مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل دینامیکی یک کوادروتور در شرایط کاری متغیر

نویسندگان
1 گروه آموزشی مهندسی رباتیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
2 پژوهشکده فناوریهای نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر
3 دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
چکیده
در این مقاله روی مدل‌سازی دینامیکی کوادروتور با توجه به تغییرات در شرایط کاری آن تمرکز شده‌است. هدف اصلی این پژوهش ارائه‌ی معادلات دینامیکی کامل حاکم بر کوادروتور با استفاده از روش اویلر-لاگرانژ و با درنظر گرفتن تمامی نیروهای آیرودینامیکی که بر حرکت آن تاثیر می‌گذارند می‌باشد. در مقالات پیشین، معادلات دینامیکی هیچگاه به طور جامع درنظر گرفته نشده‌است. مطالعه دینامیک کوادروتور به شناخت فیزیک و رفتار آن کمک می‌کند و به حصول یک مدل دقیق از سیستم می‌انجامد. با حصول چنین مدلی کنترل کوادروتورا به مراتب ساده‌تر از مدل‌های غیر دقیق موجود می‌شود. جهت درنظر گرفتن مجموعه نیروها و گشتاورهای دخیل در دینامیک کوادروتور، از مطالعات انجام شده پیشین استفاده می‌شود و پس از شرح دادن هر یک از نیروها و روابط دقیق آن‌ها، مدل دینامیکی کامل کوادروتور ارائه می‌شود. در انتها عملکرد سیستم در دو شرایط کاری متفاوت یکی بدون درنظر جسم متصل خارجی به کوادروتور و دیگری در شرایط کوپل شده با یک دوربین، به صورت عددی شبیه‌سازی می‌گردد و به کمک آن‌ها مدل دینامیکی حاصل صحه‌گذاری می‌شود. در شرایط کاری اول در دو آزمون متفاوت به بررسی و مقایسه معادلات دینامیکی کار حاضر با کارهای پیشین پرداخته‌خواهدشد. در شرایط کاری دوم عملکرد کوادروتور تحت تاثیر دوربین متصل به آن که با حرکت خود معادلات دینامیکی سیستم را به صورت پیوسته تغییر می‌دهد، بررسی می‌شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Dynamic Analysis of a Quadrotor in Variable Operating Conditions

نویسندگان English

Ramin Afhami 1
Rasul Fesharakifard 2
Mohammad Azam Khosravi 3
1 Department of Robotic Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran
2 New Technologies Research Center, Amirkabir University of Technology
3 Department of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran
چکیده English

This paper focuses on the dynamic modeling of quadrotor with respect to changes in operating conditions. The main objective of this investigation is to provide complete governing quadrotor dynamic equations using the Euler-Lagrange method considering all aerodynamic forces which affect it's motion. In previous papers, dynamical equations are never considered comprehensively. The study of quadrotor's dynamics permits to understand it's physics and behavior and provides a precise model of the system. Once such a model is obtained, the control of quadrotor turns much simpler than current inaccurate models. In order to take into account, the set of forces and torques involved in quadrotor dynamics, the previous studies are used and after describing each of the forces and their precise terms, the complete dynamic quadrature model is presented. At the end, the system's performance is simulated in two different operating conditions, one regardless of the external object coupled with quadrotor, and the other in the coupled condition with a camera, and by this means, the achieved dynamic model is validated. In the first operating conditions in two different tests, the dynamic equations of the present work will be compared against the previous ones. In the second operating conditions, the quadrotor performance under influence of a connected camera whose motion changes continuously the system dynamic equations is studied.

کلیدواژه‌ها English

Quadrotor
Dynamic modeling
Aerodynamic forces
Operating conditions
Connected camera
[1] G. Jithu and P. R. Jayasree, Quadrotor modelling and control, 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT), Chennai, pp. 1167-1172, 2016.
[2] S. Khatoon, M. Shahid, Ibraheem and H. Chaudhary, Dynamic modeling and stabilization of quadrotor using PID controller, 2014 International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), New Delhi, pp. 746-750, 2014.
[3] F. Sabatino, Quadrotor Control : Modeling , Nonlinear Control Design, and Simulation, Master's Degree Project, KTH Electrical Engineering, Stockholm, Sweden, 2015.
[4] Y. Naidoo, R. Stopforth and G. Bright, Quad-Rotor Unmanned Aerial Vehicle Helicopter Modelling & Control, International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 8, No. 4, pp. 45, 2011.
[5] Zhenyue Jia, Jianqiao Yu, et al. Integral backstepping sliding mode control for quadrotor helicopter under external uncertain disturbances, Aerospace Science and Technology, Vol. 68, pp. 299-307, 2017.
[6] Y. R. Tang, X. Xiao, Y. Li, Nonlinear dynamic modeling and hybrid control design with dynamic compensator for a small-scale UAV quadrotor, Measurement, Vol. 109, pp. 51-64, 2017.
[7] Y. C. Choi, H. S. Ahn, Nonlinear control of quadrotor for point tracking: actual implementation and experimental tests, IEEE/ASME Trans. Mechatronics, Vol. 20, No. 3, pp. 1179–1192, 2015.
[8] M. Nourimotlagh, P. Safarpour, M. Pourgholi, Dynamic modeling , simulation and control of a quadrotor using feedback linearization and PID controller based on MEMS sensors experimental data, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 12, pp. 175–185, 2016. (in Persian فارسی(
[9] P. S. Gohari, S. Taghvaei, H. Mohammadi, Boundary surveillance using chaotic motion planning and control for a quadrotor robot, Vol. 16, No. 11, pp. 217–223, 2016. (in Persian فارسی(
[10] R. Norouzi, H. Shahbazi, K. Jamshidi, Design and implementation of a neural intelligent controller and a hybrid PD controller for quadrotor, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 10, pp. 194–204, 2017. (in (فارسی Persian
[11] J.J. Xiong, G. B. Zhang, Global fast dynamic terminal sliding mode control for a quadrotor UAV, ISA transactions, Vol. 66, pp. 233–240, 2017.
[12] Palunko, Ivana, and Rafael Fierro, Adaptive control of a quadrotor with dynamic changes in the center of gravity, IFAC Proceedings Volumes 44.1, pp. 2626-2631, 2011.
[13] D. Bernard, F. Riccardi, M. Giurato, M. Lovera, A dynamic analysis of ground effect for a quadrotor platform, IFAC-PapersOnLine, Vol. 50, Issue 1, pp. 10311-10316, 2017.
[14] I. Sharf et al., Ground effect experiments and model validation with Draganflyer X8 rotorcraft, 2014 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), Orlando, FL, pp. 1158-1166, 2014.
[15] S. Bouabdallah, Design and control of quadrotors with application to autonomous flying, PhD Thesis, State Engineer, Aboubekr Belkaid University, Tlemcen, Algeria, Vol. 3727, 2007.
[16] J. Diebel, Representing attitude: Euler angles, unit quaternions, and rotation vectors, Matrix 58.15-16, pp. 1-35, 2006.
[17] S. Khatoon, D. Gupta, an L. K. Das, PID & LQR control for a quadrotor: Modeling and simulation,” Proc. 2014 Int. Conf. Adv. Comput. Commun. Informatics, ICACCI 2014, pp. 796–802, 2014.
[18] Benallegue, Abdelaziz, Abdellah Mokhtari, and Leonid Fridman. "High‐order sliding‐mode observer for a quadrotor UAV." International journal of robust and nonlinear control 18.4‐5, pp. 427-440, 2008.
[19] J. M. Seddon, and S. Newman. Basic helicopter aerodynamics. Vol. 40, pp. 78-89 John Wiley & Sons, 2011.
[20] S. Bouabdallah and R. Siegwart, Full control of a quadrotor, 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, pp. 153-158, 2007.
[21] S. Bouabdallah, R. Siegwart, Design and Control of a Miniature Quadrotor, Valavanis K.P. (eds) Advances in Unmanned Aerial Vehicles. Intelligent Systems, Control and Automation: Science and Engineering, vol 33. Springer, Dordrecht, 2007.
[22] Bresciani, Tammaso, Modelling, identification and control of a quadrotor helicopter, MSc Theses, Department of Automatic Control, Lund University, Sweden, 2008.