Seguimiento de Objetivos en Situaciones de Estancamiento Cooperativo utilizando Múltiples UAVs de Ala Fija con Restricciones de Entrada en Viento Desconocido
Autores: Liu, Zhong; Xiang, Lingshuang; Zhu, Zemin
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Seguimiento de Objetivos en Situaciones de Estancamiento Cooperativo utilizando Múltiples UAVs de Ala Fija con Restricciones de Entrada en Viento Desconocido
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Cooperativo
Seguimiento de estancamiento
UAVs
Leyes de control
Algoritmo de seguimiento de objetivos
Velocidad de composición
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Este documento investiga el problema del seguimiento cooperativo a distancia utilizando múltiples vehículos aéreos no tripulados (VANT) de ala fija con restricciones en la entrada de control. Con el fin de lograr un seguimiento preciso de un objetivo en movimiento en presencia de viento de fondo desconocido, se propone un algoritmo coordinado de seguimiento de objetivos a distancia. El objetivo de la investigación es dirigir múltiples VANT para que vuelen en una órbita circular alrededor de un objetivo en movimiento con un espaciado angular intervehicular prescrito. Para alcanzar esta meta, se proponen dos leyes de control, que incluyen la regulación de rango relativo y la separación de fase espacial. Por un lado, se propone una ley de control de tasa de rumbo basada en un campo vectorial de guía de Lyapunov. El análisis de convergencia muestra que los VANT pueden converger asintóticamente a una órbita circular deseada alrededor del objetivo, independientemente de su posición y rumbo iniciales. A través de una rigurosa prueba teórica, se concluye que la señal de comando del controlador de tasa de rumbo propuesto no violará la restricción de límite sobre la tasa de rumbo. Por otro lado, se introduce una fase temporal para representar la separación de fase y evitar la discontinuidad del ángulo de fase espacial envuelto. Sobre esta base, se desarrolla un controlador de velocidad para lograr una separación de fase igual. El controlador de velocidad propuesto cumple con los requisitos de la restricción de velocidad del aire. Además, para mejorar la robustez de la aeronave durante el seguimiento del objetivo, se desarrolla un estimador para estimar la velocidad de composición del viento desconocido y el movimiento del objetivo. El estimador propuesto utiliza el vector de desplazamiento entre la trayectoria de vuelo real del VANT y la órbita deseada, que está definida por el campo vectorial de guía de Lyapunov, para estimar la velocidad de composición. Se prueba la estabilidad del estimador. Se realizan simulaciones bajo diferentes escenarios para demostrar la efectividad del algoritmo propuesto de seguimiento cooperativo de objetivos a distancia. Los resultados de la simulación indican que el controlador de velocidad basado en fase temporal puede lograr una velocidad de convergencia rápida y un pequeño error de separación de fase. Además, el estimador de velocidad de composición exhibe una velocidad de respuesta rápida y alta precisión en la estimación.
Descripción
Este documento investiga el problema del seguimiento cooperativo a distancia utilizando múltiples vehículos aéreos no tripulados (VANT) de ala fija con restricciones en la entrada de control. Con el fin de lograr un seguimiento preciso de un objetivo en movimiento en presencia de viento de fondo desconocido, se propone un algoritmo coordinado de seguimiento de objetivos a distancia. El objetivo de la investigación es dirigir múltiples VANT para que vuelen en una órbita circular alrededor de un objetivo en movimiento con un espaciado angular intervehicular prescrito. Para alcanzar esta meta, se proponen dos leyes de control, que incluyen la regulación de rango relativo y la separación de fase espacial. Por un lado, se propone una ley de control de tasa de rumbo basada en un campo vectorial de guía de Lyapunov. El análisis de convergencia muestra que los VANT pueden converger asintóticamente a una órbita circular deseada alrededor del objetivo, independientemente de su posición y rumbo iniciales. A través de una rigurosa prueba teórica, se concluye que la señal de comando del controlador de tasa de rumbo propuesto no violará la restricción de límite sobre la tasa de rumbo. Por otro lado, se introduce una fase temporal para representar la separación de fase y evitar la discontinuidad del ángulo de fase espacial envuelto. Sobre esta base, se desarrolla un controlador de velocidad para lograr una separación de fase igual. El controlador de velocidad propuesto cumple con los requisitos de la restricción de velocidad del aire. Además, para mejorar la robustez de la aeronave durante el seguimiento del objetivo, se desarrolla un estimador para estimar la velocidad de composición del viento desconocido y el movimiento del objetivo. El estimador propuesto utiliza el vector de desplazamiento entre la trayectoria de vuelo real del VANT y la órbita deseada, que está definida por el campo vectorial de guía de Lyapunov, para estimar la velocidad de composición. Se prueba la estabilidad del estimador. Se realizan simulaciones bajo diferentes escenarios para demostrar la efectividad del algoritmo propuesto de seguimiento cooperativo de objetivos a distancia. Los resultados de la simulación indican que el controlador de velocidad basado en fase temporal puede lograr una velocidad de convergencia rápida y un pequeño error de separación de fase. Además, el estimador de velocidad de composición exhibe una velocidad de respuesta rápida y alta precisión en la estimación.