Ин таҳқиқот пайгирии траекторияро дар вақти воқеӣ барои Системаи Ду Ротории Бисёрвурудӣ-Бисёрбаромад (Twin Rotor MIMO System, TRMS), ки ғайрихаттӣ, сахт ба ҳам пайваст ва дар ҳалқаи кушода ноустувор аст, меомӯзад. Азбаски дар дастгоҳи физикӣ танҳо кунҷҳои pitch ва yaw мустақиман чен мешаванд, муҳаққиқон барои арзёбии ду суръати кунҷӣ ва ду моменти роторӣ, ки чен намешаванд, Нозири Коэффитсиенти Баланд (High-Gain Observer, HGO)-ро истифода бурда, сипас се меъмории гуногуни идоракунии backstepping-ро дар TRMS-и физикӣ бо суръати намунагирии 1 kHz озмоиш карданд. Дар ҳоле ки равиши анъанавии backstepping аз сабаби ноустувории тадриҷан афзоянда дар меҳвари yaw тақрибан дар 42 сония аз ҳадди 4 rad гузашт, се меъморие, ки функсияҳои танзими мутобиқшаванда, Brain Storm Optimization (BSO) ва Artificial Bee Colony (ABC)-ро истифода мебаранд, озмоиши 100-сониягии вақти воқеиро анҷом доданд. Дар меҳвари pitch пасттарин қиматҳои RMSE барои BSO 0,0821 rad ва барои ABC 0,0822 rad буданд, дар ҳоле ки дар меҳвари yaw пасттарин RMSE бо 0,2244 rad дар меъмории функсияҳои танзими мутобиқшаванда ба даст омад. Бо вуҷуди ин, арзёбиҳои суръати кунҷӣ ва моменти роторӣ аз чаҳор ҳолати мушоҳиданашаванда бо сенсорҳои алоҳидаи истинодӣ мустақиман санҷида нашудаанд ва барои вақти даврии 1 ms-и алгоритмҳои BSO/ABC ченкунии сертификатшудаи WCET дар сахтафзори ҳадаф анҷом дода нашудааст.

Хулосаи асосии муҳандисии таҳқиқот нишон медиҳад, ки мушкилоти устуворӣ ва мушкилоти дақиқӣ ҳатман набояд бо як механизми идоракунӣ ҳал карда шаванд. Тибқи тафсири муҳаққиқон, функсияҳои танзим мушкилоти параметркунонии аз ҳад зиёди сохтори backstepping-и мутобиқшавандаро бартараф намуда, махсусан устувории канали yaw-ро беҳтар мекунанд; оптимизатсияи онлайнии BSO ва ABC бошад, коэффитсиентҳои идоракуниро ҳангоми кор нав карда, махсусан дақиқии пайгириро дар меҳвари pitch зиёд мекунад.

Фарқи байни симулятсия ва таҷрибаи физикӣ яке аз натиҷаҳои муҳими таҳқиқот аст. Дар муҳити идеалии MATLAB/Simulink контроллери анъанавии backstepping дар ҳар ду меҳвар рафтори қобили қабул нишон дод, аммо дар системаи воқеӣ зери таъсири квантонии encoder, сершавии актуатор, соиши механикӣ, таъсирҳои аэродинамикии моделнашуда ва таъхирҳо дар занҷири ҷамъоварии маълумот канали yaw ноустувор гардид. Аз ин рӯ, далели асосии таҳқиқот бештар аз таҷрибаҳои 100-сониягие меояд, ки дар TRMS-и физикӣ гузаронида шудаанд, на аз каҷҳои симулятсия.

Аз нигоҳи Туркия, ин таҳқиқот на ҳамчун ҳалли мустақими идоракунии саҳроӣ барои ҳавопаймои бесарнишин ё системаҳои болгардиш, балки ҳамчун истиноди методологӣ барои озмоишгоҳҳое арзёбӣ мешавад, ки бо идоракунии ғайрихаттии бисёртағйирёбанда, оптимизатсияи дохилии вақти воқеӣ ва арзёбии ҳолат бар асоси нозир кор мекунанд. Гузаронидани натиҷаҳои таҳқиқот ба воситаи воқеии ҳавоии Туркия ё платформаи дигари саноатӣ талаб мекунад, ки система мутобиқи дақиқии сенсорҳо, ҳудудҳои актуаторҳо, аэродинамика, сахтафзори ҳисоббарорӣ ва шароити муҳити зист аз нав моделсозӣ ва таҷрибавӣ тасдиқ карда шавад.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

TRMS дастгоҳи лаборатории ғайрихаттии дорои ду дараҷаи озодӣ мебошад, ки дар он ротори асосӣ ва ротори дум дар як системаи механикӣ ҳаракатҳои pitch ва yaw-ро ба вуҷуд меоранд. Ротори асосӣ пеш аз ҳама ҳаракати pitch-ро, ротори дум бошад ҳаракати yaw-ро идора мекунад; аммо ду канал аз сабаби таъсирҳои аэродинамикӣ ва гироскопӣ комилан мустақил нестанд.

