SUPERVISOR
Mohammad jafar Sadigh,Saeed Behbahani
محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد مشاور) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Shiva Bagherzadeh
شیوا باقرزاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Visual Servoing Control of the Unmanned Quadrotor in Order to Improve its Stability and Performance
Since the ancient times, the dream of flight and making flying objects has attracted human’s special attention. His attempts to realize this dream have led to great progresses in the field of aeronautics. Among different aerial vehicles that have been designed by humans, unmanned aerial vehicles that have appeared in the early 20 th century, have been increasingly considered these days due to their capability of performing different missions without exposing human’s life in danger. Quadrotor helicopter is one of the unmanned aerial vehicles that have found an especial place in human’s life duo to its high maneuverability to perform military and civilian missions. Quadrotor is an X-form platform with two pairs of counter rotating rotors locating at the corners of the platform. All of the maneuver movements of the quadrotor such as movements and rotations along and around the axes are caused by changing the speed of the rotors. Quadrotor is an under-actuated aerial vehicle that has six degrees of freedom, and four control inputs. Quadrotor is an unstable vehicle that requires an efficient control system in order to become stable and to be able to perform assigned missions. In order to design such a control system, the information of the quadrotor position and the amounts of the quadrotor linear and angular velocities must be accessible. As well, duo to providing the possibility of flying in the unknown environments, the information of the environment must be available for the control system. One means of acquiring this information is by using cameras to take images of the environment, and process these images to obtain the required information. This method is called visual servoing method. Image processing and sending the extracted information to the control system may cause some problems such as time delays and information losses. Thus, the designed control system must be able to compensate these problems and ensure the expected performance of the system. The main goal of the present work is to design a control system that is able to remove the side effects of time delays happened during the visual servoing method besides stabilizing and controlling the flight of the quadrotor. The model predictive control method is an optimal control method that can realize the aims of this work due to its particular characteristics. In this work, the equations of motions of the quadrotor are obtained based on Newton-Euler method. The equations show that the translational movements of the quadrotor are depended on the rotational movements, while the opposite is not true. Therefore, the control system is consisted of a translational and a rotational controller, which are responsible for controlling the translational and rotational movements of the quadrotor respectively. With considering undetermined computational and visual servoing time delays, and by using model predictive control method, the translational and rotational controllers are designed. Finally, the quadrotor plant and its control system are simulated using Matlab and Simulink and the performance of the whole system is evaluated. The results demonstrate that the proposed control system can efficiently control the flight of the quadrotor in the presence of undetermined time delays and physical constraints of the system. Keywords: Unmanned aerial vehicles, Quadrotor, Time delays and information losses, Model predictive Control, Physical constraints, Successive linearization and discretization.
رویای پرواز و ساخت وسایل پرنده از دیرباز ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. تلاش های وی برای تحقق این رویا سبب پیشرفت های بسیاری در زمینه ی علم هوافضا شده است. در میان همه ی وسایل پرنده ی ساخت بشر، وسایل بدون سرنشین که از اوایل قرن بیستم پا به عرصه ی وجود نهادند، از اهمیت زیادی برخوردارند. توانایی این وسایل در انجام ماموریت های مختلف، بدون در معرض خطر قرار دادن جان انسان ها، سبب اهمیت روزافزون این وسایل شده است. یکی از وسایل نقلیه ی بدون سرنشین که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است، هلی کوپتر چهار روتوره یا کوادروتور است که به دلیل دارا بودن قابلیت های مانوری قابل توجه، کاربردهای نظامی و غیرنظامی بسیاری پیدا کرده است. در این وسیله که از یک قاب X شکل و چهار روتور تشکیل شده است، تغییر سرعت چرخش روتورها سبب حرکت و چرخش کوادروتور در راستاهای مختلف و انجام حرکات مانوری توسط آن می شود. کوادروتور یک وسیله ی شش درجه آزادی است که تنها چهار ورودی کنترلی به آن وارد می شود. این وسیله از لحاظ دینامیکی به شدت ناپایدار است و برای پایدار شدن و انجام ماموریت های محوله به یک کنترل کننده ی مناسب نیاز دارد. برای طراحی چنین کنترل کننده ای، باید اطلاعات مربوط به مکان و سرعت خطی و زاویه ای کوادروتور در دسترس باشند. هم چنین برای فراهم آوردن امکان انجام ماموریت های مختلف در محیط های ناشناس، باید اطلاعات مربوط به محیط اطراف کوادروتور به گونه ای در اختیار سیستم کنترلی آن قرار گیرد. یکی از روش های به دست آوردن این اطلاعات، استفاده از دوربین برای تصویر برداری از محیط و سپس آنالیز تصاویر برای به دست آوردن اطلاعات مورد نظر و یا استفاده از روش فرمان پذیری بصری در کنترل کوادروتور است. آنالیز تصاویر و ارسال آن ها به کنترل کننده می تواند با مشکلاتی از قبیل تاخیر زمانی و از دست رفتن قسمتی از اطلاعات همراه باشد. کنترل کننده ی طراحی شده باید قابلیت جبران این مشکلات را داشته باشد و بتواند عملکرد مورد انتظار سیستم را تضمین کند. هدف اصلی این پروژه طراحی کنترل کننده ای است که بتواند درعین پایدارسازی و کنترل پرواز کوادروتور، تاثیرات منفی ناشی از تاخیرات زمانی به وجود آمده در حین فرایند فرمان پذیری بصری را جبران کند. روش پیش بینی کننده ی مبتنی بر مدل روشی است که با توجه به برخورداری از ویژگی های منحصربه فرد می تواند اهداف این پروژه را برآورده سازد. در این پروژه، ابتدا معادلات دینامیکی کوادروتور با استفاده از روش نیوتن به دست می آیند. معادلات به دست آمده نشان می دهند که حرکت انتقالی کوادروتور به حرکت چرخشی آن وابسته است، ولی عکس این موضوع برقرار نیست. بنابراین، برای کنترل سیستم از دو کنترل کننده ی انتقالی و چرخشی که به ترتیب وظیفه ی کنترل سرعت خطی و وضعیت چرخشی کوادروتور را به عهده دارند، استفاده می شود. با درنظر گرفتن اثرات تاخیر زمانی محاسباتی و نیز تاخیر زمانی نامعین ایجادشده در حین فرایند آنالیز تصاویر و ارسال اطلاعات و با استفاده از روش کنترلی پیش بینی کننده ی مبتنی بر مدل، کنترل کننده ها ی انتقالی و چرخشی طراحی می شوند. در نهایت سیستم کوادروتور به همراه کنترل کننده های آن به کمک نرم افزار Matlab و Simulink شبیه سازی شده و عملکرد سیستم کنترلی مورد ارزیابی قرار می گیرد. نتایج به دست آمده از شبیه سازی حاکی از عملکرد مناسب کنترل کننده ها در کنترل پرواز کوادروتور در حضور تاخیرات زمانی نامعین و قیود فیزیکی مسئله است. کلمات کلیدی: 1- وسایل هوایی بدون سرنشین 2-کوادروتور 3- تاخیر زمانی و از بین رفتن اطلاعات 4- کنترل کننده ی پیش بینی کننده ی مبتنی بر مدل 5- قیود فیزیکی حاکم بر مسئله 6- خطی سازی و گسسته سازی گام به گام