طراحی و شبیه‌سازی کنترل‌کننده مود لغزشی پسگام انتگرالی و فیلتر کالمن-بوسی تعمیم‌یافته برای کوادروتور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

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

چکیده

در این مقاله کنترل مود لغزشی پسگام انتگرالی به همراه فیلتر کالمن-بوسی تعمیم‌یافته برای کنترل و تخمین حالت‌های پهپاد (کوادروتور) ارائه‌‌شده است. در سیستم کوادروتور اثرات آئرودینامیکی بر روی دینامیک سیستم موردتوجه قرارگرفته و معادلات دینامیکی توسط روش نیوتن-اویلر استخراج‌ گردیده است. رفتار کوادروتور که تحت تأثیر نیروها و ممان‌های آئرودینامیکی قرار دارد، غیرخطی است، اما کنترل مودلغزشی پسگام انتگرالی به‌خوبی توانسته سیستم دینامیکی را بدون در نظر گرفتن نویز سیستم و نویز اندازه‌گیری و با فرض وجود همه حالت‌های دینامیکی به پایداری برساند. نویز در سیستم‌های دینامیکی غیرقابل‌اغماض بوده و همچنین اندازه‌گیری همه حالت‌های سیستم در عمل بسیار پیچیده و گران است، فیلتر کالمن-بوسی توسعه‌یافته در ساختار کنترلی به‌عنوان رؤیت‌گر حالت‌های سیستم و برای حذف نویز در این حالت‌ها به کار می‌رود. به همین علت استفاده هم‌زمان از کنترل‌کننده–رؤیت‌گر برای کنترل و تخمین حالت‌های کوادروتور پیشنهادشده است. شبیه‌سازی عددی نشان‌دهنده عملکرد خوب کنترل‌کننده-رؤیت‌گر پیشنهادی است، به‌گونه‌ای که آن‌ها به‌خوبی توانسته‌اند هم حالت‌های غیرقابل‌اندازه‌گیری سیستم را تخمین زده و بر نویزهای سیستم و اندازه‌گیری غلبه کند و هم سیستم را به موقعیت موردنظر طراح برساند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]. Bouabdallah S., Siegwart R., Backstepping and sliding-mode techniques applied to an indoor micro quadrotor, in IEEE international conference on robotics and automation, Barcelona, Spain, 2247-2252.
[2] Madani T., Benallegue A., Backstepping control for a quadrotor helicopter, in International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, 3255-3260.
[3] Benallegue A., Mokhtari A., Fridman L., High‐order sliding‐mode observer for a quadrotor UAV, International journal of robust and nonlinear control, Vol. 18, No. 4‐5, pp. 427-440, 2008.
[4] Madani T., Benallegue A., Backstepping control with exact 2-sliding mode estimation for a quadrotor unmanned aerial vehicle, in International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, USA, 141-146.
[5] Bouadi H., Bouchoucha M., Tadjine M., Sliding mode control based on backstepping approach for an UAV type-quadrotor, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 26, No. 5, pp. 22-27, 2007.
[6] Bouchoucha M., Seghour S., Osmani H., Bouri M., Integral backstepping for attitude tracking of a quadrotor system, Elektronika ir Elektrotechnika, Vol. 116, No. 10, pp. 75-80, 2011.
[7] 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.
[8] Khebbache H., Tadjine M., Robust fuzzy backstepping sliding mode controller for a quadrotor unmanned aerial vehicle, Journal of Control Engineering and Applied Informatics, Vol. 15, No. 2, pp. 3-11, 2013.
[9] Ramirez-Rodriguez H., Parra-Vega V., Sanchez A., Garcia O., Integral sliding mode backstepping control of quadrotors for robust position tracking, in International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Atlanta, USA, 423-432.
[10] Xiong J-J., Zheng E-H., Position and attitude tracking control for a quadrotor UAV, ISA transactions, Vol. 53, No. 3, pp. 725-731, 2014.
[11] Xiao B., Yin S., A new disturbance attenuation control scheme for quadrotor unmanned aerial vehicles, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 13, No. 6, pp. 2922-2932, 2017.
[12] Mahmood A., Kim Y., Decentrailized formation flight control of quadcopters using robust feedback linearization, Journal of the Franklin Institute, Vol. 354, No. 2, pp. 852-871, 2017.
[13] Rodriguez-Mata A.E., González-Hernández I., Rangel-Peraza J.G., Salazar S., Leal R.L., Wind-gust compensation algorithm based on high-gain residual observer to control a quadrotor aircraft: real-time verification task at fixed point, International Journal of Control, Automation and Systems, Vol. 16, No. 2, pp. 856-866, 2018.
[14] Moreno-Valenzuela J., Pérez-Alcocer R., Guerrero-Medina M., Dzul A., Nonlinear PID-Type Controller for Quadrotor Trajectory Tracking, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 23, No. 5, pp. 2436-2447, 2018.
[15] Koksal N., Jalalmaab M., Fidan B., Adaptive Linear Quadratic Attitude Tracking Control of a Quadrotor UAV Based on IMU Sensor Data Fusion, Sensors, Vol. 19, No. 1, pp. 46, 2019.
[16] Keighobadi J., Vosoughi H., Faraji J., Design and implementation of a model predictive observer for AHRS, GPS Solutions, Vol. 22, No. 1, pp. 1-18, 2018.
[17] Gelb A., Applied optimal estimation,  MIT press: 1974.
[18] Faraji J., Tale-Masouleh M., Saket M., Radseresht M., Design And Simulation Non-Singular Backstepping Terminal Sliding Mode Control And Extended Kalman Filter For Quadrotor, Modares Mechanical Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 219-230, 2018.
[19] Zhou J., Cheng Y., Du H., Wu D., Zhu M., Lin X., Active finite-time disturbance rejection control for attitude tracking of quad-rotor under input saturation, Journal of the Franklin Institute, 2019.
[20] Vosoughi H., Keighobadi J., Faraji J., Design and implementation of AHRS by using Kautz function and predictive estimator with Euler’s dynamic, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 6, pp. 221-232, 2017.
[21] Chen Y., He Y., Zhou M., Modeling and control of a quadrotor helicopter system under impact of wind field, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, Vol. 6, No. 17, pp. 3214-3221, 2013.
[22] 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.
[23] Simon D., Optimal state estimation: Kalman, H infinity, and nonlinear approaches,  Hoboken: John Wiley & Sons: 2006.
[24] Adhikary N., Mahanta C., Integral backstepping sliding mode control for underactuated systems: Swing-up and stabilization of the Cart–Pendulum System, ISA transactions, Vol. 52, No. 6, pp. 870-880, 2013.