کووادروتور

کووادروتور یا پرنده چهارملخه، یک سیستم با چهار محرک نصب شده بر روی چهار موتور خود که بصورت ضربدری بر روی پره ها قرار گرفته اند، می باشد. از کووادرتورها در مقاصد شناسایی، پیش سازهایی برای عملیات کنترل ترافیک، عملیات نجات و سایر مقاصد استفاده می شود. مسئله اساسی در یک کووادروتور و هر پرنده دیگر کنترل آن می باشد. به این مفهوم که بتوان اولا مسئله پایدارسازی سیستم را تثبیت نموده و در گام دوم بتوان عملیات هدایت پرنده در مسیر مورد نظر را (مسیر مطلوب) برقرار کرد. به این منظور طراحی سیستم کنترل کووادروتور از جذابترین مباحث کنترلی می باشد.

نمایش پرنده چهارملخه (کووادروتور)

عملیات بیان شده در دو چالش عمده مورد بررسی قرار می گیرد، چالش اول مسئله عبور از موانع می باشد، به این مفهوم که سیستم کووادروتور در حرکت خود از مبدا مشخص به مقصد مشخص بتواند از موانع عمدتا ثابت و گاها متحرک عبور کرده و به هدف مطلوب برسد. در حل این چنین مسئله ای قالب طراحی سیستم کنترل کووادروتور برمبنای یک کنترل بهینه خواهد بود. به این مفهوم که با فرض انجام کوتاهترین مسیر و با شرط عدم برخورد به موانع مسئله مورد نظر انجام شود. مشخصا در این شرایط بایستی سیستم (هایی) به منظور نقشه برداری از مسیر همچون روش های پردازش تصویر در نظر گرفت.

حرکت بهینه کووادروتور در حالت عبور از موانع

چالش دوم مبتنی بر حرکت گروهی سیستم های کووادروتور می باشد. در این مفهوم هدف ایجاد یک پرنده مستر (Master) و پرنده های تابع (Slave) می باشد، بطوریکه بتوان عملیات مانور را با امنیت بالا برای این حرکت گروهی تضمین نمود.

چهارچوب های مختصات در کووادروتور

یک کووادروتور را می توان به صورت دوبعدی و یا سه بعدی(حالت کلی) در نظر گرفت و براین اساس دینامیک آن را پایه ریزی کرده و در پی طراحی سیستم کنترل کووادروتور برآمد. آنچه در این گام بایستی بدان دقت کرد، هدف کار می باشد. بطور مشخص طراحی یک سیستم کنترل برای مدل کامل کوواد پیچیده تر از عملیات مشابه برای حالت صفحه ای خواهد بود. چرا که در حالت دوبعدی، با دو متغیر حالت x و y (و متغیرهای سرعت متناظر) سر و کار خواهیم داشت. اما در حالت سه بعدی چهارچوب مختصات ناوبری برای کوواد مورد استفاده قرار می گیرد که در آن زوایای رول، پیچ و یاو در کنار ارتفاع به عنوان 4 متغیر موقعیت که در کنار 4 متغیر سرعت متناظر قرار می گیرند، روبرو خواهیم بود.

البته این مختصات را می توان با استفاده از تکنیک های مثلثاتی و زوایای هادی به مختصات کارتزین نیز انتقال داد.

بیان مدل دینامیکی کووادروتور

یک پرنده کووادروتور مانند تمامی سیستم های الکترومکانیکی دارای مدل دینامیکی می باشد. همانطور که در بخش قبل بیان شد، مدل دینامیکی کووادروتور بستگی مستقیم به نوع کاربرد آن دارد، بطور کلی برای یک مدل صفحه ای کوواد که دارای 4 متغیر حالت می باشد، دو سیگنال کنترل در نظر گرفته می شود که حالت فرضی داشته و این دو در جهت های x و y وارد می شوند. اما برای مدل کامل پرنده، با 8 متغیر حالت، نیاز به طراحی سیستم کنترل کووادروتور با 4 سیگنال کنترلی می باشد. این متغیرهای کنترل در راستاهای ارتفاع و زوایای رول، پیچ و یاو بر روی سیستم وارد می شوند. بدیهی است که در حالت سه بعدی علاوه بر ارتفاع و جهت گیری، تعادل پرنده نیز در راس اهمیت قرار دارد.

طراحی سیستم کنترل کووادروتور

در انتخاب روش کنترل برای پرنده چهارملخه، مدل دینامیکی مورد توجه است. یک مدل دینامیکی خطی برای پرنده که به صورت نقطه ای برای آن بیان شده است، می تواند با طراحی سیستم کنترل خطی انجام پذیرد. از طرفی در مدل های غیرخطی بیان شده برای پرنده نیاز به بکارگیری روش های غیرخطی در طراحی سیستم کنترل کووادروتور می باشد. از طرفی سیستم کوواد از جمله مدل هایی می باشد که در حضور نویز مورد بررسی قرار می گیرد. این نویز به صورت رندم در تمامی جهات بر روی مدل کووادروتور اعمال می شود. عدم قطعیت یا نامعینی در پارامترهای مدل دینامیکی کوواد از دیگر چالش های یک مهندس کنترل برای طراحی همه جانبه می باشد.

طراحی سیستم کنترل برای کووادروتور

با توجه به موارد بیان شده می توان هر کدام از روش های زیر را با بیان هدف مورد نظر برای کووادروتور مورد بررسی قرار داد :

1. طراحی روش کنترل براساس مقاوم : روش های کنترل مقاوم بطور ویژه برای مدل های توام با عدم قطعیت بکار برده می شوند. از مهمترین عدم قطعیت های سیستم کووادروتور می توان به ممان اینرسی آن در راستاهای مختلف اشاره کرد.
2. طراحی روش کنترل تطبیقی : در روش های کنترل تطبیقی به دنبال طراحی سیستم کنترلی می باشیم که با استفاده از اطلاعات بدست آمده از بخش تطبیقی بتواند پارامترهای نامعین سیستم را به نحو مناسب (براساس قاعده لیاپانوف) انجام دهد.
3. طراحی روش کنترل بهینه : در این روش به دنبال بهینه سازی مقید سیستم کووادروتور هستیم. سیستم کووادروتور یک سیستم توام با محدودیت موقعیتی و سرعت (سینماتیکی) می باشد. در این شرایط و با در نظر گرفتن انرژی کنترل می توان به طراحی روش های بهینه همچون پونتریگین برای بهینه سازی فرآیند کنترل پرنده بود.
4. طراحی رویت گر : یکی از مهمترین مسائل در بازسازی سیستم یک کوواد بهینه سازی آن از لحاظ هزینه می باشد، از جمله سنسورهایی که برای سیستم های با کاربرد ناوبری متصور است، سنسورهای زاویه سنج و سرعت سنج (نظیر ژیرو) می باشد. با طراحی مدل رویت گر برای سیستم پرنده می توان متغیرهای حالت سیستم را بطور مستقیم با استفاده از مقادیر خروجی و کنترل تخمین زده و هزینه های کار را کاهش داد. از دیگر فواید رویت گر می توان به طراحی رویت گر اغتشاش برای سیستم پرنده اشاره کرد.

شبیه سازی در متلب

نرم افزار متلب با قابلیت هایی که در چهارچوب برنامه نویسی دینامیکی و حل معادلات دیفرانسیلی دارد، می تواند برای سیمولینک روش های کنترل بکار برود. محیط سیمولینک متلب برای شبیه سازی سیستم های دینامیکی می تواند بکار رود. در کنار این می توان از تکنیک کدنویسی در محیط سیمولینک به منظور بهینه سازی عملیات شبیه سازی استفاده کرد. آنچه در این فرآیند به کارتان می آید پرهیز از موقعیت های حلقه جبری و بکارگیری مناسب بلوک های نویز در سیستم کووادروتور می باشد.

شماتیک نتیجه بدست آمده برای یک سیستم کووادروتور با دو تابع