Вектори ҳолати система аз шаш тағйирёбанда иборат аст:

\[ x = \begin{bmatrix} \psi & \dot{\psi} & \tau_1 & \phi & \dot{\phi} & \tau_2 \end{bmatrix}^{T} \]

Дар ин ҷо \(\psi\) кунҷи pitch, \(\phi\) кунҷи yaw, \(\dot{\psi}\) ва \(\dot{\phi}\) суръатҳои кунҷӣ, \(\tau_1\) ва \(\tau_2\) бошад моментҳои роторҳои асосӣ ва думро ифода мекунанд. Дастгоҳи физикӣ танҳо кунҷҳои pitch ва yaw-ро мустақиман чен мекунад:

\[ y = \begin{bmatrix} \psi & \phi \end{bmatrix}^{T} \]

Аз ин рӯ, аз шаш ҳолате, ки барои контроллери backstepping лозиманд, чаҳортояшро мустақиман аз сенсорҳо гирифтан мумкин нест. Мушкилоти аввалини таҳқиқот арзёбии ин чаҳор ҳолат бо нозир ва мушкилоти дуюм нигоҳ доштани системаи ғайрихаттӣ ва ба ҳам пайваст дар траекторияи истинодӣ ба таври устувор дар вақти воқеӣ мебошад.

Чаро TRMS-и физикӣ мушкилоти душвори идоракунӣ аст?

TRMS-и истифодашуда дар таҳқиқот дар ҳалқаи кушода ноустувор аст ва байни ду ротор пайвастагии назарраси салибӣ мавҷуд аст. Инерсия дар меҳварҳои pitch ва yaw, соиши часпак ва Coulomb, моменти ҷозиба, моментҳои аэродинамикии роторҳо, доимиҳои вақти муҳаррик ва моментҳои гироскопӣ/реаксионӣ ҳамзамон дар муодилаҳои ҳолати ғайрихаттӣ ҷой доранд.

Инерсияи pitch ҳамчун \(I_1 = 6,8 \times 10^{-2}\,\mathrm{kg\,m^2}\) ва инерсияи yaw ҳамчун \(I_2 = 2,0 \times 10^{-2}\,\mathrm{kg\,m^2}\) моделсозӣ шудааст. Шиддатҳои идоракунӣ, ки ба муҳаррикҳо дода мешаванд, бинобар маҳдудияти сахтафзори физикӣ дар ҳудуди зеринанд:

\[ |u_i| \leq 2,5\ \mathrm{V} \]

Encoder-ҳои инкременталӣ, ки кунҷҳои pitch ва yaw-ро чен мекунанд, дар ҳар гардиш 2000 импулс медиҳанд. Дар таҳқиқот дақиқии кунҷии тахминии он чунин нишон дода шудааст:

\[ \frac{2\pi}{2000} \approx 0,00314\ \mathrm{rad} \]

Аз ин рӯ, фарзияи ченкунии идеалии пайваста дар таҷрибаи физикӣ амал намекунад.

Сохтори backstepping чӣ гуна ташкил шудааст?

Муҳаққиқон системаро ҳамчун як контроллери мутамаркази дараҷаи шашум баррасӣ накарда, онро ба ду зерсистемаи strict-feedback-и дараҷаи сеюм ҷудо карданд: барои pitch \((x_1,x_2,x_3)\) ва барои yaw \((x_4,x_5,x_6)\). Пайвастагии аэродинамикии байни каналҳо ҳамчун таъсири маҳдуди халалкунанда баррасӣ шудааст.

Дар усули backstepping мушкилоти идоракунӣ ба тағйирёбандаҳои хатои пайдарпай ҷудо мешавад ва барои ҳар қадам бо истифода аз функсияи Lyapunov қонунҳои идоракунии виртуалӣ сохта мешаванд. Фарқи асосии равиши мутобиқшавандаи таҳқиқот дар он аст, ки ба ҷойи сохтани қонунҳои ҷудогонаи арзёбии параметр дар ҳар қадами backstepping, тавассути функсияҳои танзим як қонуни ягонаи навсозии муттаҳид истифода мешавад.

