Nonlinear Control and Stabilization of Quadrotor Slung-load System using PID and Backstepping Controllers

Nonlinear Control and Stabilization of Quadrotor Slung-load System using PID and Backstepping Controllers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MS Thesis Report)
MS Thesis.pdf
Restricted to Repository staff only until 16 June 2021.

Download (6MB)

Arabic Abstract

أثبتت المركبات الجوية غير المأهولة فائدتها وقدرتها على التكيف عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات والصناعات. كما حلت الطائرات بدون طيار محل المروحيات والطائرات المأهولة في بعض التطبيقات وبتكلفة تشغيلية أقل. يتم استخدام الطائرات بدون طيار متعددة المحركات لنقل الحمولات بنجاح في السنوات الأخيرة ، خاصةً لتوصيل عبوات المنتجات والأدوية والإمدادات الأخرى إلى المناطق النائية أو المناطق التي يتعذر الوصول إليها. الدافع وراء هذه الأطروحة مستوحى من الطموح للمساعدة على تسهيل نقل الأحمال الهشة أو الحساسة باستخدام طائرة بدون طيار رباعي المحركات أو الكوادكوبتر. هذا مفيد بشكل ملحوظ لتوصيل الطرود والبضائع الهامة إلى المناطق النائية أو المناطق التي يتعذر الوصول إليها باستخدام الطائرات بدون طيار. تساهم هذه الدراسة في المؤلفات البحثية الجارية المتعلقة بالطائرات بدون طيار متعددة المحركات مع حمولة متدلية. في هذا العمل، تم تطوير وحدتي تحكم غير خطية الأولى وحدة تحكم غير الخطية نسبي - متكامل - مشتق أو اختصاراً بي أي دي والثانية وحدة تحكم التراجع غير الخطية وتم تطبيقها على طائرة كوادكوبتر مع حمولة متدلية. تعمل وحدات التحكم هذه على ثبات وإستقرارية الكوادكوبتر وتخفيف ذبذبات الحمولة، ويتم تحليل فعالية كل وحدة تحكم ومقارنتها مع وحدة التحكم الأخرى. من المهم الحد من تأثير تأرجح الحمولة حيث أنه يشكل خطورة على الحمولة نفسها، والكوادكوبتر والمناطق المحيطة به. تم تطوير نموذج غير خطي لنظام طائرة كوادكوبتر مع حمولة متدلية باستخدام نهج لاغرانج. ثم تم تطبيق وحدات التحكم المطورة على هذا النموذج غير الخطي وتم تنفيذ المحاكاة في بيئة ماتلاب/سميولنك. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها فعالية وحدات التحكم في تحقيق الهدف المطلوب في ثبات وإستقرارية الكوادكوبتر وتقليل تأرجح الحمل. حقق كلا المتحكمين هذه الأهداف. علاوة على ذلك ، تبين أن وحدة تحكم التراجع أكثر فعالية للتحكم في القنوات الخطية وزاوية الأتجاه، في حين أن وحدة تحكم بي أي دي كانت فعالة جدًا في التحكم في قنوات اللف والخطوة. فيما يتعلق بتأرجح الحمل ، كان كل من المتحكمين مشابهين ؛ مع كون بي أي دي أفضل بشكل هامشي في التحكم في تأرجح الحمولة بينما كان التراجع أفضل قليلاً في كبح نفوذ تمايل الحمل. يمكن الإستنتاج أن وحدة تحكم بي أي دي تعمل بشكل أفضل على بعض الجبهات بينما وحدة التحكم الخلفية كانت أفضل بالنسبة للآخرين.

English Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have proven their utility and adaptability across a diverse range of applications and industries. UAVs have also replaced helicopters and manned aircraft in some applications and at a lower operational cost. Multi-rotor UAVs have been used for load transportation successfully in recent years, especially for delivering product packages, medicine and other supplies to remote areas or inaccessible regions. This thesis is inspired by the aspiration to facilitate multi-purpose quadrotors to transport fragile load. This is markedly useful for delivering packages and important goods to remote areas or inaccessible regions using off-the-shelve drones. This study contributes to the ongoing research literature related to load-carrying drones. In this work, a PID and a Nonlinear Backstepping controller are developed and implemented on a quadrotor slung-load system. These controllers stabilize the quadrotor and damps the load oscillations, and the effectiveness of each controller is analyzed and compared with the other controller. It is important to limit the load dangle since it is dangerous for the quadrotor, the surroundings and the integrity of the load itself. A nonlinear model of the quadrotor slung-load system was developed using the Lagrangian approach. The developed controllers were then applied to this nonlinear model and the simulations were carried out in MATLAB/Simulink environment. The obtained results showcased the effectiveness of the controllers in achieving the desired goal vis-a-vis the stable motion of the quadrotor and minimized load swing. Both controllers achieved these goals. Furthermore, the Backstepping controller turned out to be more effective for controlling the translational channels and the heading angle, whereas the PID controller was very effective in controlling the roll and pitch channels. With regards to the load swing, both controllers fared similarly; with the PID being marginally better in controlling the load rock while the Backstepping was slightly better in restraining the load sway. It can be concluded from the observations that the PID controller performed better on some fronts while the backstepping controller was better for others.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Aerospace
Divisions: College Of Engineering Sciences > Aerospace Engineering Dept
Committee Advisor: Abdallah, Ayman
Committee Members: Abdelrahman, Wael and Ghazy, Mohammed and Al-Fifi, Salman
Depositing User: MOHAMMED MOHIUDDIN (g201707790)
Date Deposited: 17 Jun 2020 15:39
Last Modified: 17 Jun 2020 15:39
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141629