كنترل رديابي مسير كوادروتور با استفاده از كنترل‌كننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي فازي مرتبه كسري در حضور اغتشاش باد

Trajectory Tracking Control of Quadrotor using Fractional-Order Fuzzy PID Controller in the Presence of Wind Disturbance

كوادروتور يكي از رايج‌ترين مدل‌هاي پرنده بدون سرنشين با چهار ملخ محرك است كه ساختار مكانيكي ساده، سبك و كوچكي دارد و در عين حال از قابليت مانوردهي بالايي برخوردار است. با اين حال، ديناميك غيرخطي و زير‌تحريك اين پرنده بدون سرنشين چهار ملخه نيازمند كنترل‌كننده‌‌هاي پيشرفته‌تري براي غلبه بر اغتشاش‌هاي خارجي، حفظ تعادل و رديابي دقيق مسير پرواز است. به ويژه زير‌سيستم ديناميكي زيرتحريك كوادروتور نيازمند پاسخي سريع، بدون بالازدگي و با كمترين خطاي حالت دائم است. در اين مقاله، با بهره‌گيري از سيستم‌هاي فازي و مرتبه كسري، كنترل‌كننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي فازي مرتبه كسري براي هدايت سيستم كوادروتور به منظور بهبود سرعت پاسخ‌گويي، دقت رديابي و مقاومت سيستم كنترل نسبت به كنترل‌كننده سنتي تناسبي-انتگرالي-مشتقي طراحي شده است. ساختار كنترل‌كننده زيرسيستم ديناميكي زيرتحريك كوادروتور براساس تئوري كنترل حلقه داخلي-بيروني طراحي شده كه در آن از تحليل سينماتيك معكوس صريح و تحليلي سيستم براي ارتباط حلقه‌هاي‌ داخلي و بيروني استفاده شده است. همچنين، در مدل ديناميكي كوادروتور، ديناميك موتورها و اشباع محركه‌ها لحاظ شده و تاثير آن بر عملكرد كنترل‌كننده‌ها بررسي شده است. براي ارزيابي عملكرد رديابي كنترل‌كننده‌ها يك مسير به شكل مانور هوايي هشت طراحي شده و عملكرد كنترل‌كننده‌ها در غياب و در حضور اغتشاش باد سنجيده شده است. دقت كنترل‌كننده‌ها در رديابي مسير حركت براساس شاخص‌هاي بيشترين قدر مطلق خطا و انتگرال قدر مطلق خطا مطالعه و مقايسه شده است كه نشان مي‌دهد كنترل‌كننده پيشنهادي PID فازي مرتبه كسري به خوبي توانسته عملكرد سيستم را بهبود ببخشد.

Quadrotor is one the most popular models of unmanned aerial vehicles with four actuated propellers which has a simple, light weight, small mechanical structure and high maneuverability. However, its nonlinear under-actuated dynamics needs more advanced controllers for rejection of external disturbances, balancing and precise trajectory tracking. In particular, the under-actuated subsystem of the quadrotor's dynamics needs a fast response without overshoot and steady state error. In this paper, fuzzy fractional-order proportional-integral derivative (FOFPID) controller is designed for quadrotor control system using fuzzy and fractional order systems to improve response speed, tracking accuracy and system robustness respect to the conventional PID controller. Controller architecture of the under-actuated subsystem of the quadrotor's dynamics is designed based on the inner-outer loop control theory which is employed explicit and analytical inverse kinematic of system to connect the inner and outer loops. Also, dynamics of the motors and actuators saturation are considered in the quadrotor’s dynamics model and their effects are studied on the controllers' performance. In order to evaluate tracking performance of controllers, trajectory of an eight aerial maneuver is designed and controllers’ performance is assessed in the absence and presence of wind disturbance. Trajectory tracking accuracy of the controllers is studied according to the maximum absolute error and integral of absolute error criterions and is compared that shows the proposed FOFPID controller has successfully improved performance of the quadrotor system.