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

آهنگرانی فراهانی, علیرضا; کریمی, جلال; ساداتی, سید حسین

doi:10.22034/joae.2020.136232

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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

علیرضا آهنگرانی فراهانی ¹

جلال کریمی ²

سید حسین ساداتی ²

¹ دانشکده هوافضا- دانشگاه صنعتی مالک اشتر-ایران

² دانشکده هوافضا-دانشگاه صنعتی مالک اشتر

10.22034/joae.2020.136232

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

کوادروتور

کنترل غیرخطی

معادلات شش درجه آزادی

تنظیم بهره‌های کنترلی

الگوریتم ژنتیک

20.1001.1.17359449.1399.22.2.11.5

Nakamura, M., Takaya, K., Ohta, H., Shibayama, K., Kroumov, V., “Quadrotor Modeling and Simulation for Industrial Application”, 23^rd 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 17^th 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 6^th 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”, 3^rd 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 35^th 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.