كنترل تعقيب مسير كوادروتورها در حضور موانع بر مبناي روش ميدان پتانسيل

Tracking control of quadrotors in the presence of obstacles based on potential field method

در اين مقاله، با معرفي يك كنترلر تركيبي مقاوم به همراه يك واحد اجتناب از موانع مبتني بر توابع پتانسيل به كنترل تعقيب مسير كوادروتور در حضور موانع پرداخته شده است. كوادروتورها، سيستم‌هايي كم‌‌عملگر بوده و طراحي كنترلر تعقيب مسير مقاوم براي آن‌‌ها به يكي از پرچالش‌‌ترين مباحث در پژوهش‌‌هاي اخير تبديل شده است. در ابتدا مدلسازي ديناميكي كوادروتور با استفاده از روش نيوتن-اويلر و با در نظر گرفتن تمامي ترم‌‌هاي غيرخطي آن در نظر گرفته شده و در ادامه، فضاي حالت سيستم به دست آمده است. سپس يك روش كنترلي با الهام از الگوريتم‌‌هاي كنترل خطي براي كنترل حلقه‌‌ي بيروني طراحي شده و براي كنترل حلقه‌‌ي داخلي كنترلر، روش كنترلي پسگام ارائه شده است. تركيب اين دو روش كنترلي به نحوي صورت گرفته كه سيستم بهترين عملكرد را در تعقيب مسيرهاي دلخواه از نظر همگرايي به مسير مرجع حركت، خطاي حالت ماندگار كمينه و ديگر مشخصات پاسخ گذراي سيستم داشته باشد. در ادامه يك واحد اجتناب از موانع مبتني بر توابع پتانسيل طراحي شده كه با ايجاد نيروي دافعه بين سيستم و موانع از تصادم كوادروتور جلوگيري مي‌‌كند. در انتها دو آزمايش رديابي مسير دايره‌‌اي و زيني شكل براي يك كوادروتور در حضور موانع در نظر گرفته شده است و نتايج حاصله، عملكرد مقاوم كنترلر را در تعقيب مسيرها و اجتناب از موانع نشان مي‌‌دهد.

In this paper, by introducing a robust hybrid controller using an obstacle avoidance unit based on potential functions, the trajectory tracking control of quadrotors in the presence of obstacles is discussed. Quadrotors are underactuated systems and the design of a robust tracking controller has become one of the most challenging topics in recent researches. First, dynamic modeling of a quadrotor is considered using the Newton-Euler method by considering the nonlinear terms. In the following, the system state space is represented. Then, a control method based on linear control algorithms is designed to control the outer loop and for the inner loop of the controller, the backstepping method is presented. The combination of the control methods is designed to obtain the best performance of the system in terms of convergence to the reference path, minimum steady-state errors, and transient response specifications of the system. In the following, an obstacle avoidance unit based on potential functions is designed to prevent the collision of the quadrotor with obstacles by creating a repulsive force between the system and the obstacles. Finally, trajectory tracking case studies are considered for a quadrotor in the presence of obstacles. Obtained results show the robust performance of the controller in tracking the trajectories and avoiding obstacles.