کنترل کوادروتور با الگوریتم بهینه غیرخطی وابسته به حالت و تحلیل عملکرد دینامیکی آن تحت اثر میدان باد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی هوافضا، دانشکده هوافضا، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

2 تهران خ- حافظ- روبروی سمیه- دانشگاه صنعتی امیر کبیر- دانشکده هوافضا

3 مهندسی هوافضا، دانشکده هوافضا، صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

کوادروتورها در دهه‌های اخیر به دلیل ماموریت‌های ویژه و کاهش هزینه‌های عملیات پروازی مورد توجه قرار گرفتند. در این مقاله برای این پهباد سه سناریو پروازی برای فیلم‌برداری از یک منطقه تعریف شده است که در آن‌ها وضعیت کوادروتور بر پایه روش کنترل بهینه غیرخطی وابسته به حالت تحلیل شده است. در سناریو اول یک نمونه آزمایشگاهی به جهت یافتن زوایای اویلر مورد نیاز برای اجرای مانور، تست گرفته شده است؛ این نمونه، یک کوادروتور است که بر اساس روش تناسبی مشتق‌گیر بنا شده است؛ بدین منظور در شبیه‌سازی نتایج بدست‌آمده از این روش آورده شده است تا با نتایج روش غیرخطی وابسته به حالت صحه‌سنجی شود. در سناریو دوم و سوم کوادروتور برای پوشش‌دادن سطح بیشتری از منطقه در مسیرهای پیچیده‌تر مربعی و دایره‌ای مانور می‌دهد. از پارامترهای مهم برای انجام ماموریت‌های ذکرشده، درنظرگرفتن عامل خارجی باد می‌باشد؛ بنابراین انجام این ماموریت‌ها مستلزم پایداری کوادروتور تحت اثر میدان باد برای تضمین امنیت آن است؛ برای این منظور اثر نیرویی و گشتاوری میدان باد نمونه بر معادلات حرکت پهباد اعمال می‌گردد. عملکرد دینامیکی کوادروتور برای روش‌های کنترلی تناسبی مشتق‌گیر، خودتنظیم خطی مرتبه دوم و غیرخطی وابسته به حالت در تقابل با میدان باد مورد بررسی قرار می‌گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Control of quadrotor by using state-dependent Riccati equation method and analyzing its dynamic performance under wind field

نویسندگان [English]

