بررسی عملکرد کنترل کننده‌های مد لغزشی مرتبه اول و دوم در کنترل مسیر کوادروتور همراه با عدم قطعیت

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

کوادروتور از جمله پرنده‌های بدون سرنشین است که به دلیل قابلیت بالا در مانوردهی و ساختار نسبتاً ساده مورد توجه قرار گرفته ‌است. در مقابل، رفتار به شدت غیرخطی از معایب این وسیله به شمار می‌آید. با توجه به اینکه مدل دینامیکی کوادروتور غیرخطی و همراه با عدم قطعیت‌ها است، از روشهای کنترل مقاوم از جمله مد لغزشی به منظور ردیابی مسیر مطلوب و پایداری سیستم استفاده می‌شود. با وجود قابلیت‌های بالای روش مد لغزشی، مشکل نوسان فرکانس بالا در سیگنال ورودی از معایب آن به شمار می‌رود که با استفاده از روشهای مرتبه بالا کاهش می‌یابد. در این مقاله رفتار کنترل کننده‌های مد لغزشی مرتبه اول و دوم در ردیابی دقیق موقعیت و زاویۀ یاو همراه با پایدارسازی زوایای رول و پیج کوادروتور تحت شرایط عدم قطعیت زیاد مورد بررسی قرار گرفته است. در مد لغزشی مرتبه دوم از الگوریتم فراپیچشی برای طراحی کنترل کننده استفاده شده ‌است. با وجود عدم قطعیت‌های پارامتری در سیستم، نتایج حاصل از شبیه سازی‌ها نشان از کارآمدی روش کنترلی مد لغزشی مرتبه دوم در ردیابی، پایداری و کاهش پدیدۀ نوسانات ناخواسته دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Bouabdallah S., Siegwart R., Backstepping and Sliding-mode Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor, In Proceedings of the 2005 IEEE Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, 2005.
[2]  Madani T., Benallegue A., Backstepping Sliding Mode Control Applied to a Miniature Quadrotor Flying Robot, In  IEEE IECON 2006-32nd Annual Conference on Industrial Electronics, 2006, pp. 700-705.
[3]  Bouadi H., Bouchoucha M., Tadjine M., Sliding Mode Control Based on Backstepping Approach for an UAV Type-Quadrotor, International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering, Vol. 1, No. 2, pp. 39-44, 2007.
[4]  Madani T., Benallegue A., Adaptive Control via Backstepping Technique and Neural Networks of a Quadrotor Helicopter, In Proceedings of the 17th World Congress the International Federation of Automatic Control, 2008, pp. 6513-6518.
[5]  Lee D., Kim H. J., Sastry S., Feedback Linearization vs. Adaptive Sliding Mode Control for a Quadrotor Helicopter, International Journal of control, Automation and systems, Vol. 7, No. 3, pp. 419-428, 2009.
[6]  Zeghlache S., Saigaa D., Kara K., Harrag A., Bouguerra A., Backstepping Sliding Mode Controller Improved with Fuzzy Logic: Application to the Quadrotor Helicopter, Archives of Control Sciences, Vol. 22, No. 3, pp. 315-342, 2012.
[7]  Liu C., Tang S. J., Yang S. Y., Guo J., Fuzzy Sliding-mode Control for Quad-rotor Trajectory Tracking, Applied Mechanics and Materials, Trans Tech Publ., pp. 1593-1600, 2013.
[8]  Zolotukhin Y. N., Kotov K. Y., Mal’tsev A., Nesterov A., Pivkin V. Y., Sobolev M., Filippov M., Yan A., Using the Kalman Filter in the Quadrotor Vehicle Trajectory Tracking System, Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, Vol. 49, No. 6, pp. 536-545, 2013.
[9]  Sumantri B., Uchiyama N., Sano S., Least Square Based Sliding Mode Control for a Quad-rotor Helicopter and Energy Saving by Chattering Reduction, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 66, pp. 769-784, 2016.
[10]             Gaur M., Chaudhary H., Khatoon S., Singh R., Genetic Algorithm Based Trajectory Stabilization of Quadrotor, in Second International Innovative Applications of Computational Intelligence on Power, Energy and Controls with their Impact on Humanity (CIPECH) IEEE, 2016, pp. 29-33.
[11]             Amirkhani A., Shirzadeh M., Papageorgiou E. I., Mosavi M. R., Visual-based Quadrotor Control by Means of Fuzzy Cognitive Maps, ISA transactions, No. 60, pp. 128-142, 2016
[12]             Rosales C., Soria C., Carelli R., Rossomando F., Adaptive Dynamic Control of a Quadrotor for Trajectory Tracking, In IEEE International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2017, pp. 547-553.
[13]             Derafa L., Benallegue A., Fridman L., Super Twisting Control Algorithm for the Attitude Tracking of a Four Rotors UAV, Journal of the Franklin Institute, Vol. 349, No. 2, pp. 685-699, 2012.
[14]             Mercado D., Castillo P., Castro R., Lozano R., 2-Sliding Mode Trajectory Tracking Control and EKF Estimation for Quadrotors, In 19th IFAC World Congress (IFAC WC 2014), 2014, pp. 8849-8854.
[15]             Parsa A., Kalhor A., Atashgah M. A., Backstepping Control Performance Enhancement Using Close Loop Identification for Quadrotor Trajectory Tracking, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 11, pp. 224-234, 2017 (in Persian).
[16]             Faraji J., Tale Masouleh M., Saket M., Radseresht M., Design and Simulation of a Non-singular Backstepping-based Terminal Sliding Mode Control and Extended Kalman Filter for Uncertain Quadrotor System, Modares Mechanical Engineering, Vol. 18, No. 01, pp. 219-230, 2018 (in Persian).
[17]          کیقبادی ج.، فرجی ج.، طراحی و شبیه‌سازی کنترل‌کننده مود لغزشی پسگام انتگرالی و فیلتر کالمن-بوسی تعمیم‌یافته برای کوادروتور، مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، د. 50، ش. 4، ص. 131-140، 1399.
[18]             Doakhan M., Kabganian M., Kamali Eigoli A., Trajectory Tracking of a Quadrotor for Obstacle Avoidance Using Super-Twisting Sliding Mode Controller and Observer, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 8, pp. 333-342, 2017 (in Persian).
[19]             Besnard L., Shtessel Y. B., Landrum B., Quadrotor Vehicle Control via Sliding Mode Controller Driven by Sliding Mode Disturbance Observer, Journal of the Franklin Institute, Vol. 349, No. 2, pp. 658-684, 2012.
[20]             Shtessel Y., Fridman L., Plestan F., Adaptive Sliding Mode Control and Observation, International Journal of Control, Vol. 89, No. 9, pp. 1743-1746, 2016.
[21]             Yu X., Efe M. Ö., Recent Advances in Sliding Modes: from Control to Intelligent Mechatronics, Springer, 2015.
[22]             Moreno J. A., Osorio M., A Lyapunov Approach to Second-order Sliding Mode Controllers and Observers, In 47th IEEE Conference on Decision and Control (CDC 2008), 2008, pp. 2856-2861.
[23]             Perruquetti W., Barbot J. P., Sliding Mode Control in Engineering, M. Dekker, 2002.