23455

كنترل پرواز چهارپره در نزديكي سطح زمين

دكترا تخصصي

مهندسي مكانيك گرايش طراحي كاربردي

6 اسفند 1399

دكتر كامران دانشجو

مهندسي مكانيك

پايداري فرود و پرواز رو به جلو پرنده¬هاي بدون سرنشين در نزديكي سطح زمين يكي از چالش¬هاي اساسي در سيستم كنترلي مي¬باشد. افزايش تراست ايجاد شده در چهارپره، هنگامي كه نزديك زمين پرواز مي-كند، به پديده اثر زمين معروف مي¬باشد. به دليل شرايط محيطي، مانور پرواز و كيفيت سطح زمين، تأثيرات آئروديناميكي اثر زمين به صورت پيوسته متغير و تصادفي است. در اين رساله تلاش شده است با بررسي مدل‌هاي پيشنهاد شده در گذشته، يك مدل جامع بهبود يافته ديناميكي غيرخطي در فضاي حالت ارائه گردد، به نحوي كه اثرات نسبت پيشروي، نيروي درگ و كيفيت سطح رمين در مقدار اثر زمين لحاظ ¬شود. با انجام آزمايش¬هاي ميداني بر روي سطوح بتني و چمن نشان داده مي‌شود كه اثر كيفيت سطح زمين نقش به سزايي در مقدار اثر زمين دارد. به همين منظور ضريب اثر كيفيت سطح (SQE) به معادله ديناميكي اضافه مي‌شود. سپس بر اساس مدل پيشنهادي، سيستم كنترلي طراحي شده است. ورودي¬هاي كنترلي مورد نياز براي تعقيب مسير بر اساس الگوريتم كنترلي روش بازگشت به عقب به دست مي¬آيد. مبناي طراحي كنترل كننده بازگشت به عقب بر اساس تئوري پايداري لياپانوف است كه در نتيجه پايداري سيستم كنترلي ضمانت مي‌شود. سپس با توجه به ورودي¬هاي كنترلي، ولتاژ مورد نياز براي سرعت دوراني روتورها با توجه به مشخصات فني و در نظر گرفتن كران بيشينه (اشباع) با كمك كنترل كننده PI محاسبه مي‌شود. در گام بعدي، با استفاده از اين الگوريتم كنترلي و نتايج شبيه‌سازي سه مأموريت پروازي، پايداري پرواز براي چهارپره در مقابل اغتشاشات اثر زمين ارزيابي مي‌شود. در اين مطالعه تأثير پديده اثر زمين علاوه بر ارتفاع، بر كنترل وضعيت و تعقيب مسير نيز مورد بررسي قرار مي¬گيرد. نتايج شبيه‌سازي نشان مي¬دهد كه با افزايش نسبت پيشروي تأثير اثر زمين كمرنگ¬تر مي‌شود. بنابراين مدل پيشنهادي بستر مناسبي را براي پياده‌سازي ساير روش‌هاي كنترلي جهت دستيابي به مانورهاي مهاجم و پيچيده را فراهم مي¬كند. از طرف ديگر مشكلاتي مانند تنوع مدل¬هاي مختلف چهارپره و عدم شناخت كافي از ديناميك آنها، اندركنش زياد بين زير سيستم¬ها، عدم قطعيت¬هاي پارامتري، اغتشاشات آئروديناميكي و خاصيت فرو عملگر بودن سيستم، طراحي كنترل كننده را پيچيده مي¬كنند. همانند همه¬ي روابط تئوري كه بر پايه يكسري فرضيات استخراج شده¬اند، بديهي است اين مدل پيشنهادي را نمي¬توان برا همه چهارپره¬ها و در همه شرايط محيطي تعميم داد. در نتيجه ارائه يك راهبرد كنترل تطبيقي پيشرفته براي دستيابي به كنترل كننده¬اي كه بتواند اهداف مورد نظر را با راندمان بالا تأمين نمايد، ضروري است. به همين منظور براي تخمين اثر زمين از روش‌هاي هوش جمعي استفاده مي‌شود. يكي از كارآمدترين و كاربردي¬ترين اين روش‌ها، الگوريتم بهينه‌سازي ازدحام ذرات (PSO) مي¬باشد. از مزاياي اصلي اين روش، دستيابي مقادير بهينه سيستم¬ها بدون در نظر گرفتن ديناميك و سينماتيك سيستم است. اصول اين الگوريتم بر اساس اطلاعاتي است كه ذرات از تجربه شخصي خود به اشتراك مي¬گذارند. در روش پيشنهادي مسئله تخمين اثر زمين به يك مسئله بهينه‌سازي پويا بازگشتي جهت يافتن بهترين تخمين اثر زمين مبدل مي¬شود. با توجه به مقادير خطا موقعيت يك تابع هزينه تعريف شده و سپس با كمينه كردن اين تابع هزينه در هر گام زماني، مقدار اثر زمين تخمين زده مي‌شود. از آنجايي كه بازه مقدار اثر زمين محدود است، تعداد جمعيت و تعداد تكرار بسيار كم در نظر گرفته خواهد شد تا بتوان به صورت برخط مقدار اثر زمين در هر گام زماني به سرعت تخمين زده شود. با مقايسه مقادير تخمين زده شده و مقادير واقعي، مي¬توان دريافت كه اين روش از كارايي بالا براي كاربردهاي ميداني برخوردار است.

