مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی کنترل‌کننده هیبرید فازی – مد لغزشی فرا‌پیچش برای کلاس خاصی از دینامیک غیر‌‌خطی کوادروتور

نویسندگان
1 مهندسی برق، دانشگاه قم، قم، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه قم، قم، ایران
چکیده
طراحی کنترل‌کننده برای سیستم‌های غیر‌خطی چند ورودی- چند خروجی مانند وسایل بدون سرنشین کوادروتور به دلیل کوپلاژ شدید بین متغیرهای حالت و معادلات دینامیکی به شدت غیرخطی آن همیشه یک موضوع چالش‌ برانگیز بوده است. علاوه بر این کوادروتور یک وسیله دینامیکی غیر‌خطی کم‌عملگر (چهار عملگر در مقابل شش درجه آزادی) است، به دلیل کم‌عملگر بودن وسیله برای داشتن حرکت در جهت افقی باید از ترکیب تغییرات در سرعت عملگرهای چهارگانه موجود استفاده کرد. بطوریکه با ایجاد زاویه بین صفحه فرضی کوادروتور و سطح افق می‌توان وسیله را وادار به حرکت در جهت طولی یا عرضی کرد. بنابراین در سیستم کنترل کوادروتور دو حلقه کنترلی تو‌در‌تو نیاز است. یک حلقه بیرونی برای تعیین زاویه مناسب وسیله نسبت به افق برای حرکتهای افقی و یک حلقه داخلی که وظیفه رساندن زاویه صفحه وسیله به این زاویه تعیین شده را دارد و بسته به زیاد یا کم بودن این زاویه، سرعت افقی وسیله زیاد یا کم میشود. در این مقاله تلاش شده که یک کنترل‌کننده غیر‌خطی هیبرید فازی‌-‌مد لغزشی فراپیچش برای کنترل یک کوادروتور نمونه طراحی و از کنترل‌کننده فازی در حلقه بیرونی و از کنترل‌کننده مد لغزشی فراپیچش در حلقه داخلی استفاده شود. مزیت مهم این استراتژی این است که سرعت حرکت افقی وسیله را بهینه می‌کند. اگر فاصله از هدف زیاد باشد زاویه صفحه وسیله نیز زیاد و اگر فاصله کم شود این زاویه نیز کمتر می‌شود. در نتیجه وسیله با سرعت مطلوبی به هدف می‌رسد. نتایج شبیه‌سازی انجام شده موید این امر است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Fuzzy Hybrid Super-Twisting Sliding Mode Controller Design for a Class of Non-linear Dynamics of a Quadrotor

نویسندگان English

Mohammad Farahmand 1
Reza Ghasemi 1
Mohammad Salari 2
1 Department of Electrical Engineering, University of Qom, Qom, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, University of Qom, Qom, Iran
چکیده English

Controller design for non-linear multi-input, multi-output systems, such as unmanned quadrotor vehicles, has always been a challenging issue due to the strong interconnection between state variables and highly nonlinear dynamic equations. In addition, quadrotor is an under-actuated non-linear dynamic device. Due to being under-actuated for moving in the horizontal direction, the combination of changes in the speed of the existing quadruple operators should be used. So that, by creating the angle between the quadrotor hypothetical plane and the horizon surface, the device can be forced to move in the longitudinal or transverse direction. Therefore, in the quadrotor control system, two nested control loops are required. An outer loop to determine the appropriate angle of the device relative to the horizon for horizontal movements and an inner loop that is required to angle of the device panel is equal to this angle. In this paper, a fuzzy hybrid super-twisting sliding mode non-linear controller for controlling a sample quadrotor is designed. For this purpose, a fuzzy controller in the outer loop and a super twisting sliding mode controller in inner loop are used. An important advantage of this strategy is that it optimizes the horizontal speed of the device. If the distance from the target is too high, the angle of the device panel also increases, and if the distance is reduced, the angle also decreases. As a result, the device reaches the target with the desired speed. The performed simulation results confirmed this fact.

