کنترل آرایشی مجموعه کوادروتور به روش پیشرو - پیرو با استفاده از کنترلگر مد لغزشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

2 کارشناس ارشد / گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

3 عضو هیات علمی / گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه قم

4 دانشجوی دکتری / گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران

چکیده

این مقاله باهدف ردیابی مسیر مشخصی توسط سه کوادروتور با حفظ شکل مثلثی در طول مسیر با در نظر گرفتن اغتشاشات وارد بر سیستم تدوین شده است. با توجه به دینامیک غیرخطی کوادروتور و حضور اغتشاشات در سیستم، برای کنترل مستقل کوادروتور از کنترل‌کننده‌ی مد لغزشی استفاده شد. برای کنترل شکل‌دهی کوادروتورها نیز کنترل شکل‌دهی غیرمتمرکز پیشرو-پیرو اعمال شد، به‌گونه‌ای که پیشرو یک مسیر مرجعی را طی کرده و پیروها با استفاده از کنترل‌کننده شکل‌دهی یک فاصله‌ و یک زاویه‌‌‌ی ثابتی را نسبت به پیشرو حفظ می‌کنند. برای حصول این امر ابتدا دینامیکی از خطای شکل‌دهی را در نظر گرفته و سپس با اعمال کنترل‌کننده مد لغزشی انتگرالی روی آن، خطای شکل-دهی به صفر رسانده شده است. نتایج شبیه‌سازی حاصل از طراحی کنترل کننده مد لغزشی، وقوع پدیده‌ی چترینگ را در فرمان‌های کنترلی نشان داد که برای حذف آن از روش تقریب توابع پیوسته استفاده شد و شبیه‌سازی‌های حاصل از این روش بیانگر حذف چترینگ در فرمان‌های کنترلی و ردیابی نرم و بدون نوسان مسیر مورد نظر در فرمان‌های کنترلی بود، همچنین نتایج شبیه‌سازی کنترل شکل-دهی در قالب سه مأموریت با مسیرهای متفاوت، هندسه شکل‌دهی متفاوت و تعداد کوادروتورهای متفاوت بیانگر پیروی پیروها از پیشرو و موفقیت کنترل شکل‌دهی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Formation control of multi-quadrotor using leader-follower method based on mliding mode

نویسندگان [English]

  • Alireza Toloei 1
  • Marzieh Habibi Totekani 2
  • reza ghasemi 3
  • Fatemeh Ghaderi 4
1 Shahid Beheshti University, faculty of new technologies and aerospace engineering, Tehran, Iran
2 Graduated Student, faculty of new technologies and aerospace engineering, Shahid Beheshti University
3 Associate Professor of Electrical Engineering, university of Qom
4 Shahid Beheshti University, faculty of new technologies and aerospace engineering,Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, formation tracking control by maintaining a triangular shape for three quadrotors is discussed. Because of the nonlinear dynamic of the quadrotor and the presence of the external disturbance in the quadrotor dynamic model, a sliding mode controller was used for independent control of the quadrotor .To Formation Control of Quadrotors, a leader-follower decentralized formation control was applied. In such a way that the leader, follows a reference path and the followers use a formation controller to maintain a constant distance and an angle to the leader. First, the dynamic of the formation error is considered and then by using the integral slide mode controller, the formation error is reduced to zero. The simulation results obtained from the design of the sliding mode controller showed the occurrence of the Chatting phenomenon in the control commands, which was removed using the approximation of continuous functions. And the simulations obtained from this method showed the elimination of chattering in the control commands and the smooth tracking without oscillation of the desired path in the control commands. Also, the simulation results of formation control in the three missions with different paths, different formation geometry, and the number of different quadrotors indicate that the followers follow the leader and the success of formation control.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Formation control "
  • Leader-follower method"
  • Decentralized Formation control "
  • Quadrotor control"
  • "
  • Nonlinear control"

