كنترل چند جسمي ميكرو پرنده‌هاي بال‌ زن

A Multi-body Control Approach for Flapping Wing Micro Aerial Vehicles

ميكرو پرنده بال‌زن يك ديناميك چند پيكره متناوب است كه تحت تاثير آيروديناميك ناپايا قرار دارد. اين ويژگي‌ها كنترل وسيله پرنده را دشوار مي‌كند. صرفنظر كردن از لختي بال، ميانگين‌گيري از ديناميك بدنه و استفاده از مدل آيروديناميك ساده، فرضيات ساده‌شونده‌اي است كه در روش‌هاي كنترل بر مبناي مدل مورد استفاده قرار مي‌گيرد، اگرچه كنترل دقيق وسيله پرنده با اين ملاحظات دشوار است. جهت غلبه بر اين مشكلات يك رويكرد كنترل چند جسمي بر اساس روش كنترل تطبيقي مدل آزاد با ساختار متغير ارائه شده‌است. اين روش اولين چارچوب‌ ارائه شده براي كنترل پرنده بال‌زن است كه ماهيت چندجسمي، غيرخطي و متغير با زمان بودن آن را در كنار مشخصات آيروديناميكي اصلي آن به شكل يكپارچه در نظر ميگيرد و فرايند كنترل را انجام مي­دهد. اين روش يك روش داده محور از جنس ورودي-خروجي است در حاليكه شامل هيچ اطلاعات صريحي از مدل پرنده نيست. در اين رويكرد ابتدا به كمك مفهوم جديدي به نام مشتق شبه جزئي، ديناميك غيرخطي پرنده بال‌زن به يك ديناميك خطي معادل تبديل مي‌شود، و بعد از تخمين آن قانون كنترل تطبيقي مدل آزاد بر اساس معيار بهينه طراحي مي‌شود. سپس كنترل‌كننده با افزودن يك جمله كنترلي ساختار متغير از نوع مود لغزشي تقويت شده‌است تا پايداري و همچنين افزايش سرعت همگرايي را تضمين كند. در نهايت نتايج شبيه‌سازي كارايي روش ارائه شده را جهت كنترل چند جسمي مسير پرنده بال‌زن با ديناميك متغير با زمان متناوب تاييد مي‌كند.

Flapping wing micro aerial vehicle (FWMAV) has a multi-body and periodic dynamics, which is influenced by unsteady aerodynamics. These features make it more difficult to control. Ignoring of the wing inertia, dynamics averaging, and using a simple aerodynamic model are the simplifying assumptions for conventional model-based control, although they may result in inaccurate control. To overcome these difficulties, a multi-body control is proposed based on a model-free adaptive variable structure control (MFAVSC) approach. This is one of the first frameworks for multi-body control of FWMAV. This is the first proposed method for the FWMAV control, which considers multi-body, nonlinear and time-varying dynamics as well as main aerodynamic characteristics in an integrated framework. MFAVSC takes advantage of input/output data, while not including any explicit model information. At first, the nonlinear FWMAV dynamics is transformed into an equivalent dynamic linearization description with a concept called pseudo-partial derivative (PPD). After estimating the PPD matrix, model-free adaptive control law is designed based on the optimal criteria. Then, it is augmented by a variable structure control term to guarantee the stability, as well as speeding up its convergence. Finally, simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme to trajectory control of the FWMAV.