Robust hovering and trajectory tracking control of a quadrotor helicopter using acceleration feedback and a novel disturbance observer
İvme geri bildirimi ve özgün bir bozucu gözlemcisi kullanarak bir quadrotor helikopterin gürbüz havada kalma ve yörünge izleme kontrolü
- Tez No: 556781
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Belirsizlikler ve dış bozucuların olduğu durumlarda döner kanatlı uçakların havada kalma ve yörünge izleme kontrolü çok zor bir iştir. Bu tez, gürültü ve parametrik belirsizliklerin yanı sıra periyodik ve aperiyodik bozuculara maruz kalan bir quadrotor helikopter için gürbüz havada kalma ve yörünge izleme kontrol algoritmalarının geliştirilmesine odaklanmaktadır. Yüksek seviye pozisyon kontrolcülerinin düşük seviye duruş kontrolcüleri için referans duruş açıları ürettiği hiyerarşik bir kontrol yapısı kullanılmaktadır. Referans duruş açıları çoğunlukla konumsal dinamikleri kontrol eden pozisyon komut sinyallerinden analitik olarak belirlenmektedir. Bununla birlikte, bu tür analitik formüller, sınırlandırılmayı ve alçak iletimli filtrelenmeyi gerektiren büyük ve pürüzsüz olmayan referans açıları üretebilir. Bu tezde, istenen duruş açıları, belirli büyüklük ve oran kısıtlamalarının uygulandığı kısıtlı doğrusal olmayan optimizasyon kullanılarak sayısal olarak belirlenmektedir. Ayrıca, bir ivmelenmeye dayalı bozucu gözlemcisi (AbDOB), quadrotorun konumsal dinamikleri üzerine etki eden bozucuları tahmin etmek ve bastırmak için tasarlanmıştır. Duruş kontrolü için, dış bozuculara karşı yüksek sertlik sağlamak üzere PID ve PI tipi kontrolcülerden oluşan iç içe konum, hız ve iç ivme geri besleme kontrol yapısı geliştirilmiştir. Güvenilir açısal ivmelenme, ardarda bağlanmış genişletil-miş bir Kalman filtresi (EKF) ile klasik bir Kalman filtresi (KF) üzerinden tahmin edilmektedir. Bu tez ayrıca, klasik bir bozucu gözlemcisinin alçak iletimli filtresine paralel bağlan-mış bir bant iletimli filtre bankasından oluşan yeni bir bozucu gözlemcisi önermekte-dir. Bant iletimli filtreler, periyodik bozucunun temel frekansının tam sayı katlarında ortalanmıştır. Bant iletimli filtrelerin sayısı ve bant genişliği, yeni yapının uygulanmasında ayarlanması gereken iki önemli parametredir. Önerilen bozucu gözlemcisi, gürbüz havada kalma ve yörünge izleme kontrol problemini ele almak için bir kayan kipli kontrolcüye entegre edilmiştir. Önerilen bozucu gözlemci temelli kontrol sisteminin, bant iletimli filtrelerin sayısına ve bant genişliğine duyarlılığı, birçok simülasyon yoluyla ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Simülasyonlar, sensör sapmalarının ve ölçüm gürültüsünün de göz önünde bulundurulduğu yüksek kalitede bir model üzerinde gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, önerilen kontrolcülerin, quadrotor helikopterin sistem belirsizlikleri ve ölçüm gürültüsünün yanında Dryden rüzgar modelinin ürettiği rüzgarlara maruz kalması durumunda bile gürbüz havada kalma ve yörünge izleme performansını sağlamada çok etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca klasik bozucu gözlemcisi temelli kontrol ile bir karşılaştırma da yapılmış, gürültü ve dış bozucular varken düzeltilmiş gürbüzlük ile daha iyi izleme performansının elde edildiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Hovering and trajectory tracking control of rotary-wing aircrafts in the presence of uncertainties and external disturbances is a very challenging task. This thesis focuses on the development of the robust hovering and trajectory tracking control algorithms for a quadrotor helicopter subject to both periodic and aperiodic disturbances along with noise and parametric uncertainties. A hierarchical control structure is employed where high-level position controllers produce reference attitude angles for the low-level attitude controllers. Reference attitude angles are usually determined analytically from the position command signals that control the positional dynamics. However, such analytical formulas may produce large and non-smooth reference angles which must be saturated and low-pass filtered. In this thesis, desired attitude angles are determined numerically using constrained nonlinear optimization where certain magnitude and rate constraints are imposed. Furthermore, an acceleration based disturbance observer (AbDOB) is designed to estimate and suppress disturbances acting on the positional dynamics of the quadrotor. For the attitude control, a nested position, velocity, and inner acceleration feedback control structure consisting of PID and PI type controllers are developed to provide high stiffness against external disturbances. Reliable angular acceleration is estimated through an extended Kalman filter (EKF) cascaded with a classical Kalman filter (KF). This thesis also proposes a novel disturbance observer which consists of a bank of band-pass filters connected parallel to the low-pass filter of a classical disturbance observer. Band-pass filters are centered at integer multiples of the fundamental frequency of the periodic disturbance. Number and bandwidth of the band-pass filters are two crucial parameters to be tuned in the implementation of the new structure. Proposed disturbance observer is integrated with a sliding mode controller to tackle the robust hovering and trajectory tracking control problem. The sensitivity of the proposed disturbance observer based control system to the number and bandwidth of the band-pass filters are thoroughly investigated via several simulations. Simulations are carried out on a high fidelity model where sensor biases and measurement noise are also considered. Results show that the proposed controllers are very effective in providing robust hovering and trajectory tracking performance when the quadrotor helicopter is subject to the wind gusts generated by the Dryden wind model along with plant uncertainties and measurement noise. A comparison with the classical disturbance observer-based control is also provided where better tracking performance with improved robustness is achieved in the presence of noise and external disturbances.
Benzer Tezler
- Quadrotorun modellenmesi ve hiperbolik tanjant adaptif lqr+pıd kontrolü
Modelling and hyperbolic tangent adaptive lqr+pid control of a quadrotor
HAYRETTİN YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERHAT İKİZOĞLU
- Kontrollü lagrange yöntemleri ve uygulamaları
Controlled lagrangian methods and applications
HÜSEYİN ALPASLAN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
- Design, modeling, and optimal control allocation of a heavy-lift aerial vehicle consisting of large and small tilt-rotors
Büyük ve küçük pervanelerden oluşan ağır yük kaldıran hava aracının tasarımı, modellenmesi ve optimal kontrol tahsisi
GÖKHAN ÖZDOĞAN
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KEMAL LEBLEBİCİOĞLU
- Bir dörtpervanelinin modellenmesi ve denetimi
Modeling and control of a quadrotor
AHMET DEMİRYÜREK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN DEMİRCİOĞLU
- Modeling and attitude control of a quadcopter using model predictive controller
Dört rotorlu bir hava aracı modellemesi ve model öngörülü kontrolör ile yönelim kontrolü
CEMRE ESEMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN