تخمین و کنترل وضعیت یک پرتابه با عملگر جابه‌جایی جرم با استفاده از تخمین‌گر و کنترل‌کننده پیش‌بین مبتنی بر فیلتر ذره‌ای

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

1 مجتمع برق و کامپیوتر، دانشگاه مالک اشتر، تهران ایران

2 مجتمع برق و کامپیوتر

چکیده

در این پژوهش، از دو فیلتر ذره‌ای به‌منظور تخمین حالت و کنترل وضعیت یک پرتابه با عملگر جابه‌جایی جرم ارائه شده‌ است. ازآنجایی‌که معادلات دینامیکی جسم پرنده با عملگر جابه‌جایی جرم غیرخطی است، بنابراین از تخمین‌گر و کنترل‌کننده غیرخطی استفاده شده‌ است. فیلتر اول با استفاده از اندازه‌گیری زاویه و جابه‌جایی جرم‌ همراه با نویز به‌عنوان مشاهدات وظیفه تخمین زاویه، سرعت ‌زاویه‌ای، جابه‌جایی جرم و سرعت جابه‌جایی جرم را بر عهده دارد. در پژوهش انجام‌شده، مسئله کنترل پیش‌بین غیرخطی به یک مسئله بهینه‌سازی دینامیکی تبدیل‌شده و سپس، در هر گام زمانی، بهترین سیگنال کنترل به‌صورت برخط با استفاده از فیلتر ذره‌ای دوم در افق محدود محاسبه و به سامانه اعمال می‌شود. تابع هزینه استفاده‌شده برای فیلتر اول خطای مقادیر اندازه‌گیری‌شده و محاسبه‌شده توسط هر ذره درنظرگرفته شده است. همچنین، تابع هزینه در مسئله کنترل پیش‌بین برای هر ذره متشکل از خطای ردگیری زاویه و تلاش کنترلی است. نتایج شبیه‌سازی برای سناریوهای انجام‌شده نشان می‌دهد که الگوریتم ارائه‌شده برای حل مسئله غیرخطی کنترل وضعیت وسیله با عملگر جابه‌جایی جرم عملکرد در حضور نویز گوسی و غیر گوسی خوبی دارد. همچنین، با توجه به تصادفی بودن ماهیت مسئله تحلیل آماری نتایج با استفاده از شبیه‌سازی مونت‌کارلو انجام شده‌ است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Moving Mass Actuated Projectile Attitude Control and Estimation Using a Predictive Controller and Estimator Based on the Particle Filter

نویسندگان [English]

  • Saeed Nasrollahi 1
  • Aylar Khooshehmehri 2
1 Department of Electrical and Computer Engineering, Malek-Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Electrical and Computer Engineering Malek-Ashtar University of Technology
چکیده [English]

In this paper, two particle filters are proposed to estimate the state and control the attitude of a projectile with a moving mass actuator. Since the dynamic equations of a flying object with a moving mass actuator are nonlinear, a nonlinear estimator and controller are used. The first filter takes the angle measurement and mass displacement along with noise as observations and uses them to estimate the angle, the rate of angle, the mass displacement, and the velocity of the mass. In this research, the nonlinear predictive control problem becomes a dynamic optimization problem and then, at each time step, the best control signal is calculated online using the second particle filter in the finite horizon and applied to the system. The cost function used for the first filter is the error of the values measured and calculated by each particle. The cost function in the predictive control problem for each particle is the error of the angle tracking and the control effort. The simulation results for the performed scenarios show that the algorithm proposed for solving the nonlinear problem of controlling the attitude of a moving mass actuated projectile has a good performance in the presence of Gaussian and non-Gaussian noises. Also, due to the random nature of the problem, statistical analysis of the results is performed using Monte Carlo simulation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Moving Mass Actuated Projectile
  • Nonlinear Model Predictive Control
  • Particle Filter
  • Dynamic Optimization
  • Nonlinear Estimator

