توصيفگر ها :
كوادكوپتر , سامانه چند عاملي , ضربهي غيرالاستيك , كنترل توزيعشده , حمل بار آويزان , كنترلكننده LQR با عمل انتگرالي
چكيده فارسي :
با توجه به كاربردهاي گسترده كوادكوپترها، استفاده از اين پرندههاي بيسرنشين در سالهاي اخير افزايش يافته و پژوهشهاي متعددي در اين زمينه صورت گرفته است. يكي از شاخههاي پژوهشي مرتبط با كوادكوپترها، بررسي همكاري بين اين وسابل در قالب يك سامانه چندعاملي است. اين پژوهش نيز به طراحي و كنترل سامانهاي متشكل از چند كوادكوپتر و يك صفحه صلب بار ميپردازد كه توسط كابلهايي به مركز جرم كوادكوپترها متصل شده است. هدف اصلي اين سامانه، كنترل نيروي ناشي از ضربه جسم صلبي است كه به سطح صفحه بار برخورد ميكند. ابتدا مدلسازي سينماتيكي و ديناميكي سامانه انجام شده است. سامانه به دو بخش اصلي تقسيم ميشود: عاملهاي حامل شامل كابل و كوادكوپترها و عامل بار كه تنها شامل صفحه بار است. اين تفكيك، انعطافپذيري و مقياسپذيري سامانه را افزايش ميدهد و به اين ترتيب ميتوان بدون افزايش پيچيدگيهاي ديناميكي و سينماتيكي، تعداد عاملهاي حامل را كم يا زياد كرد. براي مدلسازي عامل حامل، از روش نيوتن-اويلر استفاده شده است كه در تحليل ديناميكي سامانههاي چندجسمي كاربرد دارد. در اين مدلسازي، رفتار ديناميكي كابل و كوادكوپترها به صورت يكپارچه بررسي شده است. براي مدلسازي ضربه وارد بر صفحه بار، از روش ناهموار استفاده شده است كه توانايي مدلسازي رويدادهاي ناگهاني مانند ضربه را افزايش ميدهد. همچنين، قانون پايستاري تكانه براي محاسبه نيروي ناشي از ضربه به كار گرفته شده است. نيروي حاصل از ضربه، سهبعدي بوده و در سه جهت مختلف بر عامل بار و در نتيجه بر كوادكوپترها اعمال شده است. مقدار اين نيرو به عواملي از جمله سرعت جسم در حال سقوط، سرعت صفحهي بار در لحظه برخورد، جرم هر دو جسم و ضريب بازگشت ضربه وابسته است. در اين پژوهش، ضربه به صورت كاملاً غيرالاستيك در نظر گرفته شده است. همچنين، محل برخورد ضربه در دو حالت مركزي و غيرمركزي نسبت به مركز جرم عامل بار مدلسازي شده است. اين مدلسازي با هدف شبيهسازي دقيقتر ضربه جسم صلب سهبعدي به صفحه بار انجام شده است. در بخش بعدي پژوهش، كنترلكنندههايي بر اساس روش كنترل LQR طراحي شدهاند. براي استفاده از اين كنترلكنندهها، معادلات حركت سامانه با روش خطيسازي به كمك بازخورد خطيسازي شدهاند. يك كنترلكننده LQR با عمل انتگرالگير براي هر يك از عاملهاي حامل طراحي شده است. سامانه براي حمل بار از آرايش صلب استفاده ميكند. بر اساس مسير مرجع تعريف شده براي بار، مسيرهاي مرجعي در هر عامل حامل تعريف شده است و به كوادكوپترها ارسال ميشود تا با دنبال كردن آن بار را در مسير مرجع خود قرار دهند. اين توزيع وظايف كنترلي، كنترل توزيعشده را در سامانه ممكن ميسازد. در نهايت، شبيهسازي سامانه براي شرايط مختلف انجام شده است تا عملكرد كنترلكنندههاي طراحيشده در شرايط مختلف رويداد ضربه و دنبال كردن مسير توسط عامل بار بررسي شود. نتايج شبيهسازيها نشاندهنده توانايي بالاي كنترلكنندههاي طراحيشده در مديريت نيروهاي ناشي از ضربه و حفظ پايداري سامانه است.
چكيده انگليسي :
Given the wide-ranging applications of quadcopters, their use has increased in recent years, prompting numerous studies in this field. A key research area related to quadcopters involves examining cooperation between these devices within a multi-agent system. This research focuses on the design and control of a system comprising multiple quadcopters and a rigid load plane connected to the center of mass of the quadcopters by cables. The primary goal of this system is to control the force generated by the impact of a rigid object colliding with the load plate surface. First, the system kinematic and dynamic modeling is developed. The system is divided into two main sections: the carrier agents, which include the cables and quadcopters, and the load agent, which consists solely of the load plate. This division increases the system flexibility and scalability, allowing the number of carrier agents to be adjusted without increasing kinematic and dynamic complexities. The Newton-Euler method, which is used in multi-body system dynamics, is employed to model the carrier agent, enabling integrated analysis of the dynamic behavior of the cables and quadcopters. To model the impact on the load plate, an impulsive model is used, enhancing the ability to model sudden events such as impacts. Furthermore, the conservation of momentum principle is applied to calculate the force resulting from the impact. The resulting force is three-dimensional and acts in three different directions on the load agent and, consequently, on the quadcopters. The magnitude of this force depends on factors such as the velocity of the falling object, the velocity of the load at the moment of collision, the masses of both objects, and the coefficient of restitution. In this study, the impact is considered fully inelastic. The impact point is modeled in both central and non-central scenarios relative to the center of mass of the load agent to achieve a more comprehensive simulation of a 3D rigid object striking the load plate. In the next section of the study, controllers based on the LQR control method are designed. To use these controllers, the system equations of motion are linearized using feedback linearization. An LQR controller with an integrator is designed for each carrier agent. The system uses a rigid configuration for load transportation. Based on the defined reference path for the load, reference paths are established for each carrier agent and transmitted to the quadcopters to guide the load along its designated path. This distribution of control tasks enables decentralized control within the system. Finally, simulations of the system are conducted under various conditions to assess the performance of the designed controllers in handling impact forces and ensuring the load agent path-following. The simulation results demonstrate the high capability of the designed controllers in managing impact forces and maintaining system stability.