Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Eman Ezadi,Mohammad Danesh
مصطفی غیور (استاد مشاور) ایمان ایزدی نجف آبادی (استاد مشاور) محمد دانش (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali akbar Rezaei lori
علی اکبر رضائی لری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Transportation of a Rigid Load by Multiple Quadrotors using Formation Control of Multi-Agent Systems
Nowadays, due to some problems such as the presence of heavy traffic or dangerous and impassable places, aerial traortation of objects through helicopters, airplanes, and UAVs has been one of the most important research areas. Among aerial vehicles, quadrotors have attracted more attention, because of their low applications costs and safety for human pilot (due to remote control). However, carrying a payload with quadrotors has some limitations like constrained the capacity of quadrotors for traortation of a payload. Researchers try to eliminate these limitations. One of the solutions is applying multi-agent systems which helps several quadrotors can move coordinately. In this thesis, a novel and complete dynamic model is proposed for aerial traortation of a rigid body with arbitrary number of quadrotors. This model not only consider the load as a rigid body but also consider the mass, flexibility, and tension of cables which are connected to different points of the load. The cable is modeled as successive masses, springs, and dampers. First, according to the kinematic, kinetic and potential energies are derived and then the motion equations of the system are determined through the Euler-Lagrange method. The proposed controller contains three parts; navigation control, formation control and attitude control part. The first part is navigation control that obtains the position and velocity of an imaginary leader based on the position and velocity of payload and their error. The second part is formation control which avoids collision of quadrotors and reduces the swing of the load. Here, the dynamics of quadrotors as agents can be represented as a double integrator. Then based on this dynamic, a sliding mode controller is designed to maintain the formation. In addition, the desired attitudes and the thrust forces of quadrotors are created. The determined attitudes are used as the desired attitudes in the attitude controller to provide appropriate control input for regulating quadrotors angles; indeed, the third part guarantees the stability of each quadrotor. The previous works did not design a controller for aerial traortation of 6 DOF load, however in this thesis, the proposed control system enable us to do this. Finally, the proposed modeling and control scheme for the traorting a 6 DOF body using a team of quadrotors is confirmed through simulation for a homogeneous and a nonhomogeneous body. The results reveal that although quadrotors are in different initial conditions, after a while, they get the desired formation and by keeping it during trajectory tracking, they carry the load successfully to the desired location with appropriate velocity. Keywords: Quadrotors, Swing load traortation, Euler-Lagrange, Flexible cable, Multi-agent systems, Formation control, Sliding mode control, Attitude control
امروزه به دلیل وجود مشکلاتی از قبیل وجود ترافیک، صعب العبور و خطرناک بودن مناطق، انتقال هوایی تجهیزات توسط بالگردها، هواپیماها و پرنده های بدون سرنشین، تبدیل به یکی از مهم ترین زمینه های تحقیقاتی شده است. در این بین کوادروتورها بنا به دلایلی مانند هزینه های کم نسبت کاربردهای آن و حفظ جان خلبانان با کنترل از راه دور، بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. اما حمل و نقل توسط کوادروتورها چالش هایی مانند داشتن محدودیت وزنی باعث شده محققان به دنبال راه های برای برطرف کردن آنها باشند. یکی از راه حل ها استفاده از سیستم های چندعاملی می باشد که می تواند یک سیستم متشکل از چند پرنده بدون سرنشین را هماهنگ با یکدیگر حرکت بدهد. در این پایان نامه ابتدا مدل جدیدی برای حمل بار توسط چند کوادروتور ارائه می شود. در این مدل علاوه بر درنظر گرفتن جرم و الاستیک بودن کابل، بار نیز بصورت 6 درجه فرض می شود، که هرکدام از کابل ها به نقاط متفاوتی از بار متصل می شود. برای مدل سازی جرم و خاصیت الاستیک کابل از چند جرم، فنر و میراگر متوالی استفاده می نماییم. ابتدا براساس سینماتیک مسئله، انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم محاسبه می گردد و سپس معادلات دینامیکی سیستم با استفاده از روش اویلر-لاگرانژ استخراج می شود. کنترل‌کننده سیستم شامل سه بخش کنترل هدایت، کنترل آرایش و کنترل حالت است. قسمت اول کنترل هدایت است. این کنترل کننده با توجه به موقعیت و سرعت بار و میزان خطای آن ها نسبت به مقادیر مطلوب، موقعیت و سرعت رهبر مجازی گروه را محاسبه می کند. بخش دوم کنترل آرایش می باشد، که از برخورد کوادروتورها به یکدیگر جلوگیری می کند و همچنین نوسانات شدید بار را کاهش می دهد. در اینجا دینامیک کوادروتورها به عنوان عوامل گروه دو انتگرال گیر درنظر گرفته می شود و طبق این معادلات دینامیکی یک کنترل کننده مدلغزشی به منظور حفظ آرایش گروه طراحی می گردد. همچنین زوایای مطلوب و نیروهای بالابرنده کوادروتورها نیز در این بخش طراحی می شوند. زوایای به دست آمده، در بخش کنترل حالت به عنوان زوایای مورد نظر هر کوادرتور استفاده می شوند، تا ورودی کنترلی مناسب برای کنترل زوایای کوادروتور را تولید کنند؛ در واقع در بخش سوم کنترل کننده پایداری حالت هر کوداروتور تضمین می شود. در کارهای قبلی تاکنون برای حمل بار 6 درجه آزادی غیرخطی کنترل کننده ای طراحی نشده است، اما در این پایان نامه کنترل کننده ی طراحی شده می تواند برای حمل بار 6 درجه آزادی غیرخطی استفاده می گردد. درانتها، سیستم طراحی شده برای حمل بار های متقارن و نامتقارن شبیه سازی می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که، اگرچه کوادروتورها از شرایط اولیه نامتقارن شروع به حرکت می کنند، اما پس از مدتی به آرایش مطلوب رسیده و با حفظ آن در طی مسیر حرکت، بار را به مکان مطلوب با سرعت مناسب انتقال می دهند. کلمات کلیدی: کوادروتور، حمل بار آویزان، اویلر-لاگرانژ، کابل انعطاف پذیر، سیستم های چندعاملی، کنترل آرایش، کنترل مدلغزشی، کنترل حالت

ارتقاء امنیت وب با وف بومی