کنترل بهینه مبتنی بر برنامه‌ریزی مسیر حداقل انرژی برای یک کوادروتور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران،

2 دانشکده مهندسی مکانیک

3 هیئت علمی/ دانشگاه شهید بهشتی پردیس فنی عباسپور

4 هیات علمی

چکیده

کوادروتور یک وسیله پرنده با 6 درجه آزادی است که قابلیت پرواز عمودی و انجام مانورهای پیچیده را داراست. کوادروتورها به سبب ساختار ذاتی خود مصرف انرژی بالایی دارند و از همین رو حداقل کردن انرژی مصرفی آنها به سبب افزایش زمان پروازی و برد عملیاتی آنها، بسیار مهم می‌باشد. در این مقاله به منظور بیشینه کردن زمان عملیاتی کوادروتور، الگوریتم برنامه‌ریزی مسیر حداقل انرژی و کنترل بهینه برای حرکت بین دو نقطه مشخص ارائه می‌شود. به منظور نیل به این هدف ابتدا معادلات دینامیکی کوادروتور و موتور استخراج شده، سپس با معرفی انرژی کل مصرفی باتری بعنوان تابع هزینه عملی و با استفاده از تئوری کنترل بهینه، مسیر حداقل انرژِی تعیین می‌شود. تمامی قیود موجود نیز از طریق ضرایب لاگرانژ وارد معادلات همیلتونین شده تا مسیر حداقل انرژی بدست آمده، تمامی آنها را ارضا نماید. در انتها نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی با نتایج پروفایل سرعت ذوزنقه‌ای مرسوم مقایسه شده که ذخیره انرژی تا چهار درصد را در مقایسه با پروفایل سرعت ذوزنقه‌ای مرسوم نشان می‌دهد. نتایج همچنین نشان می‌دهند که مدت زمان پرواز نسبت به طول مسیر تاثیر بیشتری در مصرف انرژی دارد. همچنین با استفاده از نتایج شبیه-سازی‌ در وضعیت‌های مختلف، یک رابطه کمی بین طول مسیر و مدت زمان پرواز با میزان مصرف انرژی توسط کوادروتور استخراج شده که می‌تواند در تخمین حداکثر برد پرواز یا مدت زمان پرواز با توجه به میزان انرژی باتری بسیار سودمند باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimal Control Based on Minimum-Energy Trajectory Planning of a Quadrotor

نویسندگان [English]

  • mahmood mazare 1
  • ehsan davoodi 2
  • Mostafa Taghizadeh 3
  • mahdi pourgholi 4
1 School of Mechanical Engineering, ShahidBeheshtiUniversity, Tehran, Iran.
2 school of mechanical engineering
3 shahid beheshti university
4 school of electrical engineering
چکیده [English]

Quadrotors have high energy consumption due to their inherent structure, hence minimization of their energy consumption play a crucial role in terms of enhancing their operational range and flight time. In this paper, optimal control based on a minimum-energy trajectory planning algorithm of a quadrotor has introduced between two certain points to maximize operation time. To do this, first, dynamic equations of quadrotor and Brushless motor are derived. Energy consumption of quadrotor is introduced as a cost function and the minimum energy path is determined using optimal control theory. To satisfy constraints, all of them are combined with a Hamiltonian equation using Lagrange multiplier. Finally, simulation results are compared with results of conventional trapezoidal velocity profile which shows energy saving up to 4% compared with conventional trapezoidal velocity profile. Also, results reveal that the influence of operation time is far more than path length on energy consumption. In order to verify the validity of the simulation results, they are compared with the results of an experimental model which is consisting Brushless motor, sensor and, control board. As well as using simulation results in different situations, a mathematical equation was extracted among path length, operation time and energy consumption which can be useful to estimate the maximum flight range or operation time considering the amount of energy of the battery.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Quadrotor
  • minimum energy trajectory
  • Optimal control
  • Hamiltonian equations