تعقيب مسير كوادروتور جهت عبور از موانع با استفاده از كنترلر و مشاهده گر حالت لغزشي با پيچش فوق العاده

Trajectory Tracking of a Quadrotor for Obstacle Avoidance Using Super-Twisting Sliding Mode Controller and Observer

كنترل حالت لغزشي يكي از متداول ترين انواع روش هاي كنترل مقاوم است كه قابليت جبران عدم قطعيت در مدل و پارامترهاي يك سيستم را دارا مي باشد؛ اما مهمترين عيب اين روش وجود پديده چترينگ يا نوسان ورودي كنترلي است. اگر چه با تعريف يك لايه مرزي در اطراف سطح لغزش مي توان از نوسان ورودي كنترلي جلوگيري نمود اما از طرفي ديگر اين امر سبب كاهش قوام اين كنترلر در برابر عدم قطعيت ها خواهد شد. به همين منظور نسل جديدي از كنترلرهاي حالت لغزشي با مرتبه بالاتر مانند كنترل حالت لغزشي با پيچش فوق العاده پيشنهاد مي شوند كه قانون كنترل آنها ذاتا و بدون تعريف لايه مرزي سعي در كاهش پديده چترينگ دارد؛ درحالي كه قوام كنترل هاي حالت لغزشي سنتي را حفظ مي كند. در اين مقاله ابتدا با استفاده از الگوريتم بهينه سازي كرم شب تاب و توابع چندجمله اي، مسير پروازي كوادروتور در محيطي با موانع معين و ثابت طراحي شده و سپس به منظور تعقيب مسير پروازي در حضور عدم قطعيت در پارامترها و ساختار مدل، كنترلر حالت لغزشي با پيچش فوق العاده طراحي خواهد شد و عملكرد اين كنترلر با روش هاي فيدبك خطي ساز و حالت لغزشي سنتي مورد مقايسه قرار مي گيرد. همچنين در طول روند پايدارسازي و كنترل، به منظور محاسبه مشتقات برخي از حالت ها و متغيرهاي سيستم كه امكان محاسبه آنها از طريق سنسورها وجود ندارد، از مشاهده گر و مشتق گير بر پايه كنترل حالت لغزشي با پيچش فوق العاده استفاده مي شود.

Sliding mode control is one of the most common types of robust control that can compensate the model structure and parametric uncertainties, but the main disadvantage of this method is chattering phenomenon .Although a boundary layer around the sliding surface can eliminate chattering effect, it reduces tracking performance and robustness in control. The second generation of sliding mode control called Second Order Sliding Mode (SOSM) is a solution to this problem. Super-Twisting Sliding Mode (STSM) is a modified SOSM control that reduces chattering effect naturally and without a defined boundary layer, while maintaining the robustness of the Conventional Sliding Mode (CSM) control. In this paper, the problem trajectory planning is solved in an environment with fixed obstacles by using firefly optimization algorithm and polynomial trajectories, then STSM control is designed for quadrotor in the presence of uncertainties to tracking path trajectory and the performance of this controller is compared against Feedback Linearization (FL) and CSM control. Also, derivative of some of the states is calculated by using super-twisting observer in the closed loop control and stabilization while there is no direct access to them through the sensors.