مدل سازي ديناميكي، شبيه سازي كنترل كوادروتور با استفاده از كنترل كننده هاي فيدبك خطي سازي و PID بر پايه داده هاي آزمايشگاهي سنسورهاي MEMS

Dynamic modeling, simulation and control of a quadrotor using feedback linearization and PID controller based on MEMS sensors’ experimental data

هدف از اين مقاله مدلسازي و كنترل زاويه Roll و Pitch يك كوادروتور بر اساس تخمين وضعيت بدست آمده از سنسورهاي ممز مي‌باشد. از همين رو بعداز استخراج معادلات ديناميك كوادروتور با اعمال كنترل كننده هاي تناسبي- انتگرالي- مشتقي و خطي سازي فيدبك به برسي نتايج وضعيت زاويه اي كوادروتور پرداخته شده است. به جهت كاربرد گسترده ي سنسورهاي MEMS در بحث اندازه گيري وضعيت سيستم هاي مختلف و همچنين تطابق نتايج حاصل از شبيه سازي ‌هاي كوادروتور با واقعيت بيروني در اين مقاله از داده هاي اين نوع سنسورها در شبيه سازي كنترل كننده ها استفاده شده است. با توجه به خطاهاي ذاتي سنسورهاي MEMS، تاثير پذيري آن‌ها از ارتعاشات بدنه و موتورها و نويزي بودن اطلاعات خروجي آن‌ها از فيلتر كالمن براي تخمين زوايا به طور مستقيم و سرعت هاي زاويه اي به طور غيرمستقيم بهره گرفته شد. از آنجاييكه يكي از اهداف اين مقاله استفاده از نتايج آن در عملياتي كردن كنترل يك كوادروتور مي‌باشد از مدل موتور براي تعيين سيگنال-هاي كنترلي PWM نيز استفاده شده و اين سيگنال‌هاي كنترلي در هر دو نوع كنترلر بررسي گرديد. نتايج حاصل از شبيه سازي مدل كوادروتور در نرم افزار سيمولينك نشان از عملكرد مطلوب هر دو كنترل كننده در كنترل زواياي Roll و Pitch دارد.

The purpose of this article is dynamic modeling of a quadrotor and control of its Roll and Pitch angles based on the experimentally measured sensors data. So, after driving nonlinear model of quadrotor equations, the control of the quadrotor’s angular situation was simulated using PID and feedback linearization algorithms. Due to the widespread application of MEMS sensors in measuring the status of various systems and to have a more realistic simulation, sensors data was measured and used in simulation of controllers. Due to errors of MEMS sensors, vibration of motors and airframe, and noise on outputs, Kalman filter was used for estimation of angular situation. As one of the purposes of this paper was the use of its results in actual control of a quadrotor, motor model was used to determine PWM control signals. The results obtained from simulation in Simulink showed good performance of both controllers in controlling roll and pitch angles.