کنترل یک کوادروتور مجهز به بازوی رباتیک بر اساس تخمین اغتشاش

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تهران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران

3 دانشگاه تهران- دانشکده مهندسی مکانیک

4 دانشیار دانشگاه تهران

چکیده

در سال‌های اخیر، پهپادهای بدون سرنشین به علت سرعت و قابلیت مانور بیشتر نسبت به وسایل نقلیه زمینی در زمینه‌های صنعتی و تحقیقاتی محبوبیت زیادی به دست آورده‌اند. پژوهش حاضر به سیستمی مرکب از یک کوادروتور و یک بازوی رباتیک سری می-پردازد. در این مقاله هدف ارائه‌ی یک الگوریتم تخمین-کنترل برای دستیابی به ردیابی مسیر برای کوادروتور و مجری نهایی است. به این منظور ابتدا سینماتیک و دینامیک کوادروتور با استفاده از کواترنیون و معادلات نیوتون-اویلر استخراج می‌شود. سپس یک بازوی رباتیک سه درجه آزادی که به زیر کوادروتور متصل می‌شود در نظر گرفته شده و معادلات آن با استفاده از الگوریتم بازگشتی نیوتون-اویلر نوشته می‌شود. به منظور کنترل کوادروتور از دو حلقه‌ی داخلی و خارجی، به ترتیب برای جهت گیری کوادروتور و موقعیت آن استفاده می‌شود. گشتاور وارد به کوادروتور ناشی از حرکت بازوی رباتیک یا اعمال نیرو به آن توسط یک فیلتر کالمن تخمین زده شده و به حلقه‌ی کنترل داخلی کوادروتور داده می‌شود. همچنین نیروی وارد به کوادروتور ناشی از عملکرد بازو نیز تخمین زده شده و توسط حلقه‌ی خارجی جبران می‌شود. برای ردیابی مسیر توسط مجری نهایی بازو از یک الگوریتم سینماتیک معکوس استفاده شده است. سیستم مرکب شامل کوادروتور و بازو به منظور اطمینان از صحت عملکرد با انجام ماموریت‌ای مختلف شبیه‌سازی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی با یک پژوهش قبلی مقایسه می‌شود که نشان‌دهنده‌ی بهبود عملکرد الگوریتم ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Control of a Quadrotor Equipped with Robotic Arm Based on Disturbance Estimation

نویسندگان [English]

  • Hossein Shamsollahi 1
  • Fateme Rekabi 2
  • Farzad A. Shirazi 3
  • Mohammad J. Sadigh 4
1 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
2 School of Mechanical, Engineering, College of Engineering, University of Tehran
3 School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran
4 Associate professor, School of Mechanical Engineering, University of Tehran
چکیده [English]

In recent years, unmanned aerial vehicles (UAVs) have become popular in many countries in the industrial and scientific research fields because of their high speed and maneuverability. This research investigates a compound system consisting of a quadrotor and a series robotic manipulator. Joining of these two systems aims at utilizing the agility and flexibility of multi-rotor UAVs and dexterity of robotic arms. This configuration makes UAVs able to perform more complicated tasks. First, kinematics and dynamics of quadrotor are presented using quaternion and Newton-Euler equations. Next, a 3-DOF robotic arm connected to the bottom of the quadrotor is considered and its kinematics and dynamics is derived using Newton-Euler recursive algorithm. In order to control the quadrotor, two inner-outer loops are used for its orientation and position, respectively. The torque resulted from arm operation or exerted force to its end-effector is estimated using Kalman filter and is fed into quadrotor inner control loop. For trajectory tracking of arm end-effector an inverse kinematic algorithm is used. The compound system including UAV and arm is simulated with different scenarios in order to verify its satisfactory performance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Unmanned Aerial Manipulator
  • Aerial Manipulation
  • Aerial Robot
  • Disturbance Estimation