طراحی‎ ‎کنترل‎ ‎تعقیب‎ ‎مسیر‎ ‎کوادروتور‎ ‎با کنترل پسخورد حالت ‏و تابع تنظیم‎ ‎ضرایب بهره‎ ‎بهینه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده هوافضا- دانشگاه صنعتی مالک اشتر-ایران

2 دانشکده هوافضا-دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

درتحقیق حاضر سیستم کنترل تعقیب مسیر مرجع کوادروتور مورد توجه قرار گرفته است. برای این منظور یک ساختار کنترل دوحلقه‌ای ارائه ‏شده که حلقه داخلی، مبتنی‌بر روش پسخورد حالت، ضرایب بهره بهینه به صورت تابعی از متغیرهای وضعیت به کمک الگوریتم ژنتیک استخراج ‏شده است. سپس با استفاده از بانک داده‌های بهینه و روش حداقل مربعات، یک تابع تنظیم بهره بهینه به دست آمده که به صورت برخط در حلقه ‏کنترل مورد استفاده قرار می‌‎گیرد. تابع مذکور براساس رابطه خطی بین متغیرهای حالت سیستم و بهره‌های کنترلی عمل می‌نماید. در طراحی ‏حلقه خارجی از روش کنترل کلاسیکPID‏ بهره گرفته شده است. از آنجاکه تابع محاسبه بهره‌های کنترلی از محاسبات الگوریتم ژنتیک استخراج ‏می‌گردد، بنابراین خواص تابع معیار بهینه‌سازی در این تابع وجود دارد. برای ارزیابی این روش، کنترل‌کننده طراحی شده با کنترل‌کننده ‏PID‏ که ‏بسیار پرکاربرد است مقایسه شده است.‏‎ ‎نتایج شبیه‌سازی کارایی مناسب این تکنیک در کنترل زوایای اویلر پرنده،‎ ‎بهبود در مجموع خطای ردیابی ‏و کاهش مصرف انرژی در در مقایسه با روش ‏PID‏ را نشان می‌دهد.‏

کلیدواژه‌ها


  • Nakamura, M., Takaya, K., Ohta, H., Shibayama, K., Kroumov, V., “Quadrotor Modeling and Simulation for Industrial Application”, 23rd International Conference on System Theory, Control, and Computing (ICSTCC), 2019.
  • Ali, Z, A., Li, X., “Controlling of Under-Actuated Quadrotor UAV Equipped With a Manipulator”, Access IEEE, vol. 9, pp. 3428-3440, 2021.
  • دهقان، سید محمدمهدی، پارسا،علی، آهنگرانی فراهانی، علیرضا، قزلباش، احسان "تخمین خطی مرتبه پایین از یک پهپاد چهارپره تجاری با استفاده از داده‌های پروازی"، نشریه علمی-پژوهشی مهندس هوانوردی، سال بیستم، شماره اول، صفحات 25-35، بهار و تابستان 1397.
  • Saraf, P., Gupta, M., Parimi, A, M., “A Comparative Study between a Classical and Optimal Controller for a Quadrotor”, IEEE 17th India Council International Conference (INDICON), pp. 1-6, 2020.
  • Najm, A, A., Ibraheem ,I, K.,“Nonlinear PID Controller Design for a 6-DOF UAV Quadrotor System”, International Journal of Engineering Science and Technology, vol22, no. 4, pp. 1087-1097, August 2019.
  • Zhou, L, Zhang, B., “Quadrotor UAV Flight Control Using Backstepping Adaptive Controller”, 2020 IEEE 6th International Conference on Control Science and Systems Engineering (ICCSSE), pp. 163-166, 2020.
  • Qiao, J., Liu, Z., Zhang, Y., “Gain Scheduling PID Control of the Quad-Rotor Helicopter”,2017 International Conference on Unmanned Systems (ICUS),pp. 1594-1601, 2017.
  • Navabi, M., Mirzaei, H., “Robust Optimal Adaptive Trajectory Tracking Control of Quadrotor Helicopter”, Latin American Journal of Solids and Structures, vol. 14, no. 6, pp. 1043-1066, June 2017.
  • Koksal, N, An, H, Fidan, B., “Backstepping-Based Adaptive Control of a Quadrotor UAV with Guaranteed Tracking Performance”, Journal of ISA Transaction, V. 105, pp. 98-110, 2020.
  • Jiang, X, Su, C, Xu, Y, Liu, K, Shi, H, Li, P., “An Adaptive Backstepping Sliding Mode Method for Flight Attitude of a Quadrotor”, Journal of Central South University, Springer, vol. 25, pp. 616,631, 2018.
  • Samantaray, J., Chakrabarty, S., “A Fuzzy Sliding Mode Control Design for Quadcopter”, International Conference on Unmanned Aerial System In Geomatics, pp. 191-200, 2019.
  • Zhao, , Xian, B., Zhang, Y., Zhang,X., “Nonlinear Robust Adaptive Tracking Control of a Quadrotor UAV Via Immersion and Invariance Methodology, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 5, pp. 2891-2902, May 2015.
  • Castillo, P., Dzul, , Lozano, R., “Real-Time Stabilization and Tracking of a Four-Rotor Mini Rotorcraft”, IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 12, no. 4, pp. 510–516, Jul. 2004.
  • Mung, N, X., Hong, S, K., “Robust Backstepping Trajectory Tracking Control of a Quadrotor with Input Saturation via Extended State Observer”, Applied Science, vol. 9, pp. 1-23, 2019.
  • Tan, K., Wang, J., Paw, Y. C., Ng, T. Y., “Tracking of a Moving Ground Target by a Quadrotor Using a Backstepping Approach Based on a Full State Cascaded Dynamics”, Appl. Soft Comput., vol. 47, pp. 47–62, Oct. 2016.
  • Nelson, R., Barber, D. B., Mclain, T. W., Beard, R. W., “Vector Field Path Following for Miniature Air Vehicles”, IEEE Trans. Robot., vol. 23, no. 3, pp. 519–529, Jun. 2007.
  • آهنگرانی فراهانی، علیرضا،"طراحی کنترل‌کننده مبتنی‌بر تکنیک خطی‌ساز پسخورد برای سیستم کوادروتور"، اولین همایش ملی مکانیک محاسباتی و تجربی، تهران، ایران، 1397.
  • Sharma, M, Kar, I., “Adaptive Geometric Control of Quadrotors with Dynamic Offset Between Center of Gravity and Geometric Center, Asian Journal of Control, pp. 1-13, 2020.
  • Ma, Z., Jiao, S. M., Research on the Attitude Control of Quad-Rotor UAV Based on Active Disturbance Rejection Control”, 3rd International Conference on Control Science and Systems Engineering, pp. 45-49, 2017.
  • Li, N., Yu, S., Xi, Z., Nonlinear Control Design for a Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle”, Proceeding of the 35th Chinese Control Conference, Chengdu, China, pp. 469-474, 2016.
  • Saha, S., Wadoo, S., Linear Optimal Control of a Parrot AR Drone 2.0”, 2017 IEEE MIT Undergraduate Research Technology Conference, 2017.
  • Nicol, D, E.,“A Robust Adaptive Neural Network Control for a Quadrotor Helicopter, Thesis Degree of Master of Science, Calgary, Alberta, 2010.