بخشی از مقاله
خلاصه
کوادروتور یک سیستم زیرتحریک با چهار ورودی و شش خروجی با توانایی در بلند شدن و فرود آمدن به صورت عمودی و همچنین معلق ماندن در هوا است. کنترل کوادروتور با تغییر سرعت نسبی هر یک از روتورها برای تغییر گشتاور و نیروی بالابرنده، امکان پذیر میباشد.
در این مطالعه پس از معرفی مدل کوادروتور، به منظور کنترل موقعیت و وضعیت و ردیابی، از روشهای کنترلی خطیسازی فیدبک و کنترل مد لغزشی تطبیقی استفاده شده است. سپس با اعمال اغتشاشات ثابت پلهای و سینوسی به سیستم کوادروتور، در محیط شبیهسازی به بررسی عملکرد کنترلکنندهها پرداخته شده است. برای بهبود عملکرد کنترلکنندهها و حل نواقص هر یک به ترکیب دو کنترلکننده پرداخته شده است. در نهایت نتایج شبیهسازی و مقایسهی کنترلکنندهها ارائه شده است.
.1 مقدمه
توسعهی رباتهای هوشمند و متحرک از جمله پرندههای بدون سرنشین در سالهای اخیر به شدت افزایش یافته است. کوادروتور نوعی پرندهی بدون سرنشین است که نسبت به هواپیماهای بال ثابت مزایایی دارد؛ از جمله، با داشتن چهار روتور صعود و فرود عمودی و شناور بودن در هوا برای آن آسان خواهد بود، به دلیل داشتن اندازه کوچک و قابلیت مانورپذیری بالا به راحتی میتواند در فضاهای باز و بسته همانند ساختمانهای در حال ساخت، ورزشگاهها و... پرواز کند، ساختار مکانیکی سادهی آن برای طراحی و پیادهسازی آسان است.
از کاربردهای این وسیله میتوان به عکاسی هوایی، رسیدگی به حوادث، تحقیق در مورد آب و هوا، نقشهبرداری، بازدید از خطوط برق قدرت، گشت هوایی و دیدهبانی ترافیک، گشتزنی آتشهای جنگلی، امداد و نجات و ... اشاره کرد .[1] از سویی دیگر این تواناییهای گسترده و قابلیت پرواز در محیطهای گوناگون باعث میشود کوادروتور در معرض اغتشاشات و نویزهای محیطی فراوانی قرار بگیرد. همچنین داشتن سیستم غیرخطی و دارای نامعینی کنترل این سیستم را پیچیده و دشوار ساخته است. شکل 1 نمایی از یک کوادروتور را نشان میدهد.
شکل -1 نمایی از یک کوادروتور
برای دستیابی به اهداف ذکر شده، با مطالعهی برخی کارهای پیشین به تفاوت روش خطیسازی فیدبک با سایر روشها پی برده و اهمیت و ضرورت استفاده از این روش مشخص میگردد. برای نمونه، در [2] برای مقابله با اغتشاشات خارجی متناقض از یک روش نوین کنترل مدلغزشی استفاده شده است. در [3] با استفاده از کنترل خطیسازی فیدبک و LQR به ردیابی مسیر و کنترل حالتها در سیستم کوادروتور پرداخته شده است. در [4] از کنترل غیرخطی فیدبک برای حذف ترمهای غیر خطی استفاده شده است.
در [5] به طور هم زمان برای مقابله با مسائلی از جمله محدود شدن عملکرد ردیابی کنترل کننده توسط اشباع و بالا رفتن هزینه و وزن ربات در حضور حسگرهای سرعت، یک کنترلکننده فیدبک خروجی اشباعی طراحی شده است. در مقایسه با سایر کنترلکنندههای فیدبک خروجی، در [6] ترکیب سیستم کنترل کننده-رویتگر تطبیقی برای کاهش خطر اشباع محرکها در طول تعمیم توابع اشباع طراحی شده است.
