22810

طراحي كنترل كننده براي ربات بالزن شبه پرنده

كارشناسي ارشد

كنترل

1399

1399/06/11

دكتر حواد پشتان

برق

در اين پايان¬نامه، هدف، پايدارسازي پرواز براي كنترل ارتفاع ربات بالزن در مقياس متوسط با بال¬هاي دوتكه مي¬باشد. براي اين منظور، ابتدا مدلسازي ديناميكي با استفاده از ديناميك بدن چندجسمي، كه شامل بخش¬هاي « دو بال دو تكه¬اي، بدنه و دم» است، انجام مي¬شود. براي بدست آوردن معادلات حركت از معادلات لاگرانژ و براي بال زدن از مكانيزم كمپف استفاده شده¬است. اين مكانيزم كه الهام گرفته شده از بال پرندگان است، بال¬هاي داخلي و خارجي را به صورت غيرهم فاز به حركت در مي¬آورد. مدل آيروديناميكي به كمك فرضيه مقاطع بال استخراج مي¬شود كه در آن هر بال به دوازده مقطع، با در نظر گرفتن تمايز بال داخلي و خارجي، تقسيم مي¬شود. نيروهاي حاصل از حركت هر مقطع بر حسب فركانس بال زدن و سرعت پرواز به صورت مجزا بدست مي¬آيد. با تركيب اين نيروها و لحاظ كردن زاويه¬ي مسير و زاويه¬ي حمله موثر، نيروهاي آيروديناميكي كل بال در راستاي افقي و عمودي در هر¬گام زماني حاصل مي-شود. با ادغام مدل آيروديناميكي با مدل ديناميكي، مدل غيرخطي متناوب ربات بدست مي¬آيد. تناوب در اين سيستم منجر به حركت در مدارهاي دايره¬اي مي¬شود كه به دليل ايزوله بودن، اين مدارهاي دايره¬اي چرخه¬ها¬ي حدي به حساب مي¬آيند. پايداري اين سيستم از طريق قضيه¬ي فلوكه بررسي مي¬شود كه در آن براي بدست آوردن چرخه¬هاي حدي، از روش تايم شوتينگ استفاده مي¬گردد. با اين روش يك ماتريس يكپارچه بنام ماتريس مونودرمي بدست مي¬آيد كه با بررسي مقادير ويژه¬ي آن، ناپايداري سيستم حلقه ¬باز حاصل مي¬شود. پايدارسازي پرواز از طريق دم ربات امكان¬پذير است. با توجه به تاثير زاويه¬ي پيچ بدنه بر ارتفاع پرواز، از كنترل آبشاري براي كنترل زواياي پيچ بدنه و پيچ دم ربات در حلقه¬هاي داخلي، و كنترل نرخ ارتفاع در حلقه¬ي خارجي استفاده شده¬است. براي كنترل حلقه¬ها از كنترل تناسبي- مشتقي- انتگرالي بهره برده شده كه بهره¬هاي آن به صورت بهينه طراحي شده¬است. براي مواجهه با عدم قطعيت¬هايي كه به دليل ماهيت غيرخطي شديد، تداخل زيرسيستم¬ها و حساسيت به شرايط جوي به وجود مي¬آيند، كنترل كننده¬ي تطبيقي طراحي مي¬شود. با اين كنترل¬كننده مقاوم مدلغزشي كرانداري زيرسيستم¬ها و همچنين كرانداري كلي سيستم تضمين گردد. در واقع اين كنترل¬كننده نتيجه¬ي همكاري مشاهده¬گر و كنترل مدلغزشي مي¬باشد. مقايسه¬ي نتايج، عملكرد عالي اين كنترل¬كننده را نشان مي¬دهد كه براي كنترل در سطوح بالاتر بسيار كارآمد خواهد بود.

1399/08/27

Controller Design for a bird-like Flapping Robot

9/1/2020 12:00:00 AM

This thesis intends to stabilize the flight of an avian-scale flapping robot with articulated wings, leading to control of the flight altitude. First of all, modeling has performed using multibody dynamics, considering a couple of inner and outer wings, a fuselage, and a tail. The equations of motion have derived from Lagrange equations. Kampf mechanism, inspired by the birds, used to drive the inner and outer wings with a phase shift. The aerodynamic model obtained from applying the blade element theory to the wings divided into twelve elements, considering the inner and outer wing distinction. The aerodynamic forces emerging from the movement of wing elements, in terms of flapping frequency and flight speed, are determined separately. Regarding the flight path angle and effective angle of attack, aerodynamic forces of the entire wings have achieved in horizontal and vertical axes. The coupling of aerodynamic and dynamic completes the nonlinear time-periodic equations (NLTP). Flight stabilization is possible through the tail of the robot. Due to the impact of the fuselage pitch angle on flight altitude, cascade control used to control fuselage and tail pitch angles in inner loops and altitude in the outer one. PID controller was used to regulating the performance of the loops, the coefficients of which have been designed optimally. Since the periodicity in the solution originated isolated orbits, there exist limit cycles in trim states of the system. The stability of this system is through the Floquet theorem, in which the time-shooting method used to obtain limit cycle trajectories. With this method, an integrated matrix called the monodromy matrix obtained, which by analyzing its eigenvalues, the instability of the open-loop system concluded. To deal with uncertainties coming from severe nonlinear nature, subsystem interaction, and sensitivity to weather conditions, a robust adaptive controller with a sliding mode adapting mechanism designed to ensure the overall system boundedness as well as subsystems. This controller is the outcome of a cooperation between observer and sliding mode control. A comparison of the results shows the excellent performance of the adaptive controller, which will be very efficient for designing high-level controllers.