طراحي و شبيه سازي كنترل‌كننده مود لغزشي ترمينالي پسگام غيرتكين و فيلتر كالمن توسعه‌يافته براي كوادروتور

Design and simulation of a non-singular backstepping-based terminal sliding mode control and extended Kalman filter for uncertain quadrotor system

در اين مقاله با استفاده از روش مود لغزشي ترمينالي پسگام غير تكين به كنترل پرنده بدون سرنشين (كوادروتور) پرداخته‌ شده است. در مرحله اول معادلات ديناميكي حاكم بر كوادروتور با در نظر گرفتن همه پارامترهاي مؤثر به‌دست‌ آمده‌اند. هدف كنترل‌كننده دستيابي به رديابي مناسب از موقعيت‌هاي مطلوب (x، y، z) و زاويه ياو (𝜓) و همچنين حفظ پايداري زواياي رول و پيچ به‌رغم وجود اغتشاشات خارجي محدود مي باشد. روش‌هاي كنترلي به اطلاعات كامل از حالت‌هاي سيستم نياز دارند كه در عمل ممكن است امكان استفاده از آن‌ها محدود شود. حتي اگر تمام حالات سيستم در دسترس باشد همراه نويز بوده و همچنين استفاده زياد از سنسورها براي اندازه‌گيري حالات، كل سيستم را در اجرا پيچيده و گران مي‌كند. لذا براي اين منظور از فيلتر كالمن توسعه‌يافته (EKF) به‌عنوان رؤيت گر استفاده‌شده است. فيلتر كالمن توسعه‌يافته به‌عنوان رؤيت گر سرعت و تخمين گر اغتشاشات خارجي مانند باد به كار مي‌رود به همين علت استفاده از كنترل‌كننده رؤيت گر براي تخمين اثرات اغتشاشات خارجي به‌منظور جبران آن‌ها پيشنهادشده است. روش طراحي بر پايه پايداري لياپانوف استوار است. نتايج شبيه‌سازي نشان‌دهنده عملكرد و مقاوم بودن خوب رؤيت گر كنترل‌كننده است.

In this paper, the method of non-singular backstepping terminal sliding mode (NSBSM) is used to control the motion of an unmanned aerial vehicle (quadrotor). In the first step, the dynamic equations of quadrotor will be derived by considering all of the effective parameters. The purpose of controller is to achieve proper tracking for desirable positions (x, y, z), yaw angle (ψ), and sustainability of the roll and pitch angles notwithstanding of external disturbances. In practical, due to the need for complete information about system states, the usage of controlling methods may be limited. Noise is an indispensable part even all the states of system be available. It should be noticed that usage of a large number of sensors in order to measure states, cause the whole system to be complex and expensive in practical. For this purpose, the Extended Kalman Filter (EKF) has been used as an observer. The EKF in the control structure is used as observer states of the system and noise reduction in these modes. Therefore, simultaneous use of the controller-observer is suggested for controlling and estimating quadrotor states. The design method is based on the stability of Lyapunov and also the simulation results show the good performance and robustness of the observer-controller.