Навсозии параметри мутобиқшаванда дар шакли умумӣ:

\[ \dot{\hat{\theta}} = \Gamma \tau_n \]

мебошад. Дар ин ҷо \(\hat{\theta}\) арзёбии параметрҳои физикии номуайян, \(\Gamma\) матритсаи мусбатмуайяни коэффитсиентҳои мутобиқшавӣ ва \(\tau_n\) функсияи танзими муттаҳидро, ки аз ҳамаи марҳилаҳои backstepping ташкил шудааст, ифода мекунад.

Муҳаққиқон дар таҳлили Lyapunov ҳосилаи функсияи умумиро дар шакли:

\[ \dot{V} = -\sum_{k=1}^{n} c_k z_k^2 < 0 \]

ба даст меоранд. Дар ин ҷо \(z_k\) координатаҳои хатои backstepping ва \(c_k>0\) коэффитсиентҳои тарҳрезиро ифода мекунанд. Ин сохтор дар зери фарзияҳои идеалии математикӣ барои наздикшавии тағйирёбандаҳои хато асос фароҳам меорад.

Сершавии актуатор натиҷаи устувориро чӣ гуна маҳдуд мекунад?

Гарчанде тарҳи назариявии бозхурди ҳолат устувории асимптотиро таъмин мекунад, вурудҳои муҳаррики TRMS-и воқеӣ бо ±2,5 V маҳдуданд. Аз ин рӯ, мақола ҳангоми баҳодиҳии якҷояи нозир ва контроллер натиҷаро на ҳамчун устувории глобалӣ, балки ҳамчун устувории асимптотии нимглобалӣ дар дохили минтақаи ҷалб, ки аз ҳудудҳои актуатор ва шартҳои ибтидоӣ вобаста аст, баён мекунад.

Нозири Коэффитсиенти Баланд чӣ кор мекунад?

Нозири Коэффитсиенти Баланд танҳо аз кунҷҳои \(\psi\) ва \(\phi\), ки бо ду encoder чен мешаванд, истифода бурда кӯшиш мекунад вектори ҳолати системаи шашҳолатаро барқарор кунад. Сохтори асосии нозир дар таҳқиқот:

\[ \dot{\hat{x}} = f(\hat{x}) + Bu + \left( \frac{\partial \varphi(\hat{x})}{\partial \hat{x}} \right)^{-1} \Lambda^{-1}(\theta,\delta)L \left(y-C\hat{x}\right) \]

мебошад. Барои канали pitch параметри коэффитсиенти баланд \(\theta_1=2\), барои канали yaw \(\theta_2=1,5\) интихоб шудааст. Муҳаққиқон ин қиматҳоро таҷрибавӣ, бо мақсади нигоҳ доштани тавозун байни наздикшавии зуд ва тақвияти садои encoder, муайян карданд.

Ҳолатҳое, ки нозирро метавон мустақиман тасдиқ кард, танҳо кунҷҳои pitch ва yaw мебошанд, ки бо сенсор низ чен мешаванд. Дар таҷрибаи 100-сониягии вақти воқеӣ RMSE байни нозир ва encoder барои pitch 0,0383 rad ва барои yaw 0,1304 rad ҳисоб шудааст. Бо дарназардошти амплитудаҳои истинодӣ, дар таҳқиқот онҳо ҳамчун тақрибан %7,7 ва %13 хатои нормализатсияшудаи арзёбӣ гузориш шудаанд.

Азбаски нозир дар оғоз ба шароити оромии система танзим шуда буд, дар каналҳои кунҷии ченшуда ҷаҳиши назарраси ибтидоии peaking мушоҳида нашуд. Дар канали yaw махсусан дар минтақаҳое, ки самти суръат тағйир меёбад, ларзишҳои хурд вуҷуд доранд ва муҳаққиқон инро ба квантонии encoder ва ларзиши механикӣ нисбат медиҳанд.

Бо вуҷуди ин, барои \(\hat{x}_2\), \(\hat{x}_3\), \(\hat{x}_5\) ва \(\hat{x}_6\), яъне ду суръати кунҷӣ ва ду моменти роторӣ, азбаски дар дастгоҳи физикӣ сенсори мустақили суръат ё момент вуҷуд надорад, муқоисаи мустақими ground-truth анҷом дода нашудааст. Сифати ин арзёбиҳо танҳо ба таври ғайримустақим тавассути он дастгирӣ мешавад, ки ҳалқаи идоракунӣ дар давоми 100 сония маҳдуд ва устувор боқӣ мондааст.

BSO ва ABC чиро оптимизатсия мекунанд?

