کنترل بهینه مصرف سوخت پهپاد در پرواز گشت‌زنی دایروی

دستیابی به بهترین عملکرد و رفتار اجسام پرنده کنترل پذیر، هدف اصلی مهندسان و طراحان سیستم‎های‎کنترل پرواز می‎باشد. بهینه‌سازی مسیر یک جسم‌پرنده می‌تواند سبب بهبود عملکرد، کاهش هزینه، افزایش قابلیت و نتایج مطلوب دیگر گردد. بهینه‏سازی مسیر دانشی است که در آن راه‌های دستیابی به فرآیندهای دینامیکی بهینه ارائه می‌گردد. یکی از روش‌های یافتن تغییرات بهینه متغیرهای حالت، استفاده از کنترل بهینه است. از آنجائیکه پروازهای با بُرد و مداومت طولانی نیازمند برخی شکل‌های مدیریت سوخت می‌باشند، تحقیقات گسترده‌ای در حوزه‌ی کمینه‌سازی مصرف سوخت در حال انجام می‌باشد. در این مقاله حداقل مصرف سوخت برای یک هواپیمای بدون سرنشین در مرحله گشت‌زنی با مانور دایروی در یک منطقه از پیش تعیین شده ارائه گردید. معادلات حرکت پهپاد بر اساس مدل جرم نقطه‌ای توسعه یافته است. شرایط بهینگی از اصل حداقل‌یابی پانتریاگن با استفاده از تابع همیلتونین به دست آمده است. مصرف سوخت، بهعنوان معیار بهینه انتخاب و روش عددی مورد استفاده تکنیک پرتاب چند نقطه ای بوده است. به طور طبیعی انتظار می‌رود که انرژی باد بر مسیر پرواز تاثیرگذار باشد، به همین دلیل شبیه‌سازی‌های عددی با در نظر گرفتن اثر سرعت و جهت باد بر مانور گردش بهینه انجام شده است. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که برای داشتن حداقل مصرف سوخت در پرواز گشت‌زنی در مسیر دایروی، لازم است که پهپاد پرواز متناوب نزولی و صعودی داشته باشد.

Optimal Control of UAV Fuel Consumption during Circular Loitering Flight

The main objective of the engineers and flight control system designers is to achieve the best performance and behavior of a controllable aeronautical vehicle. Trajectory optimization of a flying vehicle may improve performance, reduce costs, enhance the vehicle capabilities and lead to other favorable results. Trajectory Optimization is a knowledge that presents the ways of achieving optimum dynamic processes. Using the optimal control is one way to find the optimal trend of state variables. Since long range and endurance missions, require some forms of fuel management, there is ongoing research in the area of minimizing the fuel consumption. In current article, the problem of minimum fuel consumption for an unmanned aerial vehicle, during a circular maneuver in a predetermined area, is presented. UAV equations of motion are developed based on a point mass model. Optimality conditions of Pontryagen Minimum Principle (PMP) are found using the Hamiltonian function. Fuel consumption is the optimum performance index and multiple shooting method is chosen as numerical method for solving the problem at hand. Naturally, wind energy is expected to affect the flight path, so numerical simulations have been performed considering the effect of wind speed and direction on the optimal turn maneuver problem. Current research results show that in order to acquire a minimum fuel consumption loitering flight, in a circular trajectory, periodic climbing and descending maneuvers are needed.