فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد(قابل ویرایش+ و تایپ کامل فرمول ها) مقاله به همراه فایل پی دی اف به تعداد ۱۶صفحه است

مشخصات نویسندگان مقاله بهبود کنترل و پایداری کواد کپتر با روش فازی
محمدصادق دیدگاه – دانشجوی کارشناسی ارشد گروه برق، دانشگاه شهاب قم (غیرانتفاعی)
محمد مردانی – استادیار، گروه برق، دانشگاه شهاب قم (غیرانتفاعی)

بهبود کنترل و پایداری کواد کپتر با روش فازی

چکیده

در این مقاله، از یک مدل پویا غیرخطی از یک نوع هواپیمای بدون سرنشین Quadrotor با استفاده از فرمالیتم نیوتن-اویلر، که به‌طور گسترده درگذشته مورداستفاده قرارگرفته است، استفاده‌ شده است. تمام نیروها و لحظات آئرودینامیکی UAV Quadrotor مورد مطالعه در یک قاب استوانه‌ای مورد بررسی قرارگرفته‌اند. سپس یک مدل دینامیک پایه‌ای برای طراحی یک کنترل‌کننده LQG  به همراه یک سیستم فازی برای تثبیت ارتفاع  rotorcraft استفاده‌شده است. طراحی پارامترهای رویکرد کنترل LQG  با ضرایب فازی  پیشنهادی، یعنی ماتریس وزن R و Q  فازی به اثربخشی چندین فرآیند خطا انجام می‌شود. درنهایت، نتایج شبیه‌سازی در محیط MATLAB / Simulink به دست می‌آید تا اثربخشی رویکرد تثبیت نسبی پیشنهادشده را نشان دهد.

۱- مقدمه

مدل اولیه آزمایشی یک Multiroter  در سال ۱۹۰۷ توسط دو برادر فرانسوی بنام Jacques and Louis Breguet ‫ در پروژه‌ای بنام Quadcopter ساخته و تست شد، هرچند آن‌ها نتوانستند پرنده خود را در آسمان نگه‌دارند ولی موفق به پرواز ثابت شدند. بعدازآن ساخت بالگرد چهار پروانه‌ای به سال ۱۹۲۰ میلادی برمی‌گردد. در سال۱۹۲۰ یک مهندس فرانسوی بنام etienne oehmichen اولین بالگرد چهارپره که از روش تنظیم X بهره می‌جست را اختراع نمود و مسافت ۳۶۰ متر را با کوادکوپتر خود پرواز کرد و سپس در همان سال او مسافت یک کیلومتر را در مدت هفت دقیقه و چهل ثانیه پرواز کرد.

در حدود سال ۱۹۲۲ در آمریکا Dr George de Btheza موفق به ساخت و تست تعدادی Quadcopter برای ارتش شد که قابلیت کنترل و حرکت در سه بعد را دارا بود، ولی پرواز با آن بسیار سخت بود. ‫ در سال ۱۹۵۶ مدل دیگری توسط Convertewings طراحی شد و در سال ۱۹۵۸ مدل Curtis-Wright VZ-7 توسط کمپانی Curtis- Wright طراحی شد. در سال‌های اخیر توجه مراکز دانشگاهی به طراحی و ساخت پهپادهای چهارپره جلب شده است و مدل‌های مختلفی در دانشگاه استانفورد و کورنل ساخته ‌شده است و به ‌تدریج رواج یافته است.  از حدود سال ۲۰۰۶ کواد کوپترها شروع به رشد صنعتی به‌صورت وسایل پرنده بدون سرنشین نمودند. امروزه مالتی روتورها به‌ویژه مدل‌های چهارپره که به کواد کوپتر شهرت دارند یکی از پرکاربردترین وسایل پرنده بدون سرنشین می‌باشند؛ که به‌عنوان‌مثال می‌توان به کاربردهای گسترده تصویربرداری هوایی، نقشه‌برداری، جاسوسی، تفریحی و … اشاره نمود. با گسترده‌تر شدن روزافزون جلوه‌های بصری در تبلیغات و فیلم‌های سینمایی و تلویزیونی، استفاده از وسایل پرنده و تصویربرداری هوایی بیش‌ازپیش موردتوجه قرارگرفته است.