Контроллерҳои метаэвристикӣ идомаи мустақими функсияҳои танзими мутобиқшаванда нестанд. Дар ин ду меъморӣ сохтори номиналии backstepping нигоҳ дошта шуда, ба ҷойи арзёбии параметрҳои физикӣ коэффитсиентҳои тарҳрезии backstepping ба таври онлайн оптимизатсия мешаванд.

Барои ҳар меҳвар тағйирёбандаи қарор аз се коэффитсиент иборат аст:

\[ c = \begin{bmatrix} c_1 & c_2 & c_3 \end{bmatrix}^{T} \]

Барои меҳвари yaw ба таври ҳамарзиш \(c_4,c_5,c_6\) истифода мешаванд. Ҳудудҳои оптимизатсия барои ҳар канал чунин муайян шудаанд:

• коэффитсиенти якум: 0,1–10,0,
• коэффитсиенти дуюм: 0,1–5,0,
• коэффитсиенти сеюм: 0,01–1,0

.

Ҳар ду алгоритм як функсияи ҳадафро кам мекунанд:

\[ J(c,e) = |e(t)| + \lambda \|c\|^2 \]

ва коэффитсиенти мунтазамсозӣ:

\[ \lambda = 5\times10^{-4} \]

интихоб шудааст. Ҳади аввал барои коҳиш додани хатои фаврии траектория ва ҳади дуюм барои ҷазо додани коэффитсиентҳои идоракунии аз ҳад калон равона шудааст.

Brain Storm Optimization чӣ гуна татбиқ шудааст?

Дар татбиқи BSO 20 ҳалли номзад ба чаҳор кластер ҷудо мешавад. Алгоритм бо истифода аз марказҳои кластерҳо ва векторҳои коэффитсиенти номзад ҳам дар атрофи ҳалли хуби мавҷуда ҷустуҷӯ мекунад ва ҳам байни кластерҳо номзадҳои нав эҷод мекунад. Эҳтимоли иваз кардани маркази кластер 0,20, эҳтимоли интихоби як кластер 0,80 ва эҳтимоли тавлиди бар асоси марказ 0,40 дода шудааст.

Тағйироти муҳими вақти воқеӣ дар татбиқи онлайнии BSO истифодаи ҳалқаҳое мебошад, ки ҳадди болоии онҳо дар вақти компилятсия маълум аст, ба ҷойи ҳалқаҳои вобаста ба маълумот ва дорои давомнокии номуайян. Бо ин роҳ мақсад маҳдуд кардани шумораи амалҳои асосӣ дар ҳар даъвати идоракунӣ мебошад.

Artificial Bee Colony чӣ гуна татбиқ шудааст?

Дар меъмории ABC ҳамагӣ 20 ҳалли номзад истифода шуда, онҳо дар сохтори 10 employed bee ва 10 onlooker bee коркард шудаанд. Пас аз марҳилаҳои employed ва onlooker, ки ҳалли мавҷударо беҳтар мекунанд, ҳалли бе беҳбудӣ дар давоми 15 давр дар марҳилаи scout аз нав тасодуфӣ оғоз мешавад.

Азбаски системаи идоракунӣ бо 1 kHz кор мекунад, 15 давр тақрибан ба фосилаи рукуди 15 ms мувофиқат мекунад. Дар таҳқиқот ин рафтори таҷовузкоронаи аз нав оғозкунӣ барои шароити аэродинамикие, ки дар миқёси сонияҳо тағйир меёбанд, мувофиқ арзёбӣ шудааст.

Ҳудуди даъвои вақти воқеӣ чист?

Гуфта мешавад, ки BSO ва ABC дар ҳар даъвати идоракунӣ бо тақрибан \(2\times10^3\) амали асосӣ маҳдуд шудаанд ва ҳамаи ҳалқаҳо шумораи ниҳоии такрор доранд, ки дар вақти компилятсия муайян шудааст. Ин имкон намедиҳад, ки алгоритм аз сабаби интихоби тасодуфӣ ба даъвати беохир ё идоранашаванда табдил ёбад.

Аммо муҳаққиқон тақсимоти вақти воқеии иҷро дар компютери ҳадафро сабт накардаанд ва таҳлили сертификатшудаи worst-case execution time (WCET)-ро анҷом надодаанд. Аз ин рӯ, хулосаи «татбиқшаванда дар вақти воқеӣ бо 1 kHz» дар таҳқиқот ба бори ҳисоббарории сохторӣ маҳдудшуда ва иҷрои муваффақи физикӣ асос ёфтааст; ин маънои ченкунии сертификатшудаи вақтро надорад, ки иҷрои камтар аз 1 ms-ро дар ҳама шароит исбот кунад.

