Μη γραμμικός αυτόματος έλεγχος για μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα με τη μέθοδο backstepping
Nonlinear automatic control for unmanned aerial vehicles using backstepping
Λέξεις-κλειδιά
Αλγόριθμοι ; PID controller ; LQR controller ; Backstepping ; Θεώρημα Lyapunov ; Μη γραμμικά συστήματα ; Μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα ; Παρακολούθηση πηγαίας τροχιάς ; Τετρακόπτερο ; Unmanned aerial vehicle ; Quadcopter ; Algorithm ; Nonlinear systems ; Linear–quadratic regulator ; Trajectory trackingΠερίληψη
Στην εργασία αυτή μελετήθηκε το πρόβλημα παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς για το μη γραμμικό σύστημα του τετρακόπτερου χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους ελέγχου. Ο έλεγχος ενός τετρακόπτερου αποτελεί ένα δύσκολο πρόβλημα καθώς η δυναμική του συμπεριφορά, η οποία σε αυτή την εργασία εξάγεται μέσω των εξισώσεων Newton Euler παρουσιάζει μη γραμμικούς και ισχυρά συζευγμένους όρους πολλαπλών εισόδων - εξόδων. Ο έλεγχος του τετρακόπτερου υλοποιήθηκε με την μέθοδο backstepping. Η μέθοδος backstepping ανήκει στην κατηγορία των μη γραμμικών μεθόδων ελέγχου. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη διαμόρφωση δύο μη γραμμικών μεθοδολογιών ελέγχου που χρησιμοποιούν τη μέθοδο backstepping για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς για το εξεταζόμενο σύστημα, έχοντας παράλληλα εξασφαλίστει και η θεωρητική ευστάθεια για τα σήματα ελέγχου. Ο πρώτος ελεγκτής backstepping που υλοποιείται αντιμετωπίζει το πρόβλημα παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς για το σύστημα του τετρακόπτερου, ενώ ο δεύτερος εκτελεί παρακολούθηση πηγαίας τροχιάς υπό διαταραχές. Οι διαταραχές υπό μελέτη είναι μικρού και μεγάλου πλάτους. Σε ένα σενάριο είναι γνωστές στον ελεγκτή ενώ σε άλλο σενάριο είναι άγνωστες στον ελεγκτή. Επιπλέον υλοποιήθηκε και ένας ελεγκτής LQR για την παρακολούθηση πηγαίας τροχιάς για το σύστημα του τετρακόπτερου. Ο LQR είναι γραμμική μέθοδος ελέγχου και υλοποιήθηκε για σύγκριση με την μη γραμμική μέθοδο backstepping. Επιπρόσθετα υλοποιήθηκε και ένας ελεγκτής PID για τον έλεγχο της στάσης και του ύψους του τετρακόπτερου.
Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις στο Matlab και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την αποδοτικότητα της αναπτυσσόμενης μεθοδολογίας.
Περίληψη
In this thesis the trajectory tracking problem for the nonlinear quadcopter system was studied using various control methods. The control of a quadcopter is a difficult problem due to it’s dynamic behavior, which in this paper is established using Newton Euler formalism equations. The quadcopter is a multiple input – output system with strongly coupled terms. Due to the nonlinear dynamical model the control of the quadcopter is a difficult problem. The control of the quadcopter was inplemented using the backstepping method that is a nonlinear method. Emphasis was given to the formulation of two nonlinear control methods using the backstepping method to address the trajectory tracking problem for the system under consideration while ensuring the theoretical stability of the control signals. The first backstepping controller implemented addresses the quadcopter trajectory tracking problem while the second one performs trajectory tracking under disturbances. The disturbances under consideration are of small and large amplitude. In a scenario the disturbances are known to the controller while in another scenario the disturbances are unknown to the controller. Additionally an LQR controller was implemented to control the trajectory tracking for the quadcopter system. The LQR is a linear control methodology and it was implemented to compare it with the backstepping method. Moreover a PID controller was implemented to control the attitude and the height of the controller. Simulations were carried out in Matlab and the results confirm the efficiency of the methodology.
Αριθμός σελίδων
82Σχολή
Σχολή ΜηχανικώνΑκαδημαϊκό Τμήμα
Τμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών ΜηχανικώνΓλώσσα
ΕλληνικάΣυλλογή
Εκτός από όπου επισημαίνεται κάτι διαφορετικό, το τεκμήριο διανέμεται με την ακόλουθη άδεια:
Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές
Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές