مدل سازي و كنترل غيرخطي يك عمودپرواز بدون سرنشين با ساختار جديد

Modeling and nonlinear tracking control of a novel multi-rotor UAV

در اين مقاله يك عمود پرواز بدون سرنشين با پيكربندي جديد شامل پنج روتور بطور كامل مدل سازي و يك سيستم كنترلي تعقيب مسير، براي آن طراحي و شبيه سازي شده است. عمودپرواز مشابه كوادروتور بوده، با اين تفاوت كه يك ملخ با دور ثابت و قابليت ايجاد نيروي تراست بالا، به مركز آن اضافه گرديده است. ملخ اضافه شده مشكل پايين بودن ظرفيت بار مفيد كوادروتور را برطرف نموده و همچنين باعث افزايش پايداري آن در برابر بادهاي عرضي مي شود. ساختار پيشنهادي كاملاً داراي نوآوري است. به منظور اعتبار سنجي، مدل سازي ديناميكي سيستم هم به روش نيوتن- اويلر و هم به روش لاگرانژ انجام شده است. معادلات بدست آمده غيرخطي، زير تحريك، جفت شده و به شدت ناپايدار مي باشند، لذا براي حركت پرنده بطور دلخواه، بايستي سيستم كنترلي مناسب طراحي شود. در اين مقاله روش فيدبك خطي ساز ورودي- خروجي با در نظر گرفتن مدل دقيق به كار رفته و براي سيستم خطي شده نيز از كنترل كننده بهينه تنظيم كننده خطي مرتبه دو استفاده مي گردد. كنترل كننده شامل مشتق گيري مرتبه بالا بوده و نسبت به ديناميك هاي مدل نشده حساس است بنابراين نمي توان از تاثير عملگرها در مدل صرف نظر كرد. از طرفي اضافه كردن ديناميك عملگرها به ديناميك سيستم باعث افزايش پيچيدگي طراحي و پياده‌سازي سيستم كنترلي مي شود. لذا به منظور جبران ديناميك عملگرها از يك كنترل كننده ثانويه استفاده شده است. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه سيستم كنترلي طراحي شده عملكرد مناسبي در پايدارسازي، تعقيب مسير مطلوب و كاهش اثر اغتشاش دارد.

In this paper, modeling and design of a trajectory tracking control system for a novel multi-rotor UAV (Unmanned Aerial Vehicle) is developed. The UAV is similar to a quadrotor with an extra no feedback propeller which is added to center of vehicle. The additional rotor improves the ability of lifting heavier payloads, and anti-crosswind capability for quadrotor. For validation, the dynamic model is obtained via both Newton Euler and Lagrange approaches. The dynamical model is under actuated, nonlinear, and has strongly coupled terms. Therefore, an appropriate control system is necessary to achieve desired performance. The proposed nonlinear controller of this paper is an input-output feedback linearization companioned with an optimal LQR controller for the linearized system. The controller involves high-order derivative terms and turns out to be quite sensitive to un-modeled dynamics. Therefore, precise model of UAV is derived by considering actuator’s dynamics. To compensate the actuator’s dynamic and moreover, to avoid complexity in the controller, a second control loop is utilized. The obtained simulation results confirm that the proposed control system has a promising performance in terms of stabilization and position tracking even in presence of external disturbances