طراحی سیستم کنترل متحمل عیب برای پرنده چهار ملخ به‌منظور تحمل عیب‌های حسگری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی پرواز، دانشگاه امام علی (ع)، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله یک سیستم کنترل تحمل‌پذیر عیب برای پرنده چهار ملخ طراحی شده است. بدین منظور ابتدا یک سیستم کنترل در حالت بدون عیب طراحی شده و سپس با استفاده از یک افزونگی تحلیلی، به یک سیستم کنترل متحمل عیب ارتقا پیدا کرده است. سیستم کنترل مزبور شامل دو حلقه داخلی و خارجی می‌باشد. حلقه داخلی مربوط به کنترل وضعیت پرنده است و وظیفه پایدارسازی و کنترل زوایای اویلری (سمت، فراز و غلت) و ارتفاع را بر عهده دارد. حلقه خارجی نیز مربوط به کنترل موقعیت طول و عرض می‌باشد. این حلقه با توجه به موقعیت فرمان، زوایای مورد نیاز برای اجرای آن‌ها را محاسبه کرده و به کنترل وضعیت ارسال می‌کند. کنترل وضعیت به‌وسیله یک کنترلگر فازی و کنترل موقعیت به وسیله یک کنترلگر تناسبی – مشتقی انجام می‌شود. در مرحله بعد روش ارتباط مزدوج برای عیب‌یابی انتخاب شده و به‌منظور تشخیص و تخمین عیب پیاده‌سازی شده است. با استفاده از سیگنال‌های عیب، عملیات بازطراحی کنترل به‌منظور تحمل عیب و اصلاح ورودی‌های کنترلی انجام شده است. بدین منظور با استفاده از یک کنترلگر تناسبی- انتگرالی – مشتقی خروجی‌های مزاحم ایجاد شده توسط عیب صفر شده‌اند. عیب در نظر گرفته شده از نوع عملگری بوده و دو سناریوی برای وقوع آن فرض شده است. در سناریوی اول عیب در شتاب‌سنج‌ها و در سناریوی دوم عیب در ژیروسکوپ‌ها اتفاق می‌افتد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design of fault tolerant control system for quadrotor under sensor faults

نویسنده [English]

  • kazem imani
faculty of Flight Engineering, Emam ali university, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a fault-tolerant control system is designed for a quadrotor system. First, a control system was designed in the healthy mode then the system is upgraded to a fault-tolerant control system by using an analytical redundancy. This control system consists of two parts: (1) attitude control and, (2) position control. The inner loop is related to the control of the quadrotor attitude, and it is responsible for the stabilization and control of the Euler's Angles (azimuth, pitch and roll) and height. The outer loop is also related to the position control. This loop, according to the command of position, calculates the angles required to execute them and transmit them to the attitude control. The attitude and position control were implemented by using fuzzy and PD controllers respectively. Then, Parity space relations are used to detect and estimate actuator faults. As follow as these, control redesign is performed for fault tolerance and correction inputs by using fault signals. The difference between the healthy and faulty outputs approximately are reached to zero by using the PID controller. Two scenarios are considered for actuator faults. The first one is, the fault occurs in motor 1 and 2, and the second scenario is, fault happens in all motors. Finally, according to the actuator saturation, the critical value (maximum) of fault tolerance is estimated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fault tolerant control
  • parity relation
  • Accelerometer
  • Gyroscope
  • fault estimation
[1] Z.Gao, C.Cecati, A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques—Part I: Fault diagnosis with model-base and signal-based approaches, IEEE Transactions on Industrial Electronics., Vol. 62, No. 6, pp. 3757-3767, 2015.
[2] I. Sadeghzadeh, Y. Zhang, A review on fault-tolerant control for unmanned aerial vehicles, Infotech@ Aerospace 2011, pp. 1472, 2011.
[3] Y. Li, S. Song, A survey of control algorithms for quadrotor unmanned helicopter, in Proceeding of, IEEE, pp. 365-369, 2012.
[4] M. Blanke, M. Kinnaert, J. Lunze, M. Staroswiecki, J. Schröder, Diagnosis and fault-tolerant control: Springer, 2006.
[5] J. J. Gertler, Survey of model-based failure detection and isolation in complex plants, IEEE Control systems magazine, Vol. 8, No. 6, pp. 3-11, 1988.
[6] R. Isermann, Process fault detection based on modeling and estimation methods A survey, Automatica, Vol. 20, No. 4, pp. 387-404, 1984.
[7] R. Isermann, P. Balle, Trends in the application of model-based fault detection and diagnosis of technical processes, control engineering practice, Vol. 5, No. 5, pp. 709-719, 1997.
[8] P. M. Frank, X. Ding, Survey of robust residual generation and evaluation methods in observer-based fault detection systems, Journal of process control, Vol. 7, No. 6, pp. 403-424, 1997.
[9] P. M. Frank, Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy: A survey and some new results, Automatica, Vol. 26, No. 3, pp. 459-474, 1990.
[10] E. A. Garcia, P. Frank, Deterministic nonlinear observer-based approaches to fault diagnosis: a survey, control engineering practice, Vol. 5, No. 5, pp. 663-670, 1997.
[11] A.-R. Merheb, H. Noura, F. Bateman, Active fault tolerant control of quadrotor uav using sliding mode control, in Proceeding of, IEEE, pp. 156-166, 2014.
[12] F. Sharifi, M. Mirzaei, B. Gordon, Fault tolerant control of a quadrotor UAV using sliding mode control, 2010 Conference on Control and Fault-Tolerant Systems (SysTol), pp. 239-244, 2010.
[13] X. Wang, S. Sun, E. van Kampen, Quadrotor Fault Tolerant Incremental Sliding Mode Control driven by Sliding Mode Disturbance Observers, Aerospace Science and Technology, 2019.
[14] N. Nguyen, S. Hong, Fault-tolerant control of quadcopter UAVs using robust adaptive sliding mode approach, Energies, Vol. 12, No. 3, pp. 95, 2019.
[15] L. Qin, X. He, Y. Zhou, D. Zhou, Fault-tolerant control for a quadrotor unmanned helicopter subject to sensor faults, in Proceeding of, IEEE, pp. 1280-1286, 2014.
[16] I. Sadeghzadeh, A. Mehta, Y. Zhang, Fault-tolerant trajectory tracking control of a quadrotor helicopter using gain-scheduled PID and model reference adaptive control, Annual Conference of the Prognostics and Health Management Society, vol.2, 2011.
[17] R.C. Avram, X. Zhang, J. Muse, Nonlinear Adaptive Fault-Tolerant Quadrotor Altitude and Attitude Tracking with Multiple Actuator Faults, IEEE transactions on control systems technology, Vol. 26, No. 2, pp. 701-707, 2018.
[18] N. Mouhssine, M. Kabbaj, M. Benbrahim, Sensor fault detection of quadrotor using nonlinear parity space relations, 2017International Conference on Electrical and Information Technologies (ICEIT), pp.1-6, 2017.
[19] N. Mouhssine, M. Kabbaj, M. Benbrahim, Quadrotor fault detection and isolation based on nonlinear analytical redundancy relations, 2017 14th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD), pp. 325-330, 2017.
[20] T. Beumer, Fault Tolerant Control of a Quadrotor Unmanned Aerial Vehicles, Masters Thesis, RMIT University, Eindhoven, 2016.
[21] Freddi, A. Lanzon, S. Longhi, A feedback linearization approach to fault tolerance in quadrotor vehicles, IFAC Proceedings Volumes, Vol. 44, No. 1, pp. 5413-5418, 2011.