كنترل به روش خطي سازي پسخورد و گام به عقب براي يك عمودپرواز پنج- ملخه با پيكربندي جديد

Feedback Linearization and BackStepping controller aimed at position tracking for a novel five-rotor UAV

امروزه كوادروتورها به دليل ساختار مكانيكي ساده و قابليت مانوردهي بالا، يكي از پراستفاده ترين پرنده هاي بدون سرنشين هستند ولي به دليل ظرفيت حمل بار پايين، در برخي كاربردهاي عملياتي با محدوديت مواجه مي باشند. در اين مقاله يك عمودپرواز بدون سرنشين با پيكربندي جديد بطور كامل مدلسازي و دو سيستم كنترل غيرخطي با هدف تعقيب مسير ارايه شده است. در مدل پيشنهادي كه داراي نوآوري بوده با اضافه شدن يك ملخ به مركز كوادروتور، ظرفيت حمل بار و پايداري حلقه باز آن بهبود يافته است. مدلسازي ديناميكي پرنده به روش نيوتن- اويلر انجام شده و معادلات بدست آمده غيرخطي، زيرتحريك، جفت شده و به شدت ناپايدار مي باشند، لذا براي حركت پرنده بطور دلخواه، بايستي سيستم كنترلي مناسب طراحي گردد. دو نوع كنترل كننده براي پرنده ارايه شده است، يكي به روش خطي سازي پسخورد ورودي- خروجي كه شامل مشتق گيري مرتبه بالاي خروجي بوده و نسبت به ديناميك هاي مدل نشده و نويز حسگرها حساس مي باشد و ديگري به روش گام به عقب و با استفاده از رويكرد كنترل آبشاري كه براي ويژگي زيرتحريك بودن پرنده مناسب بوده و داراي حجم محاسبات پاييني مي باشد. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه سيستم كنترلي طراحي شده به روش گام به عقب عملكرد مطلوبي در پايدارسازي پرنده و تعقيب مسير مرجع داشته و در برابر ديناميك هاي مدل نشده و اغتشاش مقاوم مي باشد.

Simple structure and high maneuverability of quadrotors have made them one of the most preferable types of UAVs (Unmanned Aerial Vehicle). However, the main problem is their small payload capacity. In this paper, a novel five-rotor UAV is introduced. Dynamical model of UAV and two nonlinear controllers for trajectory tracking are developed. In the proposed UAV structure an extra propeller is added to the center of vehicle to improve the ability of lifting heavier payloads and open loop stability of quadrotor. The dynamic model is obtained via Newton Euler approach. The model is under actuated, nonlinear, unstable, and has strongly coupled terms. In order to have trajectory tracking two types of nonlinear controllers are designed for the UAV. First controller is designed based on input-output feedback linearization method. This controller involves high-order derivative terms and turns out to be quite sensitive to noises and modeling uncertainty. Second controller is a back-stepping controller based on the hierarchical control strategy that yields lower computational expense. Simulation results confirm acceptable performance of back stepping controller stability, position tracking, and robustness in presence of external disturbance.