سامانه هدایت و کنترل رفتار- محور ربات پرنده جهت تعقیب راهبر

زیبایی, احسان; امیری آتشگاه, محمد علی; محمدیان افتح, نفیسه

سامانه هدایت و کنترل رفتار- محور ربات پرنده جهت تعقیب راهبر

نویسندگان

¹ دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران

² کارگر شمالی، دانشکده علوم و فنون نوین

چکیده

امروزه، با پیشرفت فناوری، امکان بهکارگیری رباتهای پرنده چهارپره در ماموریتهای درونشهری همچون تحویل کالا، پایش، جستجو و نجات فراهم شده است. یک سامانه هدایت و کنترل با اطمینانپذیری بالا باعث ارتقا دامنه عملیاتی و اطمینانپذیری و رعایت بهتر قیود ایمنی و مخابراتی می‌گردد. در این پژوهش، یک سامانه ترکیبی هدایت- کنترل رفتار- محور جهت تعقیب ربات راهبر برای یک ربات چهارپره ارائه میشود. در طراحی سامانه کنترل به قابل پیادهسازی بودن توجه ویژه شده است. علاوه بر این سامانه کنترل با بررسی محدودیتهای دینامیکی از جمله کمعملگر بودن، طراحی شده تا بتواند تعقیب مسیر در فضای سه‌بعدی را ممکن سازد. همچنین سامانه هدایت بر مبنا رویکرد رفتار محور ارائه شده است. شبیهسازی صورتگرفته در شرایط وجود نامعینی و عدم ایدهآلنگری در سامانه، نشاندهنده عملکرد خوب سامانه هدایت و کنترل پرواز، در هر دو رویکرد کنترلی خطی و غیرخطی با وارون‌سازی دینامیکی در اجرای ماموریت میباشد. با انجام این پژوهش، زمینه برای اعمال الگوریتم اجتناب از مانع و پرواز گروهی با رویکرد رفتارمحور در آینده فراهم شده است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455323.1398.15.1.2.9

عنوان مقاله [English]

Behavioral Guidance and Control of a Flying Robot for Leader-Follower Concept

نویسندگان [English]

E Z ¹
n r ¹

چکیده [English]

Recent progress in the aerial robots’ technology facilitates these platforms to incorporate in complex missions such as delivering, search and rescue, and surveillance over urban environments. An accurate control and guidance system is necessary to broaden the mission domain, increase the reliability of robots, and enhance compliance with safety and communicative constraints. In this research, a hybrid flight controller besides a Guidance system is proposed for a quadrotor aerial robot which contains separate guidance and control modules. Realization and implementation capacity of the generated control law is particularly considered in the design of control system. Furthermore, in the design of the control system, dynamical limitations of quadrotor specially underactuated-ness are considered in order to enable the quadrotor to track a three-dimensional trajectory. Guidance subsystem is designed based on a behavioral algorithm, which produces a trajectory based on leader-follower concept for both linear and nonlinear dynamic inversion controllers. The simulation results exhibit the potency of the presented method for further researches on obstacle avoidance and formation flights.

کلیدواژه‌ها [English]

Guidance and Control
Behavioral Guidance
Nonlinear Control
Quad-Copter

مراجع

Bouabdallah, S., Noth, A., and Siegwart, R. “PID vs LQ Control Techniques Applied to an Indoor Micro Quadrotor”; In Intelligent Robots and Systems, IEEE/RSJ International Conference on, Sendai, Japan, 2004.##
How, J.P., Behihke, B., Frank, A., Dale, D., and Vian, J. “Real-Time Indoor Autonomous Vehicle Test Environment.”, IEEE control systems, Vol. 28, No. 2, pp. 51- 64, 2008.##
Cowling, I. “Towards Autonomy of a Quadrotor UAV.“, PhD Dissertation, Cranfield University, 2008.##
Chen, M. and Huzmezan, M. “A Combined MBPC/2DOF H Infinity Controller for a Quadrotor UAV.”; In AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Texas, USA, 2003.##
Milhim, A., Zhang, Y., and Rabbath, C.A. “Gain Scheduling Based PID Controller for Fault Tolerant Control of Quadrotor UAV.”; In AIAA infotech@ Aerospace, Atlanta, USA, 2010.##
Michael, N., Mellinger, D., Lindsey, Q., and Kumar, V. “The Grasp Multiple Micro-UAV Testbed.”, IEEE Robotics & Automation Magazine, Vol. 17, No. 3, pp. 56-65, 2010.##
Kendoul, F., Yu, Z. and Nonami, K. “Guidance and Nonlinear Control System for Autonomous Flight of Minirotorcraft Unmanned Aerial Vehicles.”, Journal of Field Robotics, Vol. 27, No. 3, pp. 311-334, 2010.##

Bouabdallah, S. and Siegwart, R. “Full Control of a Quadrotor.”; IEEE/RSJ international conference on Intelligent robots and systems, IROS, San Diego, USA, 2007.##
Xu, R. and Ozguner, U. “Sliding Mode Control of a Quadrotor Helicopter.”; IEEE Conference on Decision and Control, 45th, pp. 4957-4962., 2006.##
Babaei, A.R. and Mortazavi, M. “Fuzzy Altitude Autopilot Design for Unmanned Aerial Vehicles.”, Aerospace Mechanics Journal (Dynamics, Vibrations and Control), Vol. 6, No. 3, pp. 1–10, 2010.##
Santos, M., Lopez, V., and Morata, F. “Intelligent Fuzzy Controller of a Quadrotor.”; International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering (ISKE), Hangzhou, China, 2010.##
Dierks, T. and Jagannathan, S. “Output Feedback Control of a Quadrotor UAV Using Neural Networks.”, IEEE transactions on neural networks, Vol. 21, No. 1, pp. 50-66, 2010.##
Hoffmann, G., Huang, H., Waslander, S., and Tomlin, C. “Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory and Experiment.”; AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, South Carolina, USA, 2007.##
Mahony, R., Kumar, V., and Corke, P. “Multirotor Aerial Vehicles.”, IEEE Robotics and Automation magazine, Vol. 20, No. 32, 2012.##
Fantoni, I., Lozano, R., and Kendoul, F. “Asymptotic Stability of Hierarchical Inner-Outer Loop-Based Flight Controllers.”, IFAC Proceedings, Vol. 41, No. 2, pp.1741-1746, 2008.##
Nagaty, A., Saeedi, S., Thibault, C., Seto, M., and Li, H. “Control and Navigation Framework for Quadrotor Helicopters.”, Journal of intelligent & robotic systems, Vol. 70, No's. 1-4, pp. 1-12, 2013.##
Bouabdallah, S. “Design and Control of Quadrotors With Application to Autonomous Flying.”, PhD Dissertation, EPFL University, Swiss, 2007.##
Paul, T., Krogstad, T.R., and Gravdahl, J.T. “Modelling of UAV Formation Flight Using 3D Potential Field.”, Simulation Modelling Practice and Theory, Vol. 16, No. 9, pp. 1453-1462, 2008.##
Elhami, M. and Sadatrasoul, S. “Simulation and Optimization of Integrated Guidance and Control System in Small Aircrafts”, Aerospace Mechanics Journal (Dynamics, Vibrations and Control), Vol. 12, No. 1, pp. 13-19, 2016.##