کنترل کوادروتور بدون سرنشین به کمک روش فرمانپذیری بصری به منظور بهبود پایداری و عملکرد آن

رویای پرواز و ساخت وسایل پرنده از دیرباز ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. تلاشهای وی برای تحقق این رویا سبب پیشرفتهای بسیاری در زمینه علم هوافضا شده است. در میان همه وسایل پرنده ساخت بشر، وسایل بدون سرنشین که از اوایل قرن بیستم پا به عرصه وجود نهادند، از اهمیت زیادی برخوردارند. توانایی این وسایل در انجام ماموریتهای مختلف، بدون در معرض خطر قرار دادن جان انسانها، سبب اهمیت روزافزون این وسایل شده است. یکی از وسایل نقلیه بدون سرنشین که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است، هلیکوپتر چهار روتوره یا کوادروتور است که بدلیل دارا بودن قابلیتهای مانوری قابل توجه، کاربردهای بسیاری پیدا کرده است. در این وسیله که از یک قاب x شکل و چهار روتور تشکیل شده است، تغییر سرعت چرخش روتورها سبب حرکت و چرخش کوادروتور در راستاهای مختلف و انجام حرکات مانوری توسط آن میشود. این وسیله از لحاظ دینامیکی بشدت ناپایدار است و برای پایدار شدن و انجام ماموریتهای محوله به یک کنترل کننده مناسب نیاز دارد. برای طراحی چنین کنترل کننده ای، باید اطلاعات مربوط به مکان و سرعت خطی و زاویه ای کوادروتور در دسترس باشند. همچنین برای فراهم آوردن امکان انجام ماموریتهای مختلف در محیطهای ناشناس، باید اطلاعات مربوط به محیط اطراف کوادروتور بگونه ای در اختیار سیستم کنترلی آن قرار گیرد. یکی از روشهای بدست آوردن این اطلاعات، استفاده از دوربین برای تصویربرداری از محیط و سپس آنالیز تصاویر برای بدست آوردن اطلاعات و یا استفاده از روش فرمانپذیری بصری در کنترل کوادروتور است. آنالیز تصاویر و ارسال آنها به کنترل کننده میتواند با مشکلاتی از قبیل تاخیر زمانی و از دست رفتن قسمتی از اطلاعات همراه باشد. کنترل کننده طراحی شده باید قابلیت جبران این مشکلات را داشته باشد و بتواند عملکرد مورد انتظار سیستم را تضمین کند. هدف اصلی این پروژه طراحی کنترل کننده ای است که بتواند تاثیرات منفی ناشی از تاخیرات زمانی بوجود آمده در حین فرایند فرمانپذیری بصری را جبران کند. روش پیشبینی کننده مبتنی بر مدل روشی است که با توجه به برخورداری از ویژگیهای منحصربفرد میتواند اهداف این پروژه را برآورده سازد. در این پروژه، ابتدا معادلات دینامیکی کوادروتور با استفاده از روش نیوتن بدست می آیند. معادلات بدست آمده نشان میدهند که حرکت انتقالی کوادروتور به حرکت چرخشی آن وابسته است، ولی عکس این موضوع برقرار نیست. بنابراین، برای کنترل سیستم از دو کنترل کننده انتقالی و چرخشی که بترتیب وظیفه کنترل سرعت خطی و وضعیت چرخشی کوادروتور را بعهده دارند، استفاده میشود. با درنظر گرفتن اثرات تاخیر زمانی محاسباتی و نیز تاخیر زمانی نامعین ایجادشده در حین فرایند آنالیز تصاویر و ارسال اطلاعات و با استفاده از روش کنترلی پیشبینی کننده مبتنی بر مدل، کنترل کننده های انتقالی و چرخشی طراحی میشوند. در نهایت سیستم کوادروتور به همراه کنترل کننده های آن به کمک نرم افزار matlab و simulink شبیه سازی شده و عملکرد سیستم کنترلی مورد ارزیابی قرار میگیرد. نتایج بدست آمده از شبیه سازی حاکی از عملکرد مناسب کنترل کننده ها در کنترل پرواز کوادروتور در حضور تاخیرات زمانی نامعین و قیود فیزیکی مسئله است.