25143

طراحي كنترل‌كننده‌ي مبتني بر مد لغزشي‌هاي مرتبه بالاي هوشمند براي كوادروتورها با هدف بهبود رديابي و كاهش مصرف انرژي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

1394

05/03/1400

اسماعيل خان ميرزا

كامران دانشجو

مكانيك

چكيده در سال¬هاي اخير پرنده هاي بدون سرنشين در كاربردهاي نظامي و غير نظامي مورد توجـه زيـادي قرار گرفته اند. اينگونه وسايل پرنده به دليل كاهش هزينه ي توليد و نگهداري، طولاني تر بـودن مـدت پـرواز، كاهش احتمال شناسايي توسط رادار و كاهش خطـر بـراي خدمـه ي پـرواز، در انجـام مأموريـتهـاي نظـامي و در زمينه هاي غيرنظامي مانند عمليات امداد و نجات در سوانح، مـديريت خطـرات محيطي، كنترل ترافيك شهري و... در مقابل پرنده هاي سرنشين دار از مزيت بالاتري برخـوردار انـد. يكي از انواع اين پرنده هاي بدون سرنشين عمود پرواز،كوادروتورها هستند. تحقيقات در زمينه كوادروتورها با چالش هاي گوناگوني روبرو هست. بحث طراحي كنترل كننده جزو مباحث بسيار مهم و حياتي در زمينه كوادروتورها است. با توجه به اينكه ديناميك حاكم بر حركت كوادروتورها به شدت غير خطي است و از محيط پرواز نيز نيروهاي اغتشاشي مختلفي بر بدنه كوادروتور واراد مي شود براي انجام يك رديابي مسير دقيق و با سرعت مناسب طراحي كنترل كننده هاي خطي روش مناسبي نخواهد بود و بايد از روش هاي كنترلي غيرخطي استفاده نمود تا در برابر نيروهاي آشوبي و عدم قطعيت هاي مختلف مقاوم بوده و عملكرد مطلوبي ارائه نمايد. از جمله روش هاي كنترل غيرخطي مي توان به روش هايي نظير مد لغزشي و انواع آن، خطي سازي فيدبك، پسگام، تطبيقي اشاره نمود كه در تركيب با يكديگر نتايج بهتري نيز ارائه مي دهند. در ميان روش هاي اشاره شده روش مد لغزشي به خاطر ساده بودن فرايند طراحي از محبوبيت بيشتري برخوردار است. بحث انرژي از ديگر مباحث مهم اين حوزه از تحقيقات هست. از منظر كنترلي مصرف انرژي مرتبط با ورودي هاي كنترلي سيستم هست كه آن هم مرتبط با ضرايب كنترلي موجود در فرايند طراحي كنترل كننده است. تنظيم اين ضرايب كنترلي با استفاده از روش هاي هوشمند مانند روش هاي مبتني بر منطق فازي، شبكه هاي عصبي و محاسبات تكاملي موجب كاهش ورودي هاي كنترلي و در نتيجه كاهش مصرف انرژي خواهد شد كه در نتيجه موجب افزايش مدت زمان مانورپذيري كوادروتور در منبع تغذيه يكسان و كاهش حجم منبع تغديه براي يك مدت مشخص مي شود. استفاده از روش هاي مد لغزشي مرتبه بالا مانند روش مد لغزشي نهايي، مد لغزشي نهايي ناويژه و مدلغزشي واپيچشي نيز علاوه از بالا بردن دقت و سرعت رديابي موجب كاهش ورودي هاي كنترلي نسبت روش مد لغزشي معمولي مي شود. در اين پايان نامه ما يك روش كنترلي جديد مبتني بر مد لغزشي فراپيچشي مرتبه بالا و تركيب آن با روش هاي هوشمند سازي فازي-تطبيقي براي كوادروتورها طراحي نموده ايم كه دقت و سرعت رديابي را افزايش و مصرف انرژي را نسبت به روش هاي مورد استفاده در تحقيقات قبلي كاهش مي دهد. نتايج شبيه سازي نشان ميدهد عملكرد سيستم كنترلي طراحي شده بسيار مطلوب بود و نسبت به روش هاي مورد استفاده در تحقيقات قبلي كاهش چشمگيري در ميزان مصرف انرژي فراهم نموده و همچنين در زمان محدودي به حالت پايداري مي رسد. پايداري سيستم هاي كنترلي طراحي شده از طريق نظريه لياپانوف مورد اثبات قرار گرفته است. نتايج شبيه سازي به منظور ارزيابي با نتايج يكي از مقالات معتبر در زمينه كنترل كوادروتور مورد مقايسه قرار گرفته است كه بهبود نتايج را نشان مي دهد.

1400/06/04

Design of high-order sliding mode based intelligent controller for quadrotors with the aim of improving tracking performance and reducing energy consumption

5/26/2022 12:00:00 AM

In recent years, drones have received much attention in military and civilian applications. Such aircraft, due to reduced production and maintenance costs, longer flight times, reduced radar detection probability, and reduced risk to flight crews, during military and civilian missions such as environmental and urban traffic control, etc. have a higher advantage over manned drones. One of the types of vertical drones are quadrotors. Research on quadrotors faces a variety of challenges. The issue of controller design is one of the most important and vital issues in the field of quadrotors. due to the fact that the dynamics of quadrotors is highly non-linear and different disturbance forces are applied to the body of the quadcopter from the flight environment, the design of linear controllers is not a good way to perform an accurate and fast tracking and non-linear control methods should be used to eliminating external forces effects and various uncertainties and provide good performance. Among the nonlinear control methods, we can mention methods such as sliding mode and its different types, feedback linearization, back-stepping, and adaptive control, which combination of some of these methods gives better results. Among the mentioned methods, the sliding mode method is more popular due to the simplicity of the design process. The issue of energy is another important topic in this area of research. From a control point of view, energy consumption is related to the control inputs of the system, which is also related to the control coefficients in the controller design process. Adjusting these control coefficients using intelligent methods such as methods based on fuzzy logic, neural networks and evolutionary calculations will reduce control inputs and thus reduce energy consumption, which will increase the maneuverability time of the quadrotor in the same power supply. And a reduction in the volume of the power supply is specified for a period of time. The use of high-order sliding mode methods such as the terminal sliding mode method, the nonsingular terminal sliding mode and the super-twisting sliding mode, increasing the accuracy and speed of tracking and reduces the control inputs compared to the conventional sliding mode method. In this dissertation, we have designed a new control method based on high-order super-twisting sliding mode and its combination with adaptive fuzzy intelligent methods for quadrotters, which increases the accuracy and speed of tracking and reducing energy consumption compared to the methods used in previous researches in this area. The simulation results show that the performance of the designed control system is very good compared to the methods used in previous research and it provides a significant reduction in energy consumption and also reaches a stable state in a finite time. The stability of the designed control systems has been proved by Lyapunov's theory. The simulation results are compared with the results of one of the authoritative articles in the field of quadrotor control for evaluation, which shows the improvement of the results in comparison with its results.

كووادراتور، كووادكوپتر، كنترل غير خطي، كنترل هوشمند، مد لغزشي، منطق فازي

quadrotor - sliding mode - fuzzy logic - adaptive control – super twisting - UAV