مراجع

[1] Y. Choi, and H. Ahn, “Nonlinear Control of Quadrotor for Point Tracking: Actual Implementation and Experimental Tests”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 20, no. 3, pp. 1179-1192, June. 2015.
[2] Y. Li, J. Yang, and K. Zhang, “Distributed Finite-Time Cooperative Control for Quadrotor Formation”, IEEE Access, vol. 7, pp. 66753- 66763, 2019.
[3] Z. Liang, L. Yi, X. Shida, and F. Han,“Multiple UAVs Cooperative Formation Forming Control Based on Back-stepping-like Approach”, Journal of Systems Engineering and Electronics, vol. 29, no. 4, pp. 816-822, Aug. 2018.
[4] A. Zulu, and S. John, “A Review of Control Algorithms for Autonomous Quadrotors”, Open Journal of Applied Sciences, vol. 4, no. 14, pp. 547- 556, Feb. 2016.
[5] Y. Yu, and X. Ding, “A Global Tracking Controller for Underactuated Aerial Vehicles: Design, Analysis, and Experimental Tests on Quadrotor”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 5, pp. 2499-2511, Oct. 2016.
[6] Y. Zou, Z. Zhou, X. Dong, and Z. Meng, “Distributed Formation Control for Multiple Vertical Takeoff and Landing UAVs With Switching Topologies”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 23, no. 4, pp. 1750-1761, Aug. 2018.
[7] Y. Zou, and Z. Meng, “Coordinated Trajectory Tracking of Multiple Vertical Take-off and Landing UAVs”, Automatica, vol. 99, pp. 33-40, Jan. 2019.
[8] K. K. Oh, M. C. Park, and H. S. Ahn, “A Survey of Multi-Agent Formation Control”, Automatica, vol. 53, pp. 424-440, March. 2015.
[9] Z. Zuo, M. Defoort, B. Tian, and Z. Ding, “Distributed Consensus Observer for Multi-Agent Systems With High-Order Integrator Dynamics”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 65, no. 4, pp. 1771-1778, April. 2020.
[10] Q. Wang, Y. Wang, and H. Zhang, “The Formation Control of Multiagent Systems on a Circle”, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 5, no. 1, pp. 148-154, Jan. 2018.
[11] A. Mondal, L. Behera, S. R. Sahoo, and A. Shukla, “A Novel Multiagent Formation Control Law with Collision Avoidance”, IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 4, no. 3, pp. 558-568, 2017.
[12] B. Zhu, K. Guo, and L. Xie, “A New Distributed Model Predictive Control for Unconstrained Double-Integrator Multiagent Systems”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 63, no. 12, pp. 4367-4374, Dec. 2018.
[13] A. Abdessameud, I. G. Polushin, and A. Tayebi, “Motion Coordination of Thrust-Propelled Underactuated Vehicles with Intermittent and Delayed Communication”, Systems & Control Letters, vol. 79, pp. 15-22, May. 2015.
[14] Y. Zou, and Z. Meng, “Distributed Hierarchical Control for Multiple Vertical Takeoff and Landing UAVs with a Distance-Based Network Topology”, International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 29, no. 9, pp. 2573-2588, 2019.
[15] X. Dong, B. Yu, and Y. Zhong, “Time-Varying Formation Control for Unmanned Aerial Vehicles: Theories and Experiments”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 23, no. 1, pp. 340-348, Jan. 2015.
[16] X. Dong, Y. Zhou, Z. Ren, and Y. Zhong, “Time-Varying Formation Control for Unmanned Aerial Vehicles with Switching Interation Topologies”, Control Engineering Practice, vol. 46, pp. 26-36, 2016.
[17] X. Dong, Y. Zhou, Z. Ren, and Y. Zhong, “Time-Varying Formation Tracking for Second-Order Multi-Agent Systems Subjected to Switching Topologies With Application to Quadrotor Formation Flying”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 6, pp. 5014-5024, June. 2017.
[18] H. Du, W. Zhu, G. Wen, Z. Duan, and J. Lu, “Distributed Formation Control of Multiple Quadrotor Aircraft Based on Nonsmooth Consensus Algorithms”, IEEE Transactions on Cybernetics, vol. 49, no. 1, pp. 342- 353, Jan. 2019.
[19] W. Jasim, and D. Gu, “Robust Team Formation Control for Quadrotors”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 26, no. 4, pp. 1516-1523, July. 2018.
[20] Z. Hou, and I. Fantoni, “Interactive Leader-Follower Consensus of Multiple Quadrotors Based on Composite Nonlinear Feedback Control”, IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 26, no. 5, pp. 1732-1743, Sept. 2018.
[21] D. Shen, and Q. Lu, “Hierarchical Formation Control With Applications to Multi-Quadrotor Systems”, IEEE Access, vol. 7, pp. 130599-130609, 2019.
[22] Z. Jia, L. Wang, J.Yu, and X. Ai, “Distributed Adaptive Neural Networks Leader-following Formation Control for Quadrotors with Directed Switching Topologies”, ISA Transactions, vol. 93, pp. 93-107, Oct. 2019.
[23] X. Ai, and J. Yu. “Flatness-based Finite-time Leader-follower Formation Control of Multiple Quadrotors with External Disturbances”, Aerospace Science and Technology, vol. 92, pp.20-33, Sept. 2019.
[24] R. W. Beard. “Quadrotor dynamics and control”. Brigham Young University, 19(3), 46-56,2008.
[25] K .Runcharoon,., and V.Srichatrapimuk,, “Sliding mode control of quadrotor”. In 2013 The International Conference on Technological Advances in Electrical, Electronics and Computer Engineering (TAEECE) (pp. 552-557). IEEE.2013.
[26] D. A .Mercado,R., Castro and R. Lozano, “Quadrotors flight formation control using a leader-follower approach”. In 2013 European Control Conference (ECC) (pp. 3858-3863). IEEE,2013.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار