کنترل یک کوادروتور مجهز به بازوی رباتیک بر اساس تخمین اغتشاش

در سال‌های اخیر، پهپادهای بدون سرنشین به علت سرعت و قابلیت مانور بیشتر نسبت به وسایل نقلیه زمینی در بسیاری از کشورها در زمینه‌های نظامی، صنعتی و تحقیقات علمی محبوبیت زیادی به دست آورده‌اند. پژوهش حاضر به سیستمی مرکب از یک کوادروتور (پهپاد چهارملخه) و یک بازوی رباتیک سری می‌‌‌پردازد. هدف از ابداع پهپاد‌های دارای بازوی رباتیک ترکیب چابکی و انعطاف‌پذیری پهپادهای چند ملخه و مهارت بازوهای رباتیک است. در این مقاله هدف ارائه‌ی یک الگوریتم تخمین-کنترل برای دستیابی به ردیابی مسیر برای کوادروتور و مجری نهایی است. به این منظور ابتدا سینماتیک و دینامیک کوادروتور با استفاده از کواترنیون و معادلات نیوتون-اویلر استخراج می‌‌‌شود. سپس یک بازوی رباتیک سه درجه آزادی که به زیر کوادروتور متصل می‌‌‌شود در نظر گرفته شده و معادلات آن با استفاده از الگوریتم بازگشتی نیوتون-اویلر نوشته می‌‌‌شود. به منظور کنترل کوادروتور از دو حلقه‌‌‌ی داخلی و خارجی، به ترتیب برای جهت گیری کوادروتور و موقعیت آن استفاده می‌‌‌شود. گشتاور وارد به کوادروتور ناشی از حرکت بازوی رباتیک یا اعمال نیرو به آن توسط یک فیلتر کالمن تخمین زده شده و به حلقه‌‌‌ی کنترل داخلی کوادروتور داده می‌‌‌شود. همچنین نیروی وارد به کوادروتور ناشی از عملکرد بازو نیز تخمین زده شده و توسط حلقه‌ی خارجی جبران می‌شود. برای ردیابی مسیر توسط مجری نهایی بازو از یک الگوریتم سینماتیک معکوس استفاده شده است. سیستم مرکب شامل کوادروتور و بازو به منظور اطمینان از صحت عملکرد با انجام ماموریت‌‌‌های مختلف شبیه‌‌‌سازی می‌‌‌شود. نتایج شبیه‌‌‌سازی با یک پژوهش قبلی مقایسه می‌‌‌شود که نشان‌‌‌دهنده‌‌‌ی بهبود عملکرد الگوریتم ارائه شده است.

control of a quadrotor equipped with robotic arm based on disturbance estimation

in recent years, unmanned vehicles especially unmanned aerial vehicles have become very popular in many countries in the military, industrial and scientific research fields because of their high speed and maneuverability. this research investigates a compound system consisting of a quadrotor and a series of a robotic manipulators. joining these two systems aims at combining the agility and flexibility of multi-rotor unmanned aerial vehicles and the dexterity of robotic arms. this combination makes unmanned aerial vehicles able to perform more complicated tasks. in this thesis, the first kinematics and dynamics of a quadrotor are written using quaternion and newton-euler equations. next, a 3-degree of freedom robotic arm that is connected to the bottom of a quadrotor is considered and its kinematics and dynamics are derived using newton-euler recursive algorithm. to control the quadrotor, two inner-outer loops are used for its orientation and position respectively. toque due to arm operation or exerted force to its end effector is estimated using kalman filter and is fed into quadrotor inner control loop. for trajectory tracking of an arm end effector, an inverse kinematic algorithm is used. the compound system including unmanned aerial vehicles and arm is simulated with different scenarios to verify its performance.