Чаро танҳо симулятсия кофӣ набуд?

Дар симулятсияҳои MATLAB/Simulink ҳамаи чор контроллер пайгирии қобили қабули траекторияро нишон доданд. Махсусан контроллери анъанавии baseline, ки баъдтар дар таҷрибаи физикӣ ноустувор шуд, дар симулятсияи идеалӣ муваффақ ба назар мерасид.

Дар системаи физикӣ чор фарқи муҳим вуҷуд дорад: тақрибан 0,00314 rad квантонии encoder, ±2,5 V сершавии актуатор, тағйироти воқеии механикӣ ва аэродинамикие, ки параметрҳои номиналии собит онҳоро ифода карда наметавонанд, ва таъсирҳои таъхир/квантонии занҷири ҷамъоварии маълумот. Аз ин рӯ, муҳаққиқон таҷрибаҳои вақти воқеиро ҳамчун далели асосии таҳқиқот арзёбӣ мекунанд.

Дар таҷрибаи воқеии физикӣ чӣ рӯй дод?

Траекторияҳои истинодӣ барои ҳамаи меъмориҳо яксон нигоҳ дошта шуданд:

\[ x_{1d}(t)=0,5\sin(0,5t)\ \mathrm{rad} \]

\[ x_{4d}(t)=1,0\sin(0,5t)\ \mathrm{rad} \]

Дар контроллери анъанавии backstepping рафтори yaw баъд аз тақрибан 20. сония тадриҷан бад шуд, дар 42. сония аз 4 rad гузашт ва барои пешгирии хатари зарари механикӣ таҷриба қатъ карда шуд. Pitch RMSE дар ин фосилаи таҷриба 0,2571 rad ва yaw RMSE 2,5624 rad ҳисоб шуд.

Меъмории функсияҳои танзими мутобиқшаванда ҳар ду меҳварро барои 100 сония пурра гузашт. Pitch RMSE то 0,1588 rad ва yaw RMSE то 0,2244 rad коҳиш ёфт. Дар мақола инҳо нисбат ба baseline мутаносибан ҳамчун %38 ва %91 коҳиши RMSE гузориш шудаанд.

Дар меъмории BSO pitch RMSE 0,0821 rad, yaw RMSE 0,2291 rad; дар меъмории ABC pitch RMSE 0,0822 rad, yaw RMSE 0,2255 rad чен шуд. Дар меҳвари pitch ду алгоритми метаэвристикӣ натиҷаи қариб яксон доданд.

Натиҷаҳои ITAE чиро нишон медиҳанд?

Илова бар RMSE, Integral Time-weighted Absolute Error (ITAE) давомнокии хаторо дар тӯли вақт сахттар ҷазо медиҳад. Натиҷаҳои таҷрибаи вақти воқеӣ чунинанд:

Аз рӯи Pitch ITAE пасттарин қимат дар BSO 343,72 rad·s ва аз рӯи yaw ITAE пасттарин қимат дар ABC 1005,37 rad·s мебошад. Аммо азбаски қиматҳои baseline аз сабти мавҷудаи тақрибан 42 сония ва натиҷаҳои меъмориҳои дигар аз 100 сония ҳисоб шудаанд, равзанаҳои вақти ин муқоиса яксон нестанд.

Графикҳо чиро нишон медиҳанд?

Дар графики real-time baseline равшан дида мешавад, ки баромади yaw тадриҷан аз синуси истинодӣ дур мешавад ва тақрибан дар 42. сония аз 4 rad мегузарад. Дар муқобил, каҷҳои yaw дар таҷрибаҳои функсияҳои танзими мутобиқшаванда, BSO ва ABC дар давоми санҷиши 100-сониягӣ дар атрофи истинод маҳдуд мемонанд.

Дар графикҳои BSO ва ABC дида мешавад, ки баромади pitch синуси истинодиро нисбат ба меъмории функсияҳои танзими мутобиқшаванда наздиктар пайгирӣ мекунад. Натиҷаҳои миқдории RMSE-и таҳқиқот низ ин фарқи визуалиро тасдиқ мекунанд.

