Evaluation of nonlinear control methods for four rotor aircraft

Abstract

Bu tezde, aerodinamik etkileri hesaba katan dört rotorlu sistemin doğrusal olmayan bir matematiksel modeli ayrıntılı olarak sunulmuştur. Dört rotorlu sistem dinamiğinin doğrusal olmayan modeli, Newton-Euler denklemleri kullanılarak elde edilmiştir. Dört rotorlu sistem dinamikleri ötelenme ve dönme dinamikleri olarak 2 kısma ayrılabilir. Ötelenme dinamikleri, dört rotorlu sistemin pozisyonunu (irtifa z, x, y) kontrol etmekten sorumluyken, dönme dinamikleri yatış, yunuslama ve dönme açılarını kontrol etmekten sorumludur. Her ne kadar dört rotorlu sistem, altı serbestlik derecesi ve dört aktüatör ile eksik tahrikli olsa da, öteleme dinamiği halen eksik tahrikli olduğunda elde edilen dönme dinamiği tam tahriklidir.Dört rotorlu sistemin yatış, yunuslama, dönme ve irtifa hareketlerini dengelemek ve kontrol etmek üzere doğrusal ve doğrusal olmayan kontrol metodları geliştirilmiştir. Uygulanan kontrol yöntemleri doğrusal PID Kontrol, doğrusal olmayan Geri Adımlamalı Kontrol ve Kayan Kipli Kontrol (KKK) yaklaşımıdır.Bahsedilen PID kontrolörlerin parametreleri, performanslarını artırmak üzere parçacık sürüsü optimizasyon algoritması (PSO) kullanılarak ayarlanmıştır.XIXStandart PSO algoritmasının performansını geliştirmek amacıyla yeni bir uyarlamalı parçacık sürüsü optimizasyonu (APSO) algoritması önerilmiştir. Önerilen algoritma, atalet ağırlık parametresini daha iyi arama yeteneği ve yakınsama hızı sağlayan genel ve yerel arama süreçleri arasındaki dengeye adapte edebilmektedir. Simülasyon temelli sonuçlar geliştirilen kontrol yaklaşımlarının dinamik performans, kararlılık ve harici bozucuların etkisi açısından performansını değerlendirmek üzere karşılaştırılmıştır.

In this thesis, a nonlinear mathematical model of the quadrotor system taking into account aerodynamic affects is presented in detail. The nonlinear model of the quadrotor dynamics is extracted using the Newton–Euler equations. The quadrotor dynamics can be separated into translational and rotational dynamics. The translational dynamics are responsible for controlling the position of the quadrotor (altitude z, x, and y), while the rotational dynamics are responsible for controlling the roll, pitch, and yaw angles. Although the quadrotor system is under actuated with six degrees of freedom and four actuators, the derived rotational dynamics is fully actuated, while the translational dynamics is still under actuated.Linear and nonlinear control methods are developed to stabilize and control the roll, pitch, yaw, and altitude movements of the quadrotor system. The applied control methods are linear PID control, nonlinear Backstepping control, and Sliding Mode Control (SMC) approach.The parameters of the PID controllers were tuned using particle swarm optimization algorithm (PSO) to improve their performance. A new adaptive particle swarm optimization (APSO) algorithm is proposed to improve theXVIIperformance of the standard PSO algorithm. It can adapt the inertia weight parameter to balance between the global and local search processes that give better search competence and convergence speed. Simulation-based results were compared to evaluate the performance of the developed control approaches in terms of dynamic performance, stability and the effect of external disturbances.