کنترل تعقیب مسیر کوادروتورها در حضور موانع بر مبنای روش میدان پتانسیل

در این مقاله، با معرفی یک کنترلر ترکیبی مقاوم به همراه یک واحد اجتناب از موانع مبتنی بر توابع پتانسیل به کنترل تعقیب مسیر کوادروتور در حضور موانع پرداخته شده است. کوادروتورها، سیستم‌هایی کم‌‌عملگر بوده و طراحی کنترلر تعقیب مسیر مقاوم برای آن‌‌ها به یکی از پرچالش‌‌ترین مباحث در پژوهش‌‌های اخیر تبدیل شده است. در ابتدا مدلسازی دینامیکی کوادروتور با استفاده از روش نیوتناویلر و با در نظر گرفتن تمامی ترم‌‌های غیرخطی آن در نظر گرفته شده و در ادامه، فضای حالت سیستم به دست آمده است. سپس یک روش کنترلی با الهام از الگوریتم‌‌های کنترل خطی برای کنترل حلقه‌‌ی بیرونی طراحی شده و برای کنترل حلقه‌‌ی داخلی کنترلر، روش کنترلی پسگام ارائه شده است. ترکیب این دو روش کنترلی به نحوی صورت گرفته که سیستم بهترین عملکرد را در تعقیب مسیرهای دلخواه از نظر همگرایی به مسیر مرجع حرکت، خطای حالت ماندگار کمینه و دیگر مشخصات پاسخ گذرای سیستم داشته باشد. در ادامه یک واحد اجتناب از موانع مبتنی بر توابع پتانسیل طراحی شده که با ایجاد نیروی دافعه بین سیستم و موانع از تصادم کوادروتور جلوگیری می‌‌کند. در انتها دو آزمایش ردیابی مسیر دایره‌‌ای و زینی شکل برای یک کوادروتور در حضور موانع در نظر گرفته شده است و نتایج حاصله، عملکرد مقاوم کنترلر را در تعقیب مسیرها و اجتناب از موانع نشان می‌‌دهد.

Tracking control of quadrotors in the presence of obstacles based on potential field method

In this paper, by introducing a robust hybrid controller using an obstacle avoidance unit based on potential functions, the trajectory tracking control of quadrotors in the presence of obstacles is discussed. Quadrotors are underactuated systems and the design of a robust tracking controller has become one of the most challenging topics in recent researches. First, dynamic modeling of a quadrotor is considered using the NewtonEuler method by considering the nonlinear terms. In the following, the system state space is represented. Then, a control method based on linear control algorithms is designed to control the outer loop and for the inner loop of the controller, the backstepping method is presented. The combination of the control methods is designed to obtain the best performance of the system in terms of convergence to the reference path, minimum steadystate errors, and transient response specifications of the system. In the following, an obstacle avoidance unit based on potential functions is designed to prevent the collision of the quadrotor with obstacles by creating a repulsive force between the system and the obstacles. Finally, trajectory tracking case studies are considered for a quadrotor in the presence of obstacles. Obtained results show the robust performance of the controller in tracking the trajectories and avoiding obstacles.