28528

مدلسازي ديناميكي پرواز آرايش يافته كوادروتورها و كنترل اشتراكي آن با استفاده از الگوريتم هاي هوشمند

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- جامدات

1398

1401/8/20

كامران دانشجو

مجيد بختياري

دانشكده مهندسي مكانيك

سيستمهاي چندعاملي رباتيكي در سالهاي اخير كاربردهاي عملياتي بسيار متنوعي در زمينههاي نظامي و غيرنظامي پيدا نمودهاند. ازجمله اين سيستمها ميتوان به سيستمهاي چندعاملي متشكل از پرندههاي بدون سرنشين كه شامل انواع مختلفي از پرندهها ازجمله كوادروتورها ميشوند، اشاره نمود. اين سيستمها با توجه به مزيتهاي فراواني كه از منظرهاي مختلف دارند، امروزه بهصورت وسيعي مورداستفاده قرار ميگيرند. اگر كاربردهاي مختلف سيستمهاي چندعاملي متشكل از كوادروتورها را در حالت كلي در نظر بگيريم، در اكثر كاربردها نياز هست كه كوادروتورهاي موجود در سيستم يك شكل آرايشي خاصي را تشكيل داده و يك مسير مطلوب را كه ممكن است مسير از پيش طراحيشده يا مسير يك هدف مشخصشده باشد را رديابي نمايند. اين موضوع بهعنوان كنترل حركت آرايش يافته در سيستمهاي چندعاملي شناخته ميشود كه در سالهاي اخير يكي از موضوعات تحقيقاتي داغ در حوزه كنترل بوده و پژوهشگران متعددي در سراسر دنيا راهكارهايي براي حل اين چالش تحقيقاتي ارائه نمودهاند. در پژوهش حاضر ابتدا ابعاد مختلف كنترل حركت آرايش يافته ، چالشهاي موجود، الگوريتمهاي پيشنهادي در پژوهشهاي قبلي و نقاط ضعف موجود در اين روشها را موردبررسي قرار داده و در ادامه با توجه به چالشهاي موجود يك ساختار كنترلي جديد براي كنترل حركت آرايش يافته در يك سيستم چندعاملي متشكل از كوادروتورها ارائهشده است. توپولوژي ارتباطي از نوع رهبر-پيرو در نظر گرفتهشده است كه در آن فرض شده است سه ربات پيرو حركت ربات رهبر را دنبال نمايند. فرض بر اين بوده كه محيط حركت كوادروتورها بدون موانع ايستا و متحرك بوده و حالتهاي سيستم و سرعت نسبي بين پرندهها در دسترس نبوده و حسگري براي اندازهگيري آنها وجود ندارد. همچنين اشباع محركهها كه يكي از مسائل بسيار مهم در طراحي سيستمهاي كنترلي است در پژوهش حاضر مدنظر قرارگرفته است. بر اساس مفروضات انجامشده يك روش كنترلي كه متشكل از روش كنترل سطح ديناميكي و رويتگر حالت توسعهيافته غيرخطي است براي كنترل آرايش بندي ارائهشده است. روش كنترل سطح ديناميكي بهمنظور رفع ايرادات روش كنترلي پسگام كه در پژوهشهاي قبلي بيشتر مورداستفاده قرارگرفته است انتخابشده است تا از افزايش حجم محاسبات كه در روش پسگام با آن روبرو هستيم و از انجام بهعنوان “انفجار پيچيدگي” ياد ميشود اجتناب شود. با توجه به اينكه در سيستم عدم قطعيتهاي ديناميكي و اغتشاشات خارجي وجود دارد و همچنين با مسئله در دسترس نبودن حالتهاي سيستم مواجه هستيم بهمنظور پرهيز از طراحي تخمينگر و رويتگر براي هركدام از موارد فوق كه موجب پيچيدگي ساختار كنترلي ميشود در پژوهش حاضر از يك رويتگر حالت توسعهيافته غيرخطي استفادهشده است كه در آن اغتشاشات وارد بر سيستم كه تركيبي از اغتشاشات خارجي و اثر عدم قطعيتهاي ديناميكي است كه ميتوان آنها را بهصورت اغتشاشات خارجي مدلسازي نمود، بهعنوان يكي از حالتهاي سيستم تعريفشده و بنابراين تخمين حالتهاي سيستم و اغتشاشات وارد بر سيستم از طريق يك رويتگر واحد انجامشده است كه موجب كاهش قابلتوجه حجم محاسبات موردنياز و سادهتر بودن ساختار كنترلي پيشنهادي شده است. سيستم كنترلي پيشنهادي در نرمافزار متلب شبيهسازي شده است كه نتايج به دست آمده نشاندهنده كارآمدي روش ارائهشده در پژوهش حاضر در كنترل حركتهاي آرايش يافته سيستمهاي چندعاملي است. همچنين نتايج پژوهش حاضر با نتايج پژوهشهاي معتبر قبلي موجود در اين زمينه مورد مقايسه قرارگرفته است كه نتايج مقايسه نشاندهنده عملكرد بسيار خوب و تقريباً برابر با روشهاي كنترلي پيچيده و با حجم محاسباتي بسيار بالاي موجود در پژوهشهاي قبلي است

