Modeling and Control of Quadrotor UAV with Tilting Rotors. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF
Mahmoud_ElFeky.pdf Download (4MB) | Preview |
Arabic Abstract
تعتبر الطائرة رباعية المحركات من مواضيع البحث التي جذبت اهتمام الباحثين الى درجة أنها أصبحت واحدة من أكثر أنواع الطائرات الذاتية جاذبية. حيث تتنوع تطبيقات هذه الطائرة بين الألعاب ووسائل المواصلات والأغراض التجارية وصولا إلى المراقبة والأغراض العسكرية. هذه الرسالة البحثية تقدم تصميماً جديداً من الطائرات رباعية المحركات حيث يتم السماح لكل محرك بالدوران حول محورين ثابتين. تسمح هذه الإضافة بفصل جميع الحركات الممكنة للطائرة كما تحسًن الثبات والأمان للطائرة بشكل واضح وتعطيها رشاقة وقابلية للحركة بحرية أكبر. تعرض هذه الرسالة البحثية نموذجاً رياضياً للطائرة المقدمة كما تعرض نظاما للتشغيل اليدوي عن طريق طيار في حال تم تصميمها لهذا الغرض. تم تصميم برنامج لمحاكاة النموذج وتجربة عدد من المناورات من خلاله لأثبات أفضلية التصميم الجديد وقد تم استخدام نظام التحكم PID خلال هذه المناورات الابتدائية. الخطوة التالية هي تصميم نظام تحكم متكامل باستخدام تقنية تحويل النموذج الغير خطي الى خطي عن طريق المداخل والمعروفة بــ feedback linearization حيث تم تجزئة نظام الطائرة الى نظامين منفصلين تماما يمكن التحكم في كل منهما دون ارتباط بالآخر. تمت دراسة ثبات نظام التحكم بواسطة نظرية ليابونوف وبافتراضات متنوعة. تم أيضا اضافة نظام مفاضلة لاختيار أقل الحلول المتاحة من المداخل استهلاكا للطاقة, حيث تعتبر الطاقة أحد أهم المواضيع البحثية في الطائرات ذاتية الطيران. كما تمت مقارنة مجموعة من تقنيات المفاضلة من حيث الوقت اللازم للوصول الى نتيجة وأفضلية النتيجة ذاتها. في النهاية استحدث برنامج لمحاكاة نظام التحكم مع المفاضلة وتمت اختبار النظامين عن طريق مجموعة من المناورات المعقدة حيث أظهرت المحاكاة نتائج مبشرة للغاية سواء من جهة نظام التحكم أو من جهة نظام المفاضلة.
English Abstract
Quadrotors have recently been drawing greater attention to the point that they have become one of the most popular unmanned aerial vehicles types. Their applications vary from entertainment to transportation, commercial and even military applications. In this Thesis, a novel quadrotor design is proposed. The design decouples all motions by allowing each rotor to tilt in two directions about its fixed frames. This modification improves the stability and safety of the quadrotor and gives it more manoeuvrability and robustness. The model is presented along with a proposed operator control panel for manned application. Several flight scenarios are also simulated under a simple PID controller to illustrate the superiority over conventional quadrotor designs as initial tests. In addition, a Feedback linearization controller is developed to control the states of the quadrotor. This controller is implemented in a way that not only decouples the motions, but also decouples the system model itself into two completely separate systems with separate controllers. Stability of the controller is improved using Lyaponov theorem under different conditions. Furthermore, several optimization techniques are tested to choose among the combinations of inputs. The objective of optimization is to minimize energy consumption during flights, which is a critical issue in unmanned aerial vehicles. The results of the controller are illustrated by simulations and virtual reality model. A comparison between optimization techniques based on convergence time is also presented
| Item Type: | Thesis (Masters) |
|---|---|
| Subjects: | Systems Aerospace Electrical |
| Department: | College of Computing and Mathematics > lndustrial and Systems Engineering |
| Committee Advisor: | Elshafei, Moustafa |
| Committee Members: | Elferik, Sami and Abdul Wahid, Al-Saif |
| Depositing User: | ELFEKY MAH ABDELMAGID (g200684040) |
| Date Deposited: | 27 May 2015 10:49 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 15:46 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139573 |