1400/02/15

Flight control of the Quadrotor near the ground surface

1/1/1900 12:00:00 AM

Forward flight and decent of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in near the ground surface is one of the basic challenges in control system. In real condition, when rotary wing flies near the ground surface, the vertical lift is increased which is called Ground Effect. The aerodynamic effects of the ground effect are varied continously due to the environmental conditions, type of flight, and ground surface quality. According to the previous proposed models, this thesis is tried to develop a comprehensive nonlinear dynamic model in space-state. This proposed model is considered advance ratio in other word translational velocities. The experimental field tests also shows that ground surface quality plays a significant role and this phenomenon is considered dynamic equations by adding surface quality effect (SQE). Then control system is designed by using proposed dynamic model. The required control inputs are calculated for tracking desired trajectory by Backstepping control algorithm. The approach of Backstepping is based on Lyapanov theory and therefore the stability is guaranteed. The required voltages of electrical motors are computed by PI controller. Three missions are simulated to confirm the robustness of this control algorithm. This study is investigated the effect of ground effect on height, altitude and position control. It is also seen that the ground effect is dissipated as advance ratio increases. So the proposed model is an appropriate platform for implementation other control approaches in aggressive and complicate maneuver. The problems such as unknown dynamic, interaction between sub-systems, uncertainties of parameters and under actuated of quadrotor makes the design of control system more complicate. So, the advanced adaptive control strategy is necessary in order to achieve high performance. The swarm intelligence is used to estimate the ground effect. One of the well-known computational intelligence methods is Particle Swarm Optimization (PSO). PSO algorithm solves a problem by population of candidate solutions (particles) and movement of these particles based on mathematical operation over the particle’s position and velocity in search space. We tried to implement a swarm intelligence algorithm for estimating the ground effect values, without any knowledge about this aerodynamic phenomenon, the quality of ground surface and maneuver type. In next step, an adaptive backstepping control strategy was designed. According to the flight conditions, the value ground effect, used in backstepping controller, was estimated by particle swarm optimization. The results showed that this algorithm was successful to estimate the ground effect by distribution of particles in research space and defining an appropriate cost function.

اثر زمين , نسبت پيشروي , اثر كيفيت سطح , مدل سازي و كنترل چهارپره , تخمين برخط

Ground Effect , Advance ratio , Surface quality effect , Modelling and control of Quadrotor , online estimation