22822

تصميم‌گيري مشترك شبكه‌اي از بازوهاي ماهر هوايي تحت تاخير ارتباطي و توپولوژي ارتباطي متغير

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي - ارتعاشات و كنترل

1399/6/24

دكتر اسماعيل خانميرزا

مكانيك

در يك دهه‌ي اخير استفاده از وسايل هوايي بدون سرنشين به‌دليل توانايي‌هاي بالاي اين سيستم‌ها رشد چشم‌گيري داشته است. بازوهاي ماهر هوايي كه از خانواده وسايل هوايي بدون سرنشين مي‌باشند، كاربردهاي وسيعي در صنايع غير نظامي مانند بازرسي فيزيكي زير‌ساخت‌ها، واكنش هوشمندانه در برابر بلاي طبيعي، سمپاشي آفات در كشاورزي و حوزه‌هاي هواشناسي دارند. بازوهاي ماهر هوايي در دو ساختار بالگرد و چندپرّه ارائه مي‌شوند. براي افزايش كارايي اين سيستم‌ها از توانايي همكاري و شبكه شدن سيستم‌ها استفاده مي‌كنند. همكاري اين گونه از سيستم ها همواره با چالش‌هايي همراه بوده است. هدف اصلي در اين پايان‌نامه، همكاري شبكه‌اي از بازوهاي ماهر هوايي با ساختار چندپرّه مي‌باشد كه در شبكه‌ي ارتباطي امكان وجود تاخير در ارتباط و همچنين توپولوژي ارتباطي متغير فراهم است. ساختار چندپرّه از جمله سيستم‌هاي فروعملگر هستند به اين معني كه در آن‌ها تعداد ورودي‌هاي كنترلي از تعداد متغيرهاي لازم براي پيكربندي كم‌تر است. همچنين استفاده از بازوي مكانيكي در پيكربندي بازوي ماهر هوايي افزونگي به سيستم وارد مي‌كند. بنابراين، كنترل كردن و شبكه كردن بازوي ماهر هوايي با چالش‌هاي جدي‌ همراه است. فرض بر اين است كه تمام متغيرهاي حالت بازوهاي ماهر هوايي در دسترس مي‌باشند و اين متغيرها با يك تاخير در ارتباط بين عوامل منتشر مي‌شوند. براي به‌دست آوردن مدل ديناميكي سيستم، انرژي پتانسيل و جنبشي كل بازوي ماهر هوايي محاسبه مي‌شود سپس با استفاده از معادله لاگرانژ مدل سيستم قابل محاسبه است. براي به‌دست آوردن ماتريس‌هاي جرم، فنر و ميرايي معادلات ديناميكي از نرم‌افزار ميپل استفاده شده است. مدل به‌دست آمده براي صحت‌سنجي شبيه سازي مي‌شود كه نتايج نشان دهنده صحت مدل ديناميكي است. براي كنترل بازوي ماهر هوايي از الگوريتم خطي سازي فيدبك بهره برده شده است. با كمك اين الگوريتم مشكل فروعملگر بودن سيستم در نظر گرفته شده است. الگوريتم كنترلي گفته شده از دو لايه اصلي تشكيل مي‌شود. يك لايه براي حل سينماتيك معكوس بازوي ماهر هوايي در نظر گرفته شده است تا مقادير حالت‌هاي مطلوب را محاسبه كند. لايه دوم وظيفه رفتن به اين مقادير مطلوب با وجود تاخير ارتباطي و توپولوژي متغير را بر‌عهده دارد. در آخر نيز براي بررسي عملكرد الگوريتم كنترلي، معادلات در نرم‌افزار متلب شبيه سازي شده‌اند كه نتايج حاصل شده نشان از عملكرد قابل قبول كنترل كننده مي‌باشد.

1399/09/23

Cooperative control of networked aerial manipulator in presence of communication delay term and switching topology

9/14/2020 12:00:00 AM

The use of unmanned aerial vehicles has grown dramatically in the last decade due to the high capabilities of these systems. Aerial manipulator that belong to the unmanned aerial vehicle family have wide applications in civilian industries such as physical inspection of infrastructure, intelligent response to natural disasters, pest spraying in agriculture and meteorological fields. Aerial manipulators come in two helicopter and multi-rotor platforms. To increase the efficiency of these systems, they use the ability to collaborate and network. Collaboration with such systems has always been a challenge. The main purpose of this thesis is to co-operate a network of Aerial manipulators with a multi-rotor platforme that enables the communication network to have a delay in communication as well as a switching communication topology. Multi-rotor structure is one of the under-actuated systems, meaning that the number of control inputs is less than the number of variables required for configuration. It also introduces the use of a mechanical arm to configure redundant air arm configuration. Therefore, controlling and networking the aerial manipulator presents serious challenges. It is assumed that all the variables of the state of the aerial manipulators are available and these variables are shared with a delay in the between the agents. To obtain the dynamic model of the system, the total potential and kinetic energy of the aerial manipulator is calculated then using the Lagrange equation to reach the system model. Maple software was used to obtain the mass, spring and damping matrices of dynamic equations. The obtained model is simulated for validation and the results show the accuracy of the dynamic model.Feedback linearization algorithm is used to control the aerial manipulator. With this algorithm, the problem of being under-actuated system is considered. The proposed control algorithm consists of two main layers. A layer is provided to solve the kinematic inverse of the aerial manipulator to calculate the desier state values. The second layer is responsible for achieving these desier values ​​despite the associated delay and switching topology, and finally, to investigate the performance of the proposed algorithm, the equations are simulated in MATLAB software, which results in acceptable controller performance.