealización de pequeñas perturbaciones basado en el modelo dinámico de vuelo dentro del sistema de coordenadas del cuerpo. Se formula un modelo desacoplado basado en la ecuación de espacio de estados lineal empleando el enfoque de modelo implícito. Posteriormente, se construye un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, que está relacionado con la desviación entre la velocidad real y su valor esperado, junto con derivadas de orden superior de esta discrepancia. La teoría de I&I (inmersión e invariancia) se emplea para facilitar el diseño de un bucle de control no en cascada. Finalmente, se simula la respuesta de la velocidad deseada en el canal longitudinal con una señal de escalón para comparar el efecto de control con un controlador PID (proporcional-integral-derivativo). Al ajustar los coeficientes, el progreso de respuesta del controlador PID es similar al efecto del controlador adaptativo con la teoría de I&I. Sin embargo, no hay un sobreimpulso obvio en el proceso con el controlador adaptativo de I&I, y la amplitud de respuesta promedio representa el 16.69% del ruido blanco aleatorio, que es el 7.38% del nivel de oscilación bajo el controlador PID. La complejidad de ajuste de parámetros al emplear la teoría de I&I es significativamente menor que la del controlador PID, lo que se evalúa mediante derivaciones matemáticas y simulaciones. Mientras tanto, se simulan y analizan las maniobras de paso lateral y pirueta para examinar el controlador de acuerdo con los criterios de rendimiento establecidos en los estándares ADS-33E-REF. Los resultados de la simulación demuestran que el control de estabilidad asintótica orientado a la expectativa de velocidad puede lograr una respuesta rápida. Tanto las maniobras de paso lateral como de pirueta pueden satisfacer los requisitos de rendimiento deseados estipulados por ADS-33E-REF.
Descripción
Se diseña un controlador de seguimiento de velocidad de estabilidad asintótica para permitir el vuelo de maniobra autónoma de helicópteros no tripulados. En primer lugar, tomando el UH-60A sin pilotos como objeto de investigación, se desarrolla un modelado aerodinámico de rotor de alta eficiencia, que incorpora un método de vórtice de estela libre con la respuesta de aletas de las palas. El modelo dinámico de vuelo completo se complementa con regresiones de carga de fuselaje/rotor de cola validadas en túnel de viento. En segundo lugar, se deriva una ecuación de espacio de estados lineal mediante el método de linealización de pequeñas perturbaciones basado en el modelo dinámico de vuelo dentro del sistema de coordenadas del cuerpo. Se formula un modelo desacoplado basado en la ecuación de espacio de estados lineal empleando el enfoque de modelo implícito. Posteriormente, se construye un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias, que está relacionado con la desviación entre la velocidad real y su valor esperado, junto con derivadas de orden superior de esta discrepancia. La teoría de I&I (inmersión e invariancia) se emplea para facilitar el diseño de un bucle de control no en cascada. Finalmente, se simula la respuesta de la velocidad deseada en el canal longitudinal con una señal de escalón para comparar el efecto de control con un controlador PID (proporcional-integral-derivativo). Al ajustar los coeficientes, el progreso de respuesta del controlador PID es similar al efecto del controlador adaptativo con la teoría de I&I. Sin embargo, no hay un sobreimpulso obvio en el proceso con el controlador adaptativo de I&I, y la amplitud de respuesta promedio representa el 16.69% del ruido blanco aleatorio, que es el 7.38% del nivel de oscilación bajo el controlador PID. La complejidad de ajuste de parámetros al emplear la teoría de I&I es significativamente menor que la del controlador PID, lo que se evalúa mediante derivaciones matemáticas y simulaciones. Mientras tanto, se simulan y analizan las maniobras de paso lateral y pirueta para examinar el controlador de acuerdo con los criterios de rendimiento establecidos en los estándares ADS-33E-REF. Los resultados de la simulación demuestran que el control de estabilidad asintótica orientado a la expectativa de velocidad puede lograr una respuesta rápida. Tanto las maniobras de paso lateral como de pirueta pueden satisfacer los requisitos de rendimiento deseados estipulados por ADS-33E-REF.