طراحي راهبرد كنترلي PID براي پرواز رو به جلو چهار پره تحت شرايط اثر زمين

Design of PID control strategy for forward flight of quadrotor in the ground effect condition

در سال‌هاي اخير، در كلاس هواپيماهاي بدون سرنشين، كنترل چهار پره مورد توجه بسياري از محققين در سراسر دنيا قرار گرفته است. در اين نوع بالگرد تلاش مي‌شود كه با استفاده از نيروهاي كه توسط پروانه‌ها توليد مي‌شود به پايداري در حالت پرواز ايستا و متحرك دست پيدا كنند. چهارپره رفتار ديناميكي غيرخطي متغير با زمان دارد و مادام توسط نيروهاي آيروديناميكي مغشوش مي‌شود. در شرايط اثر زمين، ويك پروانه بالگرد در اثر اندركنش با زمين باعث اغتشاشات چشمگيري در جريان در نزديكي پره هاي پروانه و همچنين بدنه پرنده مي‌شود. اين اندركنش‌ها اثرات جدي بر روي خصوصيات كيفيت كنترل پرواز مي‌گذارد و باعث ناپداري پرواز مي‌شود. اكثر مطالعات انجام شده در زمينه اثر زمين به بررسي پرواز ايستا و فرود بالگرد متمركز شده‌اند و اثر زمين به صورت پارامتر ثابت در معادلات ديناميكي وارد شده است. در اين مقاله، مدل ديناميكي غيرخطي جامعي براي انواع حالت‌هاي پرواز چهار پره در نزديكي سطح زمين در فضاي حالت ارائه شده و اثر زمين به صورت تابعي از متغيرهاي حالت در معادلات ديناميكي ظاهر مي‌شود. در گام بعدي با استفاده از مدل پيشنهادي يك سيستم كنترلي PID طراحي مي‌شود و پديده اثر زمين در عملكرد كنترل كننده بررسي مي‌شود. نتايج شبيه سازي‌ها نشان مي‌دهد كه با كمك اين مدل و كنترل كننده طراحي شده، پايداري پرواز و تعقيب مسير بهبود چشمگيري يافته است.

In unmanned aerial vehicle (UAV) classes, the control of quadrotor has attracted many researchers from around the world in recent years. In this type of rotary wing, it is attempted to achieve stability in hover and motion flight modes using the forces, produced by propellers. Quadrotor has nonlinear and timevarying behavior and the aerodynamic forces almost always disturb it. In near the ground, the wake of quadrotor interacting with the ground surface causes perturbation to the flow near the blades and frame. These perturbations have significant effect on quality and stability of flight. Most of the related researches were only studied hover and landing operation and the ground effect was considered as constant coefficient in dynamic equations. In this paper, a comprehensive nonlinear model is developed for variety modes of quadrotor flight in near the ground in space state, and the ground effect is as function of state variables in equation. Then, according to the proposed model, the PID controller is designed and the effect of the ground effect on controller performance is investigated. The results of simulation indicate that, the flight stability and trajectory tracking have improved significantly by using of the model and designed controller.