معرفی و شبیه سازی دو مکانیزم جدید در پایدارسازی کوادروتورها جهت تعقیب مسیر در شرایط اغتشاشی: پایدارساز صلیبی و پاندولی‎‎‎‎‎

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه خواجه نصیر الدین طوسی

3 دانشجوی دکتری / دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

امروزه پرنده‌های بدون سرنشین عمود پرواز بدلیل قابلیت بالا در مانوردهی و ساختار نسبتا ساده، در بسیاری از زمینه‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند. بدلیل رفتار شدیداً غیر خطی زیر سیستم‌ها و همچنین تحت کمبود عملگر بودن سیستم کنترلی، کنترل این پرنده‌ها بخصوص در شرایط اغتشاشی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. پژوهش پیش رو به بررسی امکان استفاده از مکانیزم‌های پایدارساز مجزا با ساختار بسیار ساده، بجای استفاده از کنترلرهای پیچیده، در بهبود عملکرد پرنده‌های بدون سرنیشین، طی پرواز در مسیر مشخص و با وجود اغتشاشات محیطی می‌پردازد. سیستم مورد بررسی، یک کوادروتور بوده و دو مکانیزم پایدارساز مورد استفاده عبارتند از: 1-پایدارساز پاندولی کروی و 2-پایدارساز صلیبی با دو جرم متحرک. در پژوهشهای انجام شده در زمینه پرندههای بدون سرنشین، استفاده از مکانیزم در پایدارسازی کوادروتور بسیار محدود بوده و طراحی، مدلسازی، پیاده-سازی و کنترل مکانیزم‌های پایدارساز، نوآوری اصلی صورت گرفته در این پژوهش می‌باشد. در مقاله حاضر با طراحی کنترلر مناسب برای هر یک از مکانیزم‌های پایدارساز، عملکرد سیستم، تحت شرایط اغتشاش محیطی بررسی و مقایسه می‌گردد. نتایج بدست آمده در این پژوهش نشان می‌دهد که با استفاده از مکانیزم‌های پایدار‌ساز معرفی‌شده، مسیر پروازی مطلوب پرنده، بدون نیاز به روش‌های کنترلی پیچیده به خوبی ردیابی می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Introducing and simulation of two emerging stabilizer mechanisms for trajectory tracking of quadrotor UAVs under disturbance conditions: cross and pendulum stabilizing mechanisms

نویسندگان [English]

  • Rouhollah Pourbafrani 1
  • Aliakbar Moosavian 2
  • Ramin Ramyar 3
1 Graduated Student, Department of Mechanical Engineering, Khajeh nasir toosi University
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, Khajeh nasir toosi University
3 Graduated Student, Department of Mechanical Engineering, Imam Hossein University
چکیده [English]

Nowadays, vertical take-off and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs) are used in wide range of applications. Because of the high maneuverability, hovering at a stationary point and simple configuration, they are widely considered. This alongside with their extreme nonlinearities and under actuating control system raises the importance of the control of flight. In this paper, the effect of using stabilizing mechanisms in trajectory tracking of quad-rotor unmanned aerial vehicles under wind gust disturbance is studied. Two innovative mechanisms are introduced and simulated in this study. The first one is a spherical pendulum stabilizer and the second one is a cross stabilizer. Also appropriate controller is designed for each stabilizer mechanism. The performances of the systems are investigated in the presence of disturbing forces. The results show that instead of using complicated nonlinear control methods, the proposed stabilizer mechanisms yields a desired performance. Acceptable trajectory tracking shows the successful effectiveness of the presented stabilizers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • quadrotor
  • Stabilizing Mechanism
  • Control
  • Trajectory Tracking
  • Simulation
[1] S. Bouabdallah, Design and control of quadrotors with application to autonomous flying, PhD thesis, Univercity of EPFL, Lausanne, Switzerland, 2004.
[2] A. Rafi Al Tahtawi, M. Yusuf, Low-cost quadrotor hardware design with PID control system as flight controller, TELKOMNIKA,  Vol 17, No 4, pp. 1923-1930, 2019.
[3] R. Thusoo, S.Jain, PID Control of a Quadrotor, Advances in Communication and Computational Technology, pp. 633-645, 2021
[4] R. Miranda, L.T.Aguilar, Robust PID control of quadrotors with power reduction analysis, ISA Transactions, Vol 98, pp. 47-62, 2020.
[5] G. Zhu, S. Wang, L. Sun, Output Feedback Adaptive Dynamic Surface Sliding-Mode Control for Quadrotor UAVs with Tracking Error Constraints, Complexity: Theory and Applications of Complex Cyber-Physical Interactions, pp. 1-23, 2020.
[6] Jia Z, Yu J, Mei Y, Chen Y, Shen Y, Ai X  Integral backstepping sliding mode control for quadrotor helicopter under external uncertain disturbances, Aerospace Science and Technology,  Vol 68, pp. 299-307, 2017.
[7] M. Labbadi and M.Cherkaoui, Robust adaptive backstepping fast terminal sliding mode controller for uncertain quadrotor UAV, Aerospace Science and Technology,  Vol 99, pp. 290-304, 2020.
[8] J. Bell and P.Walker, Actived and passive controlled fluid tank system for ship stabilization, Transactions of Society of Naval Architects and Naval Engineers IMarEST, vol. 74, pp. 150-151, 1996.
[9] S. Ishizuka, A. Nikami and M. Sato, Control techniques for optical image stabilizing system, Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol. 39, pp. 461-466, Jun 1993.
[10] P. Suebsaiprom, C. L . Lin, 2-DOF barycenter mechanism for stabilization of fish-robots, Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2013 8th IEEE Conference on, Melbourne, VIC, June 2013.
[11] M. Wierema, Design, implementation and flight test of indoor navigation and control system for quadrotor UAV, M.S. thesis, Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Netherlands, 2008.