1402/03/13

Dynamics Modeling and Cooperative Control of Quadrotors Formation Flying using Intelligent Algorithms

11/11/2023 12:00:00 AM

In recent years, multi-agent robotic systems have found very diverse operational applications in military and civilian fields. Among these systems, we can mention the multi-agent systems consisting of unmanned aerial vehicles, which include various types of aircraft, including quadrotors. These systems are widely used today due to the many advantages they have from different perspectives. If we consider the various applications of multi-agent systems consisting of quadrotors in general, in most applications, it is necessary that the quadrotors in the system form a specific configuration and track a desired trajectory, which may be a predesigned trajectory or the trajectory of a specified target. This issue is known as formation control in multi-agent systems, which has been one of the hot research topics in the field of control in recent years, and many researchers around the world have provided solutions to solve this research challenge. In the present research, firstly, the various aspects of formation control, the existing challenges, the proposed algorithms in previous researches, and the weaknesses in these methods have been examined, and then, according to the existing challenges, a new control structure for controlling the formation in a system consisting of quadrotors is presented. The communication topology of the leader-follower type is considered, in which it is assumed that three follower robots follow the movement of the leader robot. It was assumed that the movement environment of quadrotors is without static and dynamic obstacles and the system states and relative speed between the followers are not available and there is no sensor to measure them. Also, the saturation of actuators, which is one of the most important issues in the design of control systems, has been considered in the current research. Based on the assumptions made, a control method consisting of the dynamic surface control (DSC) method and the non-linear extended state observer (N-ESO) is presented for the formation control. The dynamic surface control method has been chosen in order to solve the problems of the Backstepping control method that has been used more in previous researches, to avoid the increase in the volume of calculations that we face in the Backstepping method and to avoid doing what is known as “Complexity Explosion”. Considering that there are dynamic uncertainties and external disturbances in the system, and we are also facing the problem of the unavailability of system states, in order to avoid the design of estimator and observer for each of the above cases, which causes the complexity of the control structure, in the current research, a non-linear extended state observer has been used in which the system disturbances, which are a combination of external disturbances and the effect of dynamic uncertainties that can be modeled as external disturbances, are defined as one of the system states, and therefore the estimation of the system states and system disturbances through A single observer has been made, which has significantly reduced the amount of required calculations and made the proposed control structure simpler. The proposed control system has been simulated in MATLAB software, and the obtained results show the efficiency of the method presented in the present research in controlling the formations of multi-agent systems. Also, the results of the present study have been compared with the results of previous valid studies in this field, and the results of the comparison show a very good performance and almost equal to the complex control methods with a very high computational volume available in previous studies

سيستم هاي چندعاملي , پرواز آرايش يافته , كنترل مشاركتي , كنترل سطح ديناميكي , كنترل هوشمند , رويتگر حالت توسعه يافته , كواد روتور

Multi Agent Systems , Formation control , cooperative control , dynamic surface control , intelligent control , Extended state observer , Quad rotor

Mohammad Reza Mazji

Dr. Kamran Daneshjoo