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

کبیری, پدرام; ساداتی, سید حسین

doi:10.22034/jtae.2026.10.3.6

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

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

پدرام کبیری ¹

سید حسین ساداتی ²

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

10.22034/jtae.2026.10.3.6

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

پهپاد ترکیبی

پهپاد هدایت‌پذیر

کنترل پهپاد

موضوعات

مکانیک پرواز/ناوبری/کنترل/...

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 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

² Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology,, Tehran, Iran

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

[1] D. W. Casbeer et al., “Cooperative forest fire surveillance using a team of small unmanned air vehicles,” International Journal of Systems Science, vol. 37, no. 6, pp. 351–360, 2006, https://doi.org/10.1080/00207720500438480.

[2] L. Merino et al., “An unmanned aircraft system for automatic forest fire monitoring and measurement,” Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. 65, no. 1, pp. 533–548, 2012, https://doi.org/10.1007/s10846-011-9560-x.

[3] M. A. Goodrich et al., “Supporting wilderness search and rescue using a camera-equipped mini UAV,” Journal of Field Robotics, vol. 25, no. 1–2, pp. 89–110, 2008, https://doi.org/10.1002/rob.20226.

[4] M. Faessler, F. Fontana, C. Forster, E. Mueggler, M. Pizzoli, and D. Scaramuzza, “Autonomous, vision-based flight and live dense 3D mapping with a quadrotor micro aerial vehicle,” Journal of Field Robotics, vol. 33, no. 4, pp. 431–450, 2016, https://doi.org/10.1002/rob.21581.

[5] P. Pounds, D. Bersak, and A. Dollar, “Design of quadrotor cargo delivery systems,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, no. 6, pp. 2003–2013, Dec. 2017, https://doi.org/10.1109/TMECH.2017.2766324.

[6] S. Yoon et al., “Precise aerial load transportation using multirotors,” Robotics and Autonomous Systems, vol. 92, pp. 257–275, 2017, https://doi.org/10.1016/j.robot.2017.03.016.

[7] M. Duis et al., “Drone-based spray painting of large-scale surfaces,” Automation in Construction, vol. 115, Art. no. 103198, 2020, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2020.103198.

[8] F. Ruggiero, V. Lippiello, and A. Ollero, “Aerial manipulation: A literature review,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 3, no. 3, pp. 1957–1964, 2018, https://doi.org/10.1109/LRA.2018.2808541.

[9] M. Achtelik et al., “Experimental evaluation of multirotor aerial manipulation,” in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Tokyo, Japan, 2013, pp. 4950–4955, https://doi.org/10.1109/IROS.2013.6697072.

[10] M. Orsag et al., “Dexterous aerial robots—Mobile manipulation using unmanned aerial systems,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 33, no. 6, pp. 1453–1466, 2017, https://doi.org/10.1109/TRO.2017.2750693.

[11] S. Kim, S. Choi, and H. J. Kim, “Aerial manipulation using a quadrotor with a two-DOF robotic arm,” in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Tokyo, Japan, 2013, https://doi.org/10.1109/IROS.2013.6697077.

[12] Z. Cheng et al., “A composite impact-time-control guidance law and simultaneous arrival,” Aerospace Science and Technology, vol. 80, pp. 403–412, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.05.009.

[13] P. Castillo, R. Lozano, and A. E. Dzul, Modelling and Control of Mini-Flying Machines. London, U.K.: Springer, 2005, https://doi.org/10.1007/1-84628-179-2.

[14] R. Mahony, V. Kumar, and P. Corke, “Multirotor aerial vehicles: Modeling, estimation, and control of quadrotor,” IEEE Robotics and Automation Magazine, vol. 19, no. 3, pp. 20–32, 2012, https://doi.org/10.1109/MRA.2012.2206474.

[15] S. Park and J. Kim, “A simulation framework for quadrotor UAVs