Smiley face

مراجع

  1. Sofyali, A., Jafarov, E. M., Wisniewski, R., "Robust and Global Attitude Stabilization of Magnetically Actuated Spacecraft Through Sliding Mode,” Aerosp Sci Technol, Vol. 76, No. 1, pp. 91–104, 2018.##
  2. Petrich, J., Stilwell, D. J., "Robust Control for an Autonomous Underwater Vehicle that Suppresses Pitch and Yaw Coupling,” Ocean Eng., Vol. 38, No. 1, pp. 197–204, 2011.##
  3. Mao, Q., Dou, L., Zong, Q., & Ding, Z., "Attitude Controller Design for Reusable Launch Vehicles During Reentry Phase via Compound Adaptive Fuzzy H-infinity Control,” Aerosp Sci Technol, Vol. 72, No. 1, pp. 36–48, 2018.##
  4. Menon, P. K., Sweriduk, G. D., Ohlmeyer, E. J., Malyevac, D. S., "Integrated Guidance and Control of Moving-Mass Actuated Kinetic Warheads,” J. Guid. Control Dyn., Vol. 27, No. 1, pp. 118–126. 2004.##
  5. Vaddi, S., "Moving Mass Actuated Missile Control Using Convex Optimization Techniques,” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, p. 6575, 2006.##
  6. Childs, D. W., "A Movable-Mass Attitude-Stabilization System for Artificial-g Space Stations,” J Spacecr Rockets, Vol. 8, No.. 8, pp. 829–834, 1971.##
  7. Chesi, S., Gong, Q., Pellegrini, V., Cristi, R., Romano, M., "Automatic Mass Balancing of a Spacecraft Three-axis Simulator: Analysis and Experimentation,” J. Guid. Control Dyn., Vol. 37, No.. 1, pp. 197–206, 2014.##
  8. Kargarfar A., Azizi M., "Conceptual Design of Attitude Control of Spacecraft Based on Moving Mass,” Technology in Aerospace Engineering, Iran, Vol. 4, No. 7, pp. 27–35, 2018, (in Persian).##
  9. Nasrollahi S., khooshehmehri A., "Projectile Control with Moving Mass Actuator Using Feedback Linearization Controller,” Fifth International Conference on Electrical, Computer and Mechanical Engineering, Iran,2020, (in Persian).##
  10. Hodapp Jr, A. E., "Passive Means for Stabilizing Projectiles with Partially Restrained Internal Members,” J. Guid. Control Dyn., Vol. 12, No. 2, pp. 135–139, 1989.##
  11. Frost, G., Costello, M., "Control Authority of a Projectile Equipped with an Internal Unbalanced part", J. Dyn. Sys., Meas., Control, Vol. 128, No. 4, pp.1005-1012, 2006.##
  12. Jia-Wang, L. I., Bao-Wei, S., Cheng, S., "Tracking Control of Autonomous Underwater Vehicles with Internal Moving Mass,” Acta Automatica Sinica, Vol. 34, No. 10, pp. 1319–1323, 2008.##
  13. Erturk, S. A., Dogan, A., "Trim Analysis of a Moving-Mass Actuated Airplane in Steady Turn,” 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, pp. 622, 2013.##
  14. Gao, C., Jing, W., Wei, P., "Research on Application of Single Moving Mass in the Reentry Warhead Maneuver,” Aerosp. Sci. Technol, Vol. 30, No. 1, pp. 108–118, 2013.##
  15. Chen, L., Zhou, G., Yan, X. J., Duan, D. P., "Composite Control of Stratospheric Airships with Moving Masses", J. Aircr, Vol. 49, No.. 3, pp. 794–801, 2012.##
  16. Li, J., Chen, S., Li, C., Gao, C., Jing, W., "Adaptive Control of Underactuated Flight Vehicles with MovingMass,” Aerosp. Sci. Technol, Vol. 85, No. 1, pp. 85, 75–84, 2019.##
  17. ElGohary, A., "Optimal Control of the Rotational Motion of a Rigid Body Using Euler Parameters with the Help of Rotor System,” Eur. J. Mech. A-Solid, Vol. 24, No. 1, pp. 111–125, 2005.##
  18. Janssens, F. L., van der Ha, J. C., "Stability of Spinning Satellite Under Axial Thrust and Internal Mass Motion,” Acta Astronautica, Vol. 94, No. 1, pp. 502–514, 2014.##
  19. Janssens, F. L., van der Ha, J. C. "Stability of Spinning Satellite Under Axial Thrust, Internal Mass Motion, and Damping,” J. Guid. Control Dyn., Vol. 38, No. 4, pp. 761–771, 2015.##
  20. Mohammadi, A., Tayefi, M., Kashani, H., "Rate Regulation of a Suborbital Reentry Payload by Moving-Mass Actuators,” P. I. Mech. Eng. G-J. Aer., Vol. 227, No. 1, pp. 80–92, 2013.##
  21. Gao, C., Li, J., Fan, Y., Jing, W., "Immersion and Invariance-Based Control of Novel Moving-Mass Flight Vehicles,” Aerosp. Sci. Technol., Vol. 74, No. 1, pp. 63–71, 2018.##
  22. Dong, K., Zhou, J., Zhou, M., Zhao, B., "Roll Control for Single Moving-Mass Actuated Fixed-trim Reentry Vehicle Considering Full State Constraints", Aerosp. Sci. Technol., Vol. 94, p.105365, 2019.##
  23. Yang, M., Li, G., Wang, S., Chao, T., "Prescribed Performance Control Scheme for Fixed Trim Reentry Vehicle with Actuator Input and Power Constraints,” Aerosp. Sci. Technol., Vol. 104, No. 1, p. 105972, 2020.##
  24. Arulampalam, B., "Beyond the Kalman Filter: Particle Filters for Tracking Applications", Artech House press, London, 2004.##
  25. Arulampalam, M., & Maskell, S., "A Tutorial on Particle Filters for Online Nonlinear/non-Gaussian Bayesian Tracking", IEEE Trans. Signal Process, Vol. 50, No. 2, pp. 174-188, 2002.##

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 22 دی 1399
  • تاریخ بازنگری: 19 اسفند 1399
  • تاریخ پذیرش: 27 آذر 1400
  • تاریخ انتشار: 01 آبان 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار