مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی کنترل تطبیقی و پیش‌بین برای پهپاد عمودپرواز با سه موتور چرخان با به‌کارگیری مدل‌سازی چندجسمی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی
2 دانشگاه صنعتی شریف
3 دانشگاه صنعتی مالک اشتر شاهین شهر
چکیده
در این پژوهش، پهپاد با سه موتور الکتریکی چرخان، مورد بررسی قرار گرفته است. هدف این پژوهش ارائه مدل جامع از دینامیک حرکت این پهپاد، شبیه‌سازی یازده درجه آزادی در شش فاز پروازی (فازهای پرواز ایستا، نشست، برخاست، روبه‌جلو، گذار و کروز) و دستیابی به کنترل پرنده برای رسیدن به بهینه‌ترین شرایط پروازی است. در این راستا ابتدا معادلات حرکت پرنده بر مبنای مدل‌سازی چند‌جسمی (پرنده، سه موتور الکتریکی) به‌منظور در نظر گرفتن اثرات ژیروسکوپی موتورها بر دینامیک پهپاد، در فرم تنسوری استخراج و برای شبیه‌سازی در دستگاه‌های مختصات موجود بسط داده شدند. نیروها و گشتاورهای آئرودینامیکی و رانشی پرنده، بسته به اینکه پهپاد در کدام فاز حرکتی قرار دارد به‌صورت جداگانه تعیین شد. برای تعیین نیروها و گشتاورهای رانشی موتورها، در فازهای ایستا، نشست، برخاست و روبه‌جلو از تئوری‌های مومنتم المانی پره بالگرد استفاده‌شده است. به دنبال آن ابتدا به کمک کنترلر برای هر کانال، شرایط تریم پرنده استخراج و سپس در راستای خطی سازی، به روش تحلیلی، ماتریس دینامیک و کنترل پرنده استخراج شد. این مدل‌ استخراج شده، دقت کافی برای استفاده به‌عنوان مدل خطی در طراحی کنترلرهای پیش بین خطی و تطبیقی مدل مرجع را داشت. عملکرد کنترلر پیش‌بین خطی، برای فاز برخاست، با دور شدن از مدل خطی افت می‌کند اما کنترل تطبیقی مدل مرجع با وجود نامعینی، عملکرد بهتری را از خود نشان داد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Model Predictive and Adaptive Controller Design of Tri-Tilt Rotor VTOL UAV by Using Multi-Body Modeling

نویسندگان English

masoud alizadeh 1
mehrdad ebrahimi dormiani 2
Mahdi Noori Dabir 3
1 K.N.Toosi University of Technology
2 Sharif University of Technology
3 Malek Ashtar University of Thecnology
چکیده English

This paper investigates the Tri-Tilt Rotor VTOL UAV. The aim of this study is to represent a comprehensive dynamic model, eleven degree of freedom at six flight phases (hover, descend, climb, forward, transient and cruise) and control the vehicle to reach best flight condition. For this purpose, the vehicle equations of motion are derived in tensor form and have been expanded in the coordinate systems, based on multi-body (vehicle and three electric motors) modeling approach in order to consideration of motors gyroscope effects on flight dynamic. Depending on vehicle flight phase, propulsion and aerodynamic forces and moments are determined separately. Blade Element Momentum Theory (BEMT) is used to obtain motors propulsion forces and moments at hover, descend, climb and forward phases. After that, with utilizing of controller for each channel flight, the trim condition is calculated and then for the sake of linearization using analytical method, dynamic and control matrixes are derived. This calculated model is qualified as linear model in order to design the model predictive and adaptive controller. For climb phase, as the nonlinear model receding from linear model, the linear model predictive controller performance was diminishing whereas the function of model reference adaptive control in spite of the uncertainties was better.

کلیدواژه‌ها English

Tri-Tilt Rotor
Multi-Body Modeling
Blade Element Momentum Theory
Adaptive Control
Model Predictive Control