Дар графики муқоисаи мустақими HGO кунҷҳои pitch ва yaw, ки нозир арзёбӣ кардааст, рӯи ченкуниҳои воқеии encoder гузошта шудаанд. Арзёбии pitch сигнали ченшударо хеле наздик пайгирӣ мекунад, дар ҳоле ки дар канали yaw махсусан атрофи тағйири самт фарқ ва ларзиши бештар дида мешавад. Ин фарқи мушоҳидашаванда дар қиматҳои ададии RMSE низ инъикос шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Се меъмории пешниҳодшудаи идоракунии бар асоси нозир дар TRMS-и физикӣ пайгирии траекторияи 100-сониягиро бо суръати намунагирии 1 kHz анҷом доданд.
• Baseline-и анъанавӣ дар ҳамон шароити физикӣ дар канали yaw ноустувор шуд ва таҷриба тақрибан дар 42 сония қатъ гардид.
• Меъмории функсияҳои танзими мутобиқшаванда дар сохтори озмудашуда пасттарин қимати yaw RMSE-ро дод.
• Меъмориҳои BSO ва ABC дар меҳвари pitch нисбат ба равиши функсияҳои танзими мутобиқшаванда RMSE-и пасттар ба даст оварданд.
• Арзёбиҳои кунҷи pitch ва yaw-и HGO мустақиман бо ченкуниҳои encoder муқоиса шуда, дар давоми 100 сония хатои маҳдуди арзёбиро нишон доданд.
• Ҳалқаҳои сохтори коди BSO ва ABC ба такрорҳои ниҳоӣ ва маҳдудшуда дар вақти компилятсия табдил дода шуданд, то бори ҳисоббарорӣ дар ҳар даъвати идоракунӣ сохторӣ маҳдуд гардад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё мустақиман исбот намекунад

• Ин таҳқиқот муваффақияти парвоз дар чархбол ё ҳавопаймои бесарнишини воқеиро нишон намедиҳад; системаи истифодашуда дастгоҳи лаборатории TRMS аст.
• Арзёбиҳои суръати кунҷӣ ва моменти ротории HGO бо сенсорҳои мустақили ground-truth суръат ё момент мустақиман санҷида нашудаанд.
• Ченкунии сертификатшудаи WCET вуҷуд надорад, ки нишон диҳад BSO ё ABC дар ҳамаи сахтафзорҳо ҳатман ҳамеша камтар аз 1 ms кор мекунанд.
• Наметавон хулоса кард, ки BSO умуман аз ABC беҳтар ё ABC умуман аз BSO беҳтар аст; дар ин таҳқиқот кори онҳо дар масъалаи оптимизатсияи коэффитсиенти сеандоза қариб яксон аст.
• Натиҷаҳоро бе тасдиқи таҷрибавӣ ба платформаҳои дорои андозаи баландтар ё аэродинамикаи дигар мустақиман умумӣ кардан мумкин нест.
• Таҳқиқот тасдиқи саҳроиро дар зери халалҳои шамол ё тағйироти васеи муҳити зист дар шароити парвози воқеӣ пешниҳод намекунад.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

Яке аз ҷиҳатҳои муҳими қавии таҳқиқот муқоисаи чор меъмории гуногуни backstepping дар зери як HGO, ҳамон траекторияҳои истинодӣ, ҳамон суръати намунагирӣ ва ҳамон TRMS-и физикӣ мебошад. Бо ин роҳ аз натиҷаҳои симулятсия берун рафта, муваффақияти идоракунӣ дар платформаи физикӣ мустақиман нишон дода шудааст.

Ҷиҳати қавии дигар ин аст, ки нозир ҳадди ақал барои ду ҳолате, ки мустақиман бо сенсор чен мешаванд, бо таҳлили ҷудогонаи арзёбӣ санҷида шудааст. Муҳаққиқон инчунин рӯшан гуфтаанд, ки барои чаҳор ҳолати ченнашаванда тасдиқи мустақим имконнопазир аст.

Таҳқиқот масъалаи рамзгузории вақти воқеиро барои BSO ва ABC на танҳо аз ҷиҳати кори алгоритмӣ, балки аз ҷиҳати бори ниҳоии ҳисоббарории даври идоракунӣ низ баррасӣ мекунад. Табдил додани ҳалқаҳои вобаста ба маълумот ба ҳалқаҳои bounded махсусан барои татбиқи дохилии 1 kHz муҳим аст.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Азбаски таҷрибаи baseline дар 42 сония қатъ шуд, нишондиҳандаҳои кори чор меъморӣ аз равзанаи комилан якхелаи вақт гирифта нашудаанд.
• Барои чаҳор ҳолати ченнашавандаи HGO тасдиқи мустақили сенсорӣ вуҷуд надорад.
• Барои BSO ва ABC таҳлили сертификатшудаи WCET дар сахтафзори ҳадаф анҷом дода нашудааст.
• Барои гиперпараметрҳои BSO ва ABC таҳлили фарогири ҳассосият пешниҳод нашудааст.
• Таҷрибаҳо ба як платформаи лаборатории TRMS асос ёфтаанд.
• Истифодаи якҷояи функсияҳои танзими мутобиқшаванда ва оптимизатсияи метаэвристикии коэффитсиент дар як контроллери муттаҳид ҳамчун кори оянда гузошта шудааст.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Инфрасохтори таҷриба ва ҳисоббарорӣ