  • ali pourmoradi 1
  • Mehdi Sabzeh Parvar 2
  • ali ashrafi 3
1 Aerospace Engineering Department, Amirkabir Universiy of technology, Tehran, Iran
2 Aerospace Dept,Amirkabir Univ. of Technology,Tehran,Iran
3 Aerospace Engineering Department, Amirkabir Universiy of technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In recent decades, quadrotors are considered, because of the special missions and reducing the cost of flight operation. In this paper, three flight missions are defined to the quadrotor for shooting the special area. Attitude control of quadrotor is analyzed on basis of state-dependent Riccati equation. In the first mission, an experimental sample is taken in order to find the Euler angles for the implementation of routes. The sample quadrotor is on basis of the proportional–derivative controller. For this purpose, results of simulation base on proportional–derivative controller are conducted and the results are validated by state-dependent Riccati equation controller method. In the second and the third missions, the quadrotor is given maneuver by state-dependent Riccati equation method and flies in more complex routes such as square and round to cover more surface. Considering external wind fieldis the important parameter for the mention missions. The feasibility of these missions related to quadrotor stability and guaranteed security in wind field, for this purpose, the influence of force and moment of the wind field is applied to equations of motion of quadrotor. Dynamic performance of quadrotor is investigated for proportional–derivative, linear quadratic regulator and state-dependent Riccati equation methods encountering wind field.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Quadrotor
  • Attitude control
  • altitude control
  • Nonlinear algorithm
  • Wind field
[1] E. Cetinsoy, S. Dikyar, C. Hançer, K. Oner, E. Sirimoglu, M. Unel, M. Aksit, Design and construction of a novel quad tilt-wing UAV, Mechatronics, 22(6) (2012) 723-745.
[2] H. Mirhajia, design of controller for quadrotor using dynamic inversion method, Amirkabir, Iran, 2011.
[3] M.D. Schmidt, Simulation and control of a quadrotor unmanned aerial vehicle,  (2011).
[4] N. Manafi, 6-DOF quadrotor modeling with controllable frame rotors, Amirkabir, Iran, 2014.
[5] A. Surriani, M. Arrofiq, Altitude control of quadrotor using fuzzy self tuning PID controller, in:  2017 5th International Conference on Instrumentation, Control, and Automation (ICA), IEEE, 2017, pp. 67-72.
[6] N. Sydney, B. Smyth, D.A. Paley, Dynamic control of autonomous quadrotor flight in an estimated wind field, in:  52nd IEEE Conference on Decision and Control, IEEE, 2013, pp. 3609-3616.
[7] A. Rodriguez-Mata, M. Farza, M. M’Saad, Altitude control of quadrator UVAs using high gain observer-based output feedback high gain regulator, in:  2019 8th International Conference on Systems and Control (ICSC), IEEE, 2019, pp. 147-152.
[8] M. Labbadi, S. Nassiri, L. Bousselamti, M. Bahij, M. Cherkaoui, Fractional-order Fast Terminal Sliding Mode Control of Uncertain Quadrotor UAV with Time-varying Disturbances, in:  2019 8th International Conference on Systems and Control (ICSC), IEEE, 2019, pp. 417-422.
[9] Y. Bouzid, H. Siguerdidjane, E. Zareb, Improved IMC-filter design and IMC-PI equivalence: Application to quadrotor under gust of wind, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering,  (2020) 0959651819894188.
[10] X. Li, H. Zhang, W. Fan, J. Zhao, C. Wang, Multivariable finite-time composite control strategy based on immersion and invariance for quadrotor under mismatched disturbances, Aerospace Science and Technology, 99 (2020) 105763.
[11] T. Wan, An Investigation of Quad-rotor Aircraft Performance under Gust Wind and Heavy Rain Impacts, in:  AIAA Scitech 2020 Forum, 2020, pp. 1735.
[12] G. Flores, V. González-Huitron, A. Rodríguez-Mata, Output Feedback Control for a Quadrotor Aircraft Using an Adaptive High Gain Observer, International Journal of Control, Automation and Systems,   1-13.
[13] A.A. Najm, I.K. Ibraheem, Altitude and Attitude Stabilization of UAV Quadrotor System using Improved Active Disturbance Rejection Control, Arabian Journal for Science and Engineering,   1-15.
[14] W. Craig, D. Yeo, D.A. Paley, Geometric Attitude and Position Control of a Quadrotor in Wind, Journal of Guidance, Control, and Dynamics,  (2020) 1-14.
[15] S. Bouabdallah, Design and control of quadrotors with application to autonomous flying, Epfl, 2007.
[16] U. Ansari, A.H. Bajodah, M.T. Hamayun, Quadrotor control via robust generalized dynamic inversion and adaptive non‐singular terminal sliding mode, Asian Journal of Control, 21(3) (2019) 1237-1249.
[17] N.K. Tran, Modeling and Control of a Quadrotor in a Wind Field, McGill University,  (2015).
[18] F.B. Leahy, Discrete gust model for launch vehicle assessments,  (2008).
[19] T. Çimen, State-dependent Riccati equation (SDRE) control: A survey, IFAC Proceedings Volumes, 41(2) (2008) 3761-3775.
[20] H. Jafari, M. Zareh, J. Roshanian, A. Nikkhah, An optimal guidance law applied to quadrotor using LQR method, Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, 53(179) (2010) 32-39.
[21] E. Elbeltagi, T. Hegazy, D. Grierson, Comparison among five evolutionary-based optimization algorithms, Advanced engineering informatics, 19(1) (2005) 43-53.
[22] H. Voos, Nonlinear state-dependent Riccati equation control of a quadrotor UAV, in:  2006 IEEE Conference on Computer Aided Control System Design, 2006 IEEE International Conference on Control Applications, 2006 IEEE International Symposium on Intelligent Control, IEEE, 2006, pp. 2547-2552.
[23] H.K. Khalil, J.W. Grizzle, Nonlinear systems, Prentice hall Upper Saddle River, NJ, 2002.
[24] J. Rascón-Enríquez, L.A. García-Delgado, J.R. Noriega, A. García-Juárez, E.S. Espinoza, Tracking Control for Quad-Rotor Using Velocity Field and Obstacle Avoidance Based on Hydrodynamics, Electronics, 9(2) (2020) 233.