فناوری در مهندسی هوافضا

فناوری در مهندسی هوافضا

طراحی و کنترل ساختار جدید کوادکوپتر با بازوی متحرک برای بهبود پایداری دینامیکی

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران
چکیده
کوادکوپترها پرنده‌هایی عمودپرواز با چهارپره هستند که به دلیل چابکی و جذابیت‌های دینامیکی بالا، مورد توجه مهندسین کنترل قرار گرفته است. ازآنجاکه فقط در راستای عمود نیروی تراست دارند، سیستم کنترل آنها سه‌فازی بوده و باعث ایجاد مشکلات حرکتی از جمله لزوم زاویه عرضی هنگام حرکت صفحه‌ای می‌شود. در این مقاله، یک ساختار نوین برای پهپاد چهارپره‌ای باهدف رفع این چالش‌ها طراحی، تحلیل، و شبیه‌سازی شده است. در نخستین گام، باتکیه‌بر اصول طراحی مفهومی، سازه‌ای جدید برای پهپاد پیشنهاد شده که با تغییر در پیکربندی و نحوه توزیع نیروها، امکان بهبود عملکرد حرکتی در راستای افقی را فراهم می‌سازد. به‌منظور مدل‌سازی دقیق رفتار دینامیکی این پهپاد با ساختار نوین، معادلات حرکت آن با بهره‌گیری از روش اویلر - لاگرانژ استخراج شده است. این معادلات زمینه‌ساز تحلیل‌های کنترلی دقیق‌تر و توسعه برنامه‌های کنترلی کارآمد برای ساختار پیشنهادی بوده‌اند. در ادامه، جهت ارزیابی عملکرد و بررسی قابلیت‌های کنترلی ساختار طراحی‌شده، یک کنترل‌کننده مود لغزشی برای سیستم پیاده‌سازی شده و شبیه‌سازی‌های عددی در محیط نرم‌افزاری مناسب انجام شده است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی‌ها مؤید عملکرد مطلوب و پایداری مناسب پهپاد پیشنهادی در مقایسه با مدل مرسوم کوادکوپتر می‌باشد. در گام نهایی، به‌منظور اثبات مزایای ساختار نوآورانه ارائه‌ شده، عملکرد دینامیکی آن با یک کوادکوپتر متداول تحت شرایط کنترلی یکسان مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج مقایسه‌ها نشان می‌دهد که ساختار جدید از نظر دقت کنترل، پاسخ‌پذیری و پایداری عملکرد، و انجام مأموریت‌های فضایی خاص به طور محسوسی برتر بوده و می‌تواند به‌عنوان گزینه‌ای مناسب جهت ارتقای سامانه‌های پروازی آینده مورد توجه قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design ,Control of a Novel Quadrotor Structure with moving arm for Improved Dynamic Stability

نویسندگان English

Pedram Kabiri 1
seyed hosein Sadati 2
1 Khajeh Nasiruddin Toosi Faculty of Industrial Mechanical Engineering
2 Mechanical Engineering Department, K. N. Toosi University of Technology, Tehran
چکیده English

Quadrotors are vertical take-off and landing (VTOL) aerial vehicles with four rotors. Their simple structure, high agility, and desirable dynamic features have made them a popular subject among control engineers. However, a major limitation of conventional quadrotors is that they generate thrust only in the vertical direction. This characteristic necessitates a three-phase control process and introduces difficulties for horizontal motion, as tilting the body (via pitch or roll) is required to produce lateral movement.

To overcome these challenges, this paper presents a novel quadrotor UAV structure designed to improve planar maneuverability. The new design is developed based on conceptual design principles by modifying the configuration and method of thrust distribution. This allows for better control in the horizontal direction without relying solely on body tilting.The dynamic behavior of the proposed UAV is modeled using the Euler-Lagrange method to derive the equations of motion. These equations enable detailed control analysis and serve as a basis for designing advanced control algorithms. A Sliding Mode Controller (SMC) is implemented to evaluate the control performance of the UAV. Numerical simulations, conducted in a suitable software environment, demonstrate the effectiveness and stability of the new structure.The results are compared with those of a traditional quadrotor under identical control conditions. The findings reveal that the proposed configuration offers improved control precision, faster response, and enhanced stability, indicating its strong potential for next-generation UAV systems

کلیدواژه‌ها English

Hybrid UAV
Guided UAV
UAV Control

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 11 آذر 1404

  • تاریخ دریافت 21 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 25 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 27 آبان 1404
  • تاریخ اولین انتشار 11 آذر 1404