Чор меъмории муқоисашудаи идоракунӣ

1. Baseline-и анъанавии backstepping-и ғайримутобиқшаванда.
2. Backstepping-и мутобиқшаванда бо HGO ва tuning functions.
3. Backstepping бо HGO ва танзими онлайнии коэффитсиент тавассути BSO.
4. Backstepping бо HGO ва танзими онлайнии коэффитсиент тавассути ABC.

Ҳама меъмориҳо дар ҳамон платформаи физикӣ, бо ҳамон сохтори HGO, ҳамон траекторияҳои истинодӣ, ҳамон суръати намунагирии 1 kHz ва ҳамон шартҳои ибтидоӣ арзёбӣ шуданд.

Натиҷаҳои кори вақти воқеӣ

Аз рӯи Pitch RMSE BSO бо 0,0821 rad пасттарин қиматро дод; натиҷаи 0,0822 rad-и ABC дар амал хеле наздик аст. Аз рӯи yaw RMSE пасттарин қимат 0,2244 rad дар меъмории функсияҳои танзими мутобиқшаванда аст. Аз рӯи ITAE барои pitch BSO ва барои yaw ABC пасттарин қиматро доданд.

Беҳбудиҳо нисбат ба baseline, ки мақола гузориш кардааст

Ин фоизҳо натиҷаҳои худи Ҷадвали 5-и таҳқиқот мебошанд. Азбаски таҷрибаи baseline дар 42 сония қатъ шуд, бояд ба назар гирифт, ки қиматҳои RMSE ва ITAE-и baseline бо метрикаҳои 100-сониягии меъмориҳои дигар равзанаи якхелаи арзёбӣ надоранд.

Натиҷаҳои тасдиқи HGO

Азбаски барои арзёбиҳои суръати кунҷӣ ва моменти роторӣ сенсори мустақили истинодӣ вуҷуд надорад, тасдиқи ин чаҳор ҳолат мустақим нест. Муҳаққиқон қайд мекунанд, ки агар дар ин арзёбиҳо peaking-и ҷиддӣ ё тақвияти бемаҳдуди садо вуҷуд медошт, интизор мерафт контроллери backstepping ба сершавии актуатори 2,5 V тела дода шуда ноустувор гардад; аз ин рӯ кори устувори 100-сониягӣ сифати ин арзёбиҳоро ба таври ғайримустақим дастгирӣ мекунад.

Параметрҳои BSO

Параметрҳои ABC

Тафсири илмӣ

Тибқи тафсири худи таҳқиқот, tuning functions ва оптимизатсияи метаэвристикӣ як мушкилро ҳал намекунанд. Tuning functions механизми сохтории устуворӣ аст, ки барои бартараф кардани параметркунонии аз ҳад зиёд дар сохтори backstepping-и мутобиқшаванда равона шудааст. BSO ва ABC бошад, коэффитсиентҳои тарҳрезии идоракуниро ҳангоми кор оптимизатсия карда, дақиқии пайгириро беҳтар мекунанд.

Ин фарқ дар натиҷаҳои таҷрибавӣ низ дида мешавад: tuning functions ноустувории yaw-ро бартараф карда, пасттарин қимати yaw RMSE-ро таъмин кард; BSO ва ABC бошад, хатои pitch-ро тақрибан боз нисф кам намуда, ба сатҳи 0,082 rad расонданд. Муҳаққиқон таъкид мекунанд, ки ин ду механизм бештар якдигарро пурра мекунанд, на рақобат, ва дар оянда якҷоя кардани онҳо дар як контроллер бояд омӯхта шавад.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: High-Gain Observer-Based Backstepping Control for Real-Time Trajectory Tracking of a Twin Rotor MIMO System: Adaptive Tuning Functions Versus Metaheuristic Gain Optimization

Муаллифон, бо тартиби аслӣ: Abderrahmane Kacimi; Mohamed Mostefaoui; Azeddine Beloufa; Souaad Tahraoui; Abdelbasset Azzouz; Jun-Jiat Tiang; Mehdi Houari Zaid.

Муаллифи якуми баробар/саҳми баробар: Дар манбаъ нишонаи муаллифи якуми баробар ё саҳми баробар дода нашудааст.