کنترل کنندهی خطیساز فیدبک شامل ترمهای مشتقی مرتبه بالایی است که نسبتا به نویز حسگر و نامعینیهای مدل حساسند که با ترکیب با کنترل مد لغزشی تطبیقی، بدون نیاز به ورودی کنترلی بزرگ به مقابله با خاصیت زیرتحریک بودن و نویز سنسورها و نامعینیها میپردازد، در حقیقت کنترل مد لغزشی در شرایط نویزی عملکرد بسیار خوبی داشته و تطبیقی بودن آن تاثیر بسزایی در تخمین نامعینیها مانند اثرات جاذبه دارد.
در [11 -8] کنترل مد لغزشی، خطیسازی فیدبک، پسگام، فازی PID مقایسه شدهاند که کنترل مد لغزشی بهترین عملکرد را دارد ولی برای بهبود کیفیت کنترلی از ترکیب این کنترلکننده با خطیسازی فیدبک و حالت مد لغزشی پیوسته و تطبیقی استفاده شده است. رویتگر مد لغزشی به عنوان تخمینگر اثرات اغتشاشات خارجی - باد و نویز - عمل کرده و به طور موازی با خطیساز فیدبک کار میکند و از یک روش کنترل غیرخطی تطبیقی مستقیم برای نشان دادن مقاومت در برابر خطای اولیهی پارامترها، و تغییرات تصادفی در پارامترها در طول پرواز و اغتشاشات خارجی استفاده شده است.
در [12] با استفاده از کنترلکنندهی تطبیقی خطیسازی فیدبک خروجی، بر تغییرات دینامیکی روی مرکز جرم کوادروتور غلبه کرده و این روش را راهی برای توسعهی تولید وسایل نقلیهی هوایی خودکار میداند، الگوریتم کنترلی ارائه شده قادر به کنترل بلادرنگ وسیله در مانورهای عملی است که به دلایلی مانند اغتشاش تغییراتی در مرکز جرم اتفاق میافتد. [15 -13] مروری بر اصول و قواعد اصلی طراحی کنترل خطیسازی فیدبک، مدلغزشی و کنترل تطبیقی هستند.
مزیت کنترل خطیسازی فیدبک نسبت به کنترل پسگام - - BS*، تلاش کنترلی کوچکتر، قابلیت افزایش مقاومت در برابر تغییرات پارامترها و پیادهسازی عملی بصورت بلادرنگ است. همچنین نیاز به طراحی تابع پیچیدهی لیاپانوف برای اثبات پایداری ندارد. در این مطالعه سعی بر این است با ترکیب روش خطیسازی فیدبک با کنترل مد لغزشی به بهبود کنترل و رفع نواقص موجود در دو کنترلکننده پرداخته شود. از کنترل مد لغزشی برای مقابله با نامعینیها و دفع اثر اغتشاشات خارجی استفاده شده است و از خطیسازی فیدبک برای کاهش پیچیدگی کنترل، کاهش خطای ردیابی، افزایش بهرهوری عملی - تلاش کنترلی هموارتر - و بهبود حالت گذرای سیستم استفاده میگردد.
بخشهای مختلف مقالهی حاضر به شرح ذیل است: در بخش 2 به معرفی مدل دینامیکی کوادروتور پرداخته شده است، بخش3 به بررسی و طراحی کنترل خطیسازی فیدبک اختصاص دارد و در بخش 4 کنترل مدلغزشی تطبیقی طراحی میشود، سپس در بخش 5 نتایج حاصل از شبیهسازی عددی ارائه میگردد. بخش 6 نیز مربوط به نتیجهگیری نهایی است.
.2 مدل دینامیکی کوادروتور
در این قسمت دینامیک دوران سیستم به وسیلهی روابط نیوتن- اویلر مدلسازی شده است .[9] با توجه به شکل 2 Γ={ex,ey,ez} چارچوب زمین وA={e1,e2,e3} چارچوب جسم است. چرخش بدنه در فضا به وسیلهی ماتریس دوران R از A به Γ مشخص میشود.
شکل -2 دیاگرام آزاد کوادروتور[9]
نهایتا مدل دینامیکی به فرم رابطه - 1 - خواهد بود:
که V0، P= - x,y,z - T و w= - p,q,r - T به ترتیب سرعت، بردار موقعیت و بردار سرعت زاویهای سیستم در چارچوب جسم هستند. I ماتریس معین مثبت متقارن ثابت اینرسی کوادروتور با توجه به چارچوب مرجع است.
