Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed Behbahani,Mahmud Ashrafizadeh
سعید بهبهانی (استاد راهنما) محمود اشرفی زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohsen Yaraghi
محسن یراقی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Analysis of Dynamics, Maneuverability, and Flight Control of Quadrotor
Nowadays, unmanned aerial vehicles (UAV) are widely used in view of their applications and capabilities. Quadrotor UAV is a kind of rotary-wing vehicle with a flight mechanism that contains four motors and propellers installed in four corners of the main frame. Since the attack angles of the propellers do not change, the lift force changes solely with the change of the rotors rotation speeds. Moreover, rotation direction of any rotor is fixed and is perpendicular to the main frame. In order to neutralize aerodynamic torques, and to decrease gyroscopic effects, the rotation direction of two rotors is in the opposite direction of the other two rotors. In this research activity, after analysis of dynamic equations, the controller and motion trajectory algorithm are designed. From control viewpoint, the overall objective is to control linear velocities of the aircraft, as well as its yaw angle. The dynamic of the system is in a form that its roll and pitch angles are determined depending on the variation rate of the linear velocities. As a result, the control mechanism considered for this vehicle is a two-loop controller. In the outer loop, we have utilized an integrator-proportional controller, while a fuzzy parallel distributed compensation (PDC) controller and a sliding mode controller are designed for the inner loop. In PDC controller, a nonlinear fuzzy model of the system is presented by expressing the nonlinear dynamic equations of the rotation of the system as a fuzzy combination of linear equations. Subsequently, by designing the controller for each linear subsystem, the overall nonlinear controller is computed as a fuzzy combination of the linear controllers. In designing the sliding mode controller, by definition of separate sliding surfaces for each rotational angle of the system, the control law is designed in a way that the system state from an arbitrary initial condition converges to these surfaces. Then, the system state tends to its desired value while remaining on the sliding surface. The designed controllers are verified and also compared to each other by simulation of the flight under some benchmark paths. Moreover, the robustness of the designed controllers against existence of uncertainty and disturbance are evaluated by considering uncertainty over mass and inertial momentum matrix of the aircraft, as well as by applying disturbance force and torque to the system. After designing the controller, a path planning algorithm is proposed, where assuming that the kinematics specifications of the starting and destination points are determined, the path is generated with the aim to minimize the time, while meeting the physical constraints of the vehicle. The motion equations are considered as polynomial functions of time, in a way to satisfy boundary conditions (i.e., position, velocity, acceleration, and jerk) of starting and destination points of the trajectory. The coefficients of the polynomials are then calculated for moving in minimum time. Keywords : Quadrotor, Unmanned Aerial Vehicles, Fuzzy PDC Controller, Sliding Mode Controller, Path Design
امروزه وسایل هوایی بدون سرنشین به دلیل کاربردها و قابلیت هایشان به نحو چشمگیری مورد استفاده قرار گرفته اند. کوداروتور بدون سرنشین، یک نمونه بالگرد است که مکانیزم پروازی آن از چرخش چهار موتور و پروانه که در چهار طرف قاب اصلی آن قرار دارند، حاصل می شود. در این وسیله زاویه حمله پروانه ها تغییر نکرده و تغییر نیروی بالابر صرفاً با تغییر سرعت گردش روتورها انجام می گیرد. همچنین راستای چرخش هر چهار روتور ثابت و عمود بر قاب اصلی می باشد. به منظور خنثی شدن گشتاور اصطکاکی و کاهش اثرات زیروسکوپی، جهت گردش دو روتور از این وسیله نسبت به دو روتور دیگر در جهت عکس می باشد. در این تحقیق ضمن استخراج معادلات دینامیکی پرنده، به کنترل و طراحی مسیر حرکت برای آن پرداخته شده است. هدف نهایی در کنترل این وسیله کنترل سرعت خطی آن می باشد. با توجه به اینکه در طراحی این پرنده ساختار دینامیکی به گونه ای در نظرگرفته شده است که زوایای چرخشی در آن به صورت وابسته به نرخ تغییرات سرعت خطی پرنده تعیین می شوند، مکانیزم کنترلی در نظر گرفته شده برای این وسیله یک مکانیزم دو حلقه ای می باشد. در حلقه خارجی این مکانیزم از کنترل کننده تناسبی- انتگرال گیر و در حلقه داخلی آن جهت کنترل وضعیت چرخشی پرنده، از کنترل کننده های فازی PDC و لغزشی استفاده شده است. در طراحی کنترل کننده PDC، با بیان معادلات دینامیکی غیرخطی وضعیت چرخشی سیستم به صورت ترکیبی از سیستم های خطی، در ابتدا یک مدل فازی از سیستم ارائه شده و پس از آن با طراحی کنترل کننده برای هر یک از زیر سیستم های خطی، کنترل کننده کلی که یک کنترل کننده غیرخطی است از ترکیب فازی کنترل کننده های خطی طراحی شده حاصل می شود. در طراحی کنترل کننده لغزشی با تعریف سطوح لغزش جداگانه برای هر یک از زوایای چرخشی سیستم، قانون کنترلی طوری طراحی می شود که حالت سیستم از شرایط اولیه دلخواه، به سمت این سطوح همگرا شده و با باقی ماندن بر روی آن، به سمت مقدار مطلوب خود میل نماید. رفتار سیستم در پیاده سازی جداگانه ی هر یک از کنترل کننده های PDC و لغزشی بر روی مدل دینامیکی سیستم شبیه سازی شده و نتایج حاصل از آنها علاوه بر بررسی جداگانه، باهم مقایسه شده است. همچنین مقاوم بودن کنترل کننده های طراحی شده در برابر وجود اثرات نامعینی واغتشاش خارجی مورد ارزیابی قرار گرفته است. پس از طراحی کنترل کننده، به طراحی مسیر حرکت برای پرنده مورد نظر پرداخته شده است. در طراحی مسیر، فرض شده است که مشخصات سینماتیکی نقاط مبدأ و مقصد حرکت از قبل مشخص بوده و پرنده مسیر حرکت بین این نقاط را با توجه به محدودیت های فیزیکی حاکم بر خود، باید در کوتاهترین زمان ممکن طی نماید. برای حل این مسئله، معادلات حرکت به صورت توابع چند جمله ای متغیر با زمان در نظرگرفته شده و ضرایب این توابع جهت حرکت در حداقل زمان و برآورده شدن شرایط مرزی نقاط شروع و پایان حرکت محاسبه شده اند. کلمات کلیدی: 1- کوادروتور 2- وسایل هوایی بدون سرنشین 3- کنترل کننده DC 4- کنترل کننده لغزشی 5- طراحی مسیر

ارتقاء امنیت وب با وف بومی