Муаллифи масъул: Jun-Jiat Tiang.

Муассисаҳо:

1. Department of Instrumentation Maintenance, Institute of Maintenance and Industrial Safety, University of Oran 2, Oran 31000, Algeria.
2. Laboratory of Electrical Engineering and Renewable Energies (LGEER), Electronic Department, Hassiba Benbouali University, Chlef 02000, Algeria.
3. Signals, Systems and Artificial Intelligence Laboratory (2SAIL), Electronic Department, Hassiba Benbouali University, Chlef 02000, Algeria.
4. Laboratory of Electronics, Advanced Signal Processing, and Microwave (LESM), Department of Telecommunications, Saida University, Saida 20000, Algeria.
5. Centre for Wireless Technology, Centre of Excellence for Intelligent Network, Faculty of Artificial Intelligence and Engineering, Multimedia University, Cyberjaya 63100, Malaysia.
6. Laboratoire AVCIS (Automatisation, Vision et Contrôle Intelligents des Systèmes), Département d’Automatique, Faculté de Génie Électrique, University of Science and Technology of Oran (USTO-MB), Oran 31000, Algeria.

Навъи манбаъ: Мақолаи таҳқиқотии тақризшуда.

Маҷалла: Actuators.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 15 / 8 / 411.

DOI: 10.3390/act15080411

Пайванди расмии нашр:https://doi.org/10.3390/act15080411

Раванди нашр: 12 Июн 2026 қабул шудааст, 15 Июл 2026 бозбинӣ шудааст, 22 Июл 2026 пазируфта шудааст ва 27 Июл 2026 нашр шудааст.

Ҳолати тақриз: Мақолаи таҳқиқотии тақризшуда, ки дар маҷалла қабул ва нашр шудааст.

Иҷозатнома: Иҷозатномаи дастрасии кушоди Creative Commons Attribution (CC BY).

Маблағгузорӣ: Гузориш шудааст, ки ҳаққи коркарди мақола (APC) аз ҷониби Multimedia University, Malaysia пардохт шудааст.

Дастрасии маълумот: Гузориш шудааст, ки маълумоти пешниҳодшуда дар таҳқиқотро метавон бо дархост аз муаллифи масъул гирифт.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия A.K., A.B. ва J.-J.T.; метод A.K., A.B. ва S.T.; нармафзор A.K. ва M.H.Z.; тасдиқ A.K., A.B. ва M.M.; таҳлили расмӣ A.K., S.T., M.M., A.A. ва M.H.Z.; таҳқиқот A.K., M.M., S.T. ва A.A.; захираҳо A.B., A.A. ва J.-J.T.; куратсияи маълумот A.K. ва M.H.Z.; тарҳи аввал A.K.; бозбинӣ ва таҳрир A.K., A.B., S.T., A.A., J.-J.T. ва M.H.Z.; визуализатсия A.K., S.T. ва M.M.; роҳбарӣ A.B. ва J.-J.T.; идоракунии лоиҳа A.B. ва J.-J.T.; таъмини маблағгузорӣ J.-J.T. гузориш шудааст.

Ҳудуди мазмуни илмӣ: Натиҷаҳои таҷрибавӣ, қиматҳои ададӣ, сохторҳои идоракунӣ, параметрҳои модел ва тафсирҳои илмии ин матни Verianla ба таҳқиқоти баррасишуда асос меёбанд. Санҷиши библиографии беруна танҳо барои тасдиқи шахсияти нашр истифода шудааст; ба мазмуни асосии илмӣ аз манбаъҳои беруна натиҷаи нави таҷрибавӣ илова нашудааст.

Маҳдудияти методологӣ: Арзёбиҳои кунҷи pitch ва yaw-и HGO мустақиман бо ченкуниҳои encoder тасдиқ шудаанд; азбаски барои арзёбиҳои суръати кунҷӣ ва моменти роторӣ сенсори мустақили истинодӣ вуҷуд надорад, онҳо танҳо бо кори маҳдуд ва устувори ҳалқаи пӯшида дар давоми 100 сония ба таври ғайримустақим дастгирӣ мешаванд. Ҳамчунин, гарчанде нишон дода шудааст, ки шумораи амалҳо дар татбиқи BSO ва ABC сохторӣ маҳдуд шудааст, дар сахтафзори ҳадаф ченкунии сертификатшудаи worst-case execution time анҷом дода нашудааст. Азбаски таҷрибаи анъанавии baseline тақрибан дар 42 сония қатъ шуд, равзанаи вақти метрикаҳои кори baseline аз таҷрибаҳои дигари 100-сониягӣ фарқ мекунад.