Robust Attitude Control of a 3-DOF Quadcopter: theory and experiments. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 202421080_Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 14 June 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تطوير منهجية عملية للتحكم في وضعية طائرة رباعية المراوح ذات ثلاث درجات حرية (3-DOF) والتحقق من فاعليتها من خلال التجارب العملية. ويهدف البحث إلى تصميم متحكمات تحقق استقرارًا عاليًا واستجابة جيدة التخميد وقدرة على مقاومة الاضطرابات، مع ضمان التوافق بين نتائج المحاكاة والتطبيق الفعلي في الزمن الحقيقي. تم اشتقاق نموذج رياضي لديناميكيات وضعية الطائرة بالاعتماد على معادلات نيوتن–أويلر، ثم جرى خطّيته حول نقطة التشغيل المقابلة لحالة التحليق المستقر للحصول على نموذج مناسب لأغراض التحليل وتصميم أنظمة التحكم. كما تم تقدير المعلمات الأساسية للنظام، بما في ذلك عزوم القصور الذاتي ومعاملات التخميد، من خلال تجارب عملية أُجريت على منصة تجريبية مصممة خصيصًا لطائرة رباعية المراوح ذات ثلاث درجات حرية. واستُخدمت تقنيات تعريف الأنظمة لاستخلاص نماذج معتمدة على البيانات تصف سلوك النظام بدقة، ثم جرى تحليل هذه النماذج في مجال التردد لفهم خصائصها الديناميكية والاستفادة منها في تصميم المتحكمات. وفي هذا الإطار، تم تطوير وتقييم مجموعة من المتحكمات منخفضة الرتبة، شملت متحكمات PI وPID، وذلك وفقًا لمعايير الاستقرار وجودة التتبع وقدرة النظام على رفض الاضطرابات. وقد تم التحقق من أداء المتحكمات المقترحة من خلال المحاكاة الحاسوبية واختبارات الحلقة المغلقة باستخدام العتاد الحقيقي (HIL) والتجارب العملية في الزمن الحقيقي. وأظهرت النتائج أن اختلاف الخصائص الديناميكية لمحاور الحركة يستلزم استخدام تراكيب تحكم مختلفة، حيث تبين أن المتحكم الأمثل يختلف من محور إلى آخر تبعًا لطبيعة السلوك الديناميكي لكل محور. وتخلص الدراسة إلى أن الجمع بين النمذجة الرياضية الدقيقة وتقنيات تعريف الأنظمة والتحقق التجريبي يتيح تطوير أنظمة تحكم فعالة وموثوقة للطائرات رباعية المراوح. كما تقدم الرسالة إطارًا منهجيًا متكاملًا يربط بين الأسس النظرية والتطبيق العملي، ويمكن الاستفادة منه في تصميم وتطوير أنظمة التحكم للطائرات غير المأهولة والتطبيقات ذات الصلة.

English Abstract

This thesis presents the development and experimental validation of a practical attitude control framework for a three-degree-of-freedom (3-DOF) quadrotor system. The main objective is to design controllers that ensure stability, adequate damping, and robustness against disturbances while maintaining consistency between simulation results and real-time implementation. A mathematical model of the quadrotor attitude dynamics is derived using the Newton–Euler formulation and subsequently linearized around the hover operating condition to obtain control-oriented models suitable for analysis and controller design. Key system parameters, including moments of inertia and damping coefficients, are experimentally estimated using a custom-designed 3-DOF quadrotor test platform. To accurately capture the system dynamics, system identification techniques are employed to develop data-driven models based on experimental measurements. These models are further analyzed in the frequency domain to characterize their dynamic behavior and support controller design. Within this framework, several low-order controllers, including PI and PID configurations, are designed and evaluated according to stability, tracking performance, and disturbance rejection criteria. The effectiveness of the proposed controllers is assessed through numerical simulations, hardware-in-the-loop (HIL) testing, and real-time experimental validation. The results reveal that the dynamic characteristics of the attitude axes differ significantly, making axis-specific controller selection essential for achieving optimal performance. Consequently, the most suitable controller structure varies from one axis to another depending on its dynamic behavior. Overall, this work demonstrates that the integration of accurate mathematical modeling, system identification techniques, and experimental validation enables the development of effective and reliable quadrotor control systems. The proposed methodology provides a comprehensive framework that bridges theoretical analysis and practical implementation and can serve as a foundation for the design and development of control systems for unmanned aerial vehicles and related applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Thesis Advisor:	Sarvat Ahmad,
Thesis Committee Members:	Muhammad Faizan Mysorewala, Ramy Rashad,
Depositing User:	AHMED ABDELRAZEQ
Date Deposited:	14 Jun 2026 10:28
Last Modified:	14 Jun 2026 10:28
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144576