برخی از پژوهش‌های دیگر که در این زمینه صورت گرفته است به شرح زیر می‌باشد:

درسال ۲۰۰۹  مارکوس[۱] و همکاران[۳]   در مقاله خود یک سیستم کامل کنترلی طراحی کردند  که در آن حرکت یک کوادکوپتر به‌طور پایدار بر اساس بازخورد بصری و اندازه‌گیری سنسورهای اینرسی انجام میشد که سپس برای کنترل بهتر از سیستم تصویری یا نمایشی استفاده کردند. در سال ۲۰۱۲ این کیو[۲] و همکاران  [۴]به طراحی یک سیستم کنترلی اوپن سورس پرداختند آن‌ها در نظر داشتند که در این طراحی یک سیستم پویا و ارزان‌قیمت ارائه دهند تا در تمام شرایط و سرعت‌های حرکتی مختلف کواد کپتر کنترل شود و همچنین  این سیستم را بروی دستگاه‌های دیگر تست کردند و نتیجه موفقیت‌آمیز ازآن گرفتند.  در سال ۲۰۱۲ مهدی فتان[۳] و همکاران [۵]در مقاله خود تلاش  کردند تا یک کنترل‌کننده PID سازگار را شناسایی کنند که بتواند به‌صورت انطباقی ضرایب مناسب را برای کنترل ارتفاع کوادکپتردریافت کند. ساختار این کنترل‌کننده PID شبیه به نورون مصنوعی است که در بسیاری از شبکه‌های عصبی مصنوعی استفاده می‌شود. کنترل ارتفاع ربات توسط این کنترل‌کننده در یک مسیر سینوسی نشان داده‌شده است و همچنین از بین بردن اختلال ناگهانی توسط کنترل‌کننده PID تطبیقی عصبی نیز موردبررسی قرار گرفت. در سال ۲۰۱۳ لوکاس[۴] و همکاران [۶] در مقاله خود باهدف ارائه یک مقایسه بین کنترلر‌های مختلف در یک مدل پویا از یک نمونه پلت فرم کوادکوپتر استفاده کردند. از جمله کنترل‌کننده‌هایی که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت میتوان به موارد این موراد اشاره کرد.  یک PID تنظیم‌شده ITAE، یک کنترل‌کننده LQR کلاسیک و یک PID تنظیم‌شده با یک حلقه LQR   در سال ۲۰۱۵ جاود[۵] و همکاران [۸] در مقاله خود یک استراتژی کنترل جدید برای کنترل Quadcopter با استفاده از سیگنال‌های مغز پیشنهاد دادند. فن‌آوری مغز و کامپیوتر (BCI) با استفاده از الکتروانسفالوگرافی هیبرید – طیف‌سنجی نزدیک به مادون‌قرمز (EEG-NIRS) و دو دستور برای استفاده جهت کنترل quadcopter استفاده کردند.. نتایج نشان می‌دهد که طرح پیشنهادشده برای برنامه‌های کنترل BCI مناسب است. درسال ۲۰۱۷ ساسونگ کیم[۶] و همکاران [۲۴] یک سیستم ترکیبی برای کنترل یک کواد کپتر بدون سرنشین  ارائه دادند که کنترل پیشنهادی با آزمایش‌های پرواز با استفاده از چند روتور با بازوی چهارگانه DOF استفاده شده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد عملکرد ردیابی برتر ساختار پیشنهادی در مقایسه با کنترل پشت سر و بدون DOB. است. درسال ۲۰۱۸ اندری[۷] و همکاران[۲۲] در مقاله خود از  یک سیستم فازی مرتبه دو استفاده کردند ودر مقایسه با سیستم فازی مرتبه یک نوع گوسی توانستند نشان دهند که می‌توان با تغییر در پارامترهای فازی نوع دوم پایداری بهتری برای کوادکپتر متصور شد  و همچنین مشخص نمودند که کواد کپتر های با فازی نوع دوم عملکرد یکسان‌تری دارند و در شرایط غیر پیش‌بینی‌شده دارای پاسخ بهتری است

۲- معادلات حاکم

۲-۱ مدل‌سازی پهپاد کوادکپتر

۲-۱-۱شرح سیستم و نیروهای آیرودینامیکی

کوادکپتر یک نوع پهباد با چهار روتور است که به‌طور مستقل کنترل می‌شوند. حرکت کوادکپتر منجر به تغییر در سرعت روتور می‌شود. ساختار کوادکپتر در این مقاله متقارن فرض شده است ومرکز گرانش در کواد کپتر ثابت بوده است. سرعت چرخشی پروانه ها پایدار و  نیروهای درگ آن‌ها به مربع سرعت پروانه‌ها وابسته  است. روتور کوادکپتر موردمطالعه با قاب‌های بدنه در شکل ۱ نشان داده شده است

[۱] Markus Achtelik

[۲]  Inkyu Sa

[۳]  Mehdi Fatan

[۴]  Lucas

[۵]  Jawad Khan 

[۶] Suseong Kim

[۷] Andriy