کلیدواژه‌ها English

Non-linear Controller
Fuzzy Hybrid Super-Twisting Sliding Mode Controller
Quadrotor
Super Twisting Controller
Unmanned Aerial Vehicle
[1] A. Tayebi, S. McGilvray, Attitude stabilization of a VTOL quadrotor aircraft, IEEE Tranactions on Control Systems Technology, Vol. 14, No. 3, pp. 562- 571, 2006.
[2] S. Bouabdallah, R. Siegwart, Full control of a quadrotor, Proceedings of The International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, USA, Oct 29-Nov 2, 2007.
[3] E. H. Zheng, J. J. Xiong, J. L. Luo, Second order sliding mode control for a quadrotor UAV, ISA Transactions, Vol. 53, No. 4, pp. 1350-1356, 2014.
[4] S. Bouabdallah, Design and Control of Quadrotors with Application to Autonomous Flying, PhD Thesis, EPFL, Lausanne, 2007.
[5] F. Fakurian, M. B. Menhaj, A. Mohammadi, Design of a fuzzy controller by minimum controlling inputs for a quadrotor, Proceedings of The 2th International Conference on Robotics and Mechatronics, Tehran, Iran, October 15-17, 2014.
[6] Z. Fang, Z. Zhi, L. Jun, W. Jian, Feedback linearation and continuous sliding mode control for a qudrotor UAV, Proceedings of The 27th Conference on Chinese Control, Kunming, China, July 16-18, 2008.
[7] E. Zheng, J. Xiong, Quad-rotor unmanned helicopter control via novel robust terminal sliding mode controller and under-actuated system sliding mode controller, Optik-International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 125, No. 12, pp. 2817-2825, 2014.
[8] J. J. Xiong, E. H. Zheng, Optimal kalman filter for state estimation of a quadrotor UAV, Optik-International Journal for Light and Electron Optics, Vol. 126, No. 21, pp. 2862-2868, 2015.
[9] I. Sonnevend, Analysis and Model Based Control of a Quadrotor Helicopter, BSc Thesis, Pazmany Peter Catholic University, Budapest, 2010.
[10] M. Kamali, M. Farhadi, J. Askari, Fractional order sliding mode controller design for quadrotor system, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 5, pp. 287-294, 2017. (in Persian فارسی(
[11] M. Doakhan, M. Kabganian, R. Nadafi, A. K. Eigoli, 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 فارسی(
[12] M. Chen, M. Huzmezan, A combined MPBC/2DOF 𝐻∞ controller for a quadrotor UAV, Proceedings of The Conference on AIAA Guidance, Navigation and Control, Texas, USA, August 11-14, 2003.
[13] E. N. Johnson, UAV research at Georgia Institute of Technology, Accessed on December 2006; http:/www.ae.gatech.edu.
[14] J. S. Jang, Nonlinear Control Using Discrete-Time Dynamic Inversion Under Input Saturation Theory and Experiment on Stanford Dragen Fly UAVs, PhD Thesis, Stanford University, Stanford, 2003.
[15] E. Altug, Vision Based Control of Unmanned Aerial Vehicles with Applications to an Autonomous Four Rotor Helicopter, Quadrotor, PhD Thesis, University of Pennsylvania, Philadelphia, 2003.
[16] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, Robust adaptive control of a bioinspired robot manipulator using bat algorithm, Expert Systems with Applications, Vol. 56, No. 14, pp.164-176, 2016.
[17] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, Hybrid neural network fraction integral terminal sliding mode control of an Inchworm robot manipulator, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 80, No. 10, pp. 117-136, 2016.
[18] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, A novel adaptive neural network integral sliding-mode control of a biped robot using bat algorithm, Journal of Vibration and Control, doi/1077546316676734, 2016.
[19] S. Bouabdallah, P. Murrieri, R. Siegwart, Design and control of indoor micro quadrotor, Proceedings of The IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, USA, April 26-May 1, 2004.