مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل ردیابی مسیر کوادروتور با استفاده از کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی فازی مرتبه کسری در حضور اغتشاش باد

نویسندگان
فرهاد پریوش 1
علی قاسمی 2
1 کارشناسی‌ارشد، مهندسی مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود
2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی-واحد تهران شمال
چکیده
کوادروتور یکی از رایج‌ترین مدل‌های پرنده بدون سرنشین با چهار ملخ محرک است که ساختار مکانیکی ساده، سبک و کوچکی دارد و در عین حال از قابلیت مانوردهی بالایی برخوردار است. با این حال، دینامیک غیرخطی و زیر‌تحریک این پرنده بدون سرنشین چهار ملخه نیازمند کنترل‌کننده‌‌های پیشرفته‌تری برای غلبه بر اغتشاش‌های خارجی، حفظ تعادل و ردیابی دقیق مسیر پرواز است. به ویژه زیر‌سیستم دینامیکی زیرتحریک کوادروتور نیازمند پاسخی سریع، بدون بالازدگی و با کمترین خطای حالت دائم است. در این مقاله، با بهره‌گیری از سیستم‌های فازی و مرتبه کسری، کنترل‌کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی فازی مرتبه کسری برای هدایت سیستم کوادروتور به منظور بهبود سرعت پاسخ‌گویی، دقت ردیابی و مقاومت سیستم کنترل نسبت به کنترل‌کننده سنتی تناسبی-انتگرالی-مشتقی طراحی شده است. ساختار کنترل‌کننده زیرسیستم دینامیکی زیرتحریک کوادروتور براساس تئوری کنترل حلقه داخلی-بیرونی طراحی شده که در آن از تحلیل سینماتیک معکوس صریح و تحلیلی سیستم برای ارتباط حلقه‌های‌ داخلی و بیرونی استفاده شده است. همچنین، در مدل دینامیکی کوادروتور، دینامیک موتورها و اشباع محرکه‌ها لحاظ شده و تاثیر آن بر عملکرد کنترل‌کننده‌ها بررسی شده است. برای ارزیابی عملکرد ردیابی کنترل‌کننده‌ها یک مسیر به شکل مانور هوایی هشت طراحی شده و عملکرد کنترل‌کننده‌ها در غیاب و در حضور اغتشاش باد سنجیده شده است. دقت کنترل‌کننده‌ها در ردیابی مسیر حرکت براساس شاخص‌های بیشترین قدر مطلق خطا و انتگرال قدر مطلق خطا مطالعه و مقایسه شده است که نشان می‌دهد کنترل‌کننده پیشنهادی PID فازی مرتبه کسری به خوبی توانسته عملکرد سیستم را بهبود ببخشد.
کلیدواژه‌ها
کوادروتور
ردیابی مسیر
کنترل تناسبی-انتگرالی-مشتقی
سیستم‌های فازی
محاسبات مرتبه کسری

موضوعات

عنوان مقاله English

Trajectory Tracking Control of Quadrotor using Fractional-Order Fuzzy PID Controller in the Presence of Wind Disturbance

نویسندگان English

Farhad Parivash 1
ali ghasemi 2
1 Mechanical and Mechatronics Engineering Department, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, North Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

Quadrotor is one the most popular models of unmanned aerial vehicles with four actuated propellers which has a simple, light weight, small mechanical structure and high maneuverability. However, its nonlinear under-actuated dynamics needs more advanced controllers for rejection of external disturbances, balancing and precise trajectory tracking. In particular, the under-actuated subsystem of the quadrotor's dynamics needs a fast response without overshoot and steady state error. In this paper, fuzzy fractional-order proportional-integral derivative (FOFPID) controller is designed for quadrotor control system using fuzzy and fractional order systems to improve response speed, tracking accuracy and system robustness respect to the conventional PID controller. Controller architecture of the under-actuated subsystem of the quadrotor's dynamics is designed based on the inner-outer loop control theory which is employed explicit and analytical inverse kinematic of system to connect the inner and outer loops. Also, dynamics of the motors and actuators saturation are considered in the quadrotor’s dynamics model and their effects are studied on the controllers' performance. In order to evaluate tracking performance of controllers, trajectory of an eight aerial maneuver is designed and controllers’ performance is assessed in the absence and presence of wind disturbance. Trajectory tracking accuracy of the controllers is studied according to the maximum absolute error and integral of absolute error criterions and is compared that shows the proposed FOFPID controller has successfully improved performance of the quadrotor system.

کلیدواژه‌ها English

Quadrotor
Trajectory tracking
PID Control
Fuzzy Systems
Fractional Calculus
[1] K. P. Valavanis, G. J. Vachtsevanos, Handbook of unmanned aerial vehicles. Springer Publishing Company, Incorporated, 2014.
[2] L. Wang, H. Jia, The trajectory tracking problem of quadrotor UAV: Global stability analysis and control design based on the cascade theory, Asian Journal of Control, Vol. 16, No. 2, pp. 574–588, 2014.
[3] J. Li, Y. Li, Dynamic analysis and pid control for a quadrotor, in Proccedings of IEEE International Conference of Mechatronics and Automation, Beijing, China, Aug. 7-10, 2011.
[4] M. Belkheiri, A. Rabhi, A. El Hajjaji, C. Pegard, Different linearization control techniques for a quadrotor system, 2nd International Conference on Communications, Computing and Control Applications (CCCA), Marseilles, France, Dec. 6-8, 2012.
[5] H. Wang, X. Ye, Y. Tian, G. Zheng, N. Christov, Model free–based terminal SMC of quadrotor attitude and position, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 52, No. 5, pp. 2519-2528, 2016.
[6] H. Lu, C. Liu, M. Coombes, L. Guo, W. H. Chen, Online optimisation-based backstepping control design with application to quadrotor, IET Control Theory & Applications, Vol. 10, No. 14, pp. 1601-1611, 2016.
[7] D. Ma, Y. Xia, T. Li, K. Chang, Active disturbance rejection and predictive control strategy for a quadrotor helicopter, IET Control Theory & Applications, Vol. 10, No. 17, pp. 2213-2222, 2016.
[8] S. Islam, P. X. Liu, A. El Saddik, Robust control of four-rotor unmanned aerial vehicle with disturbance uncertainty, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 62, No. 3, pp. 1563-1571, 2015.
[9]Z. T. Dydek, A. M. Annaswamy, E. Lavretsky, Adaptive control of quadrotor UAVs: A design trade study with flight evaluations, IEEE Transactions on control systems technology, Vol. 21, No. 4, pp. 1400-1406, 2013.
[10]B. Zhao, B. Xian, Y. Zhang, X. Zhang, Nonlinear robust adaptive tracking control of a quadrotor UAV via immersion and invariance methodology, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 62, No. 5, pp. 2891-2902, 2015.
[11]A. Mottahedi, A. Akbarzadeh Kalat, Adaptive robust sliding mode control of quadrotor in the presence of wind disturbance, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 12, pp. 95-102, 2016. (in Persian فارسی)
[12]A. Roza, M. Maggiore, A class of position controllers for underactuated VTOL vehicles, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 59, No. 9, pp. 2580–2585, 2014.
[13]M.-D. Hua, T. Hamel, P. Morin, C. Samson, Introduction to feedback control of underactuated VTOL vehicles: A review of basic control design ideas and principles, IEEE Control Systems, Vol. 33, No. 1, pp. 61–75, 2013.
[14]V. Tikani, H. Shahbazi, Design and implementation of attitude PID controller with fuzzy system to adjust the controller gain values for quadrotor, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 9, pp. 19-28, 2016. (in Persian فارسی)
[15]E. Kayacan, R. Maslim, Type-2 Fuzzy Logic Trajectory Tracking Control of Quadrotor VTOL Aircraft With Elliptic Membership Functions, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 22, No. 1, pp. 339-348, 2017.
[16]F. Parivash, A. Ghasemi, Trajectory Tracking Control for a Quadrotor Using Fuzzy PID control Scheme, IEEE 4th International Conference on Knowledge-Based Engineering and Innovation (KBEI), Tehran, Iran, Dec. 22th, 2017.
[17]R. Naldi, M. Furci, R. G. Sanfelice, L. Marconi, Robust global trajectory tracking for underactuated vtol aerial vehicles using inner-outer loop control paradigms, IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 62, No. 1, pp. 97-112, 2017.
[18]N. Cao, A. F. Lynch, Inner–outer loop control for quadrotor UAVs with input and state constraints, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 24, No. 5, pp. 1797-1804, 2016.
[19]C. Izaguirre-Espinosa, A. J. Muñoz-Vázquez, A. Sánchez-Orta, V. Parra-Vega, G. Sanahuja, Fractional attitude-reactive control for robust quadrotor position stabilization without resolving underactuation, Control Engineering Practice, Vol. 53, pp. 47-56, 2016.
[20]H. Delavari, A. Azizkhani, P. Shiuooei, Design and practical implementation of a fractional order pid controller for a single flexible-link robot, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 10, pp. 411-419, 2017. (in Persian فارسی)
[21]R. Sharma, K. P. S. Rana, V. Kumar, Performance analysis of fractional order fuzzy PID controllers applied to a robotic manipulator, Expert systems with applications, Vol. 41, No. 9, pp. 4274-4289, 2014.
[22]A. A. Mian, w. Daobo, Modeling and backstepping-based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopter, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 21, No. 3, pp. 261-268, 2008.
[23]A. Oustaloup, P. Melchior, P. Lanusse, O. Cois, F. Dancla, The CRONE toolbox for Matlab, IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design (CACSD),USA, Anchorage, Sept. 25-27, 2000.
[24]D. Pedro Mata de Oliveira Valério, Ninteger v.2.3 Fractional control toolbox for MATLAB, Lisboa, Universidade Technical, 2005.
[25]A. Tepljakov, E. Petlenkov, J. Belikov, FOMCON: a MATLAB toolbox for fractional-order system identification and control. International Journal of Microelectronics and Computer Science, Vol. 2, No. 2, pp. 51-62, 2011.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 8
آذر 1397
صفحه 45-54