Identification of UAV model parameters from flight and computer experiment data

Abstract

The object of research in the article is various well-known approaches and methods of structural and parametric identification of dynamic controlled objects - unmanned aerial vehicles (UAVs). The subject of the research is the parameters of linear and nonlinear mathematical models of spatial and isolated movements, describing the dynamics and aerodynamic properties of the UAV and obtained both from the results of flight experiments and using computer object-oriented programs for 3-D UAV models. The goal is to obtain mathematical models of UAV flight dynamics in the form of differential equations or transfer functions, check them for reliability and the possibility of using them in problems of synthesis of algorithms for automatic control systems of UAVs. Tasks to be solved: evaluation of the analytical (parametric), direct (transient), as well as the identification method using the 3-D model of the control object. Methods used structural and parametric identification of dynamic objects; the determination of static and dynamic characteristics of mathematical models by the type of their transient process; the System Identification Toolbox package of the MatLab environment, the Flow Simulation subsystem of the SolidWorks software and the X-Plane software environment. The experimental parameters of UAV flights, as well as the results of modeling in three-dimensional environments, are the initial data for the identification of mathematical models. The following results were obtained: the possibility of analytical and computer identification of mathematical models by highly noisy parameters of the UAV flight was shown; the mathematical models of UAVs obtained after identification is reliable and adequately reproduce the dynamics of a real object. A comparative analysis of the considered UAV identification methods is conducted, their performance and efficiency are confirmed. Conclusions. The scientific novelty of the result obtained is as follows: good convergence, reliability and the possibility of using the considered identification methods for obtaining mathematical models of dynamic objects to synthesize algorithms for automatic control systems of UAVs is shown.

Об'єктом дослідження у статті є різні відомі підходи та методи структурної та параметричної ідентифікації динамічних керованих об'єктів – безпілотних літальних апаратів (БПЛА). Предметом дослідження є параметри лінійних та нелінійних математичних моделей просторового та ізольованих рухів, що описують динаміку та аеродинамічні властивості БПЛА, отримані як за результатами льотних експериментів, так і за допомогою комп'ютерних об'єктно-орієнтованих програм із використанням 3-D моделі БПЛА. Мета – отримати математичні моделі динаміки польоту БПЛА у вигляді диференціальних рівнянь або передавальних функцій, перевірити їх на предмет достовірності та можливості застосування задач синтезу алгоритмів систем автоматичного управління БПЛА. Завдання, що вирішуються: оцінка аналітичного (параметричного), прямого (перехідного), а також методу ідентифікації за допомогою 3-D моделі об'єкта управління. Методи, що використовуються: структурної та параметричної ідентифікації динамічних об'єктів; визначення статичних і динамічних характеристик математичних моделей на вигляд їх перехідного процесу; пакет System Identification Toolbox середовища MatLab, підсистема Flow Simulation програми SolidWorks, програмне середовище X-Plane. Експериментальні параметри польотів БПЛА, а також результати моделювання в тривимірних середовищах є вихідними даними для ідентифікації математичних моделей. Отримано такі результати: показана можливість аналітичної та комп'ютерної ідентифікації математичних моделей із сильно зашумленими параметрами польоту БПЛА, отримані після ідентифікації математичні моделі БПЛА є достовірними та адекватно відтворюють динаміку реального об'єкта. Проведено порівняльний аналіз досліджуваних методів ідентифікації БПЛА, підтверджено їх працездатність та ефективність. Висновки. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: отримана висока збіжність, надійність та можливість використання розглянутих методів ідентифікації для отримання математичних моделей динамічних об'єктів з метою подальшого синтезу алгоритмів систем автоматичного управління БПЛА.

Объектом исследования в статье являются различные известные подходы и методы структурной и параметрической идентификации динамических управляемых объектов – беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Предметом исследования являются параметры линейных и нелинейных математических моделей пространственного и изолированных движений, описывающие динамику и аэродинамические свойства БПЛА и полученные как по результатам летных экспериментов, так и с помощью компьютерных объектно-ориентированных программ по 3-D моделям БПЛА. Цель – получить математические модели динамики полета БПЛА в виде дифференциальных уравнений или передаточных функций, проверить их на предмет достоверности и возможности применения в задачах синтеза алгоритмов систем автоматического управления БПЛА. Решаемые задачи: оценка аналитического (параметрического), прямого (переходного), а также метода идентификации с помощью 3-D модели объекта управления. Используемые методы: структурной и параметрической идентификации динамических объектов; определение статических и динамических характеристик математических моделей по виду их переходного процесса; пакет System Identification Toolbox среды MatLab, подсистема Flow Simulation программы SolidWorks и программная среда X-Plane. Экспериментальные параметры полетов БПЛА, а также результаты моделирования в трехмерных средах выступают исходными данными для идентификации математических моделей. Получены следующие результаты: показана возможность аналитической и компьютерной идентификации математических моделей по сильно зашумленным параметрам полета БПЛА, полученные после идентификации математические модели БПЛА являются достоверными и адекватно воспроизводят динамику реального объекта. Проведен сравнительный анализ рассматриваемых методов идентификации БПЛА, подтверждена их работоспособность и эффективность. Выводы. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: показана хорошая сходимость, надежность и возможность использования рассмотренных методов идентификации для получения математических моделей динамических объектов в целях синтеза алгоритмов систем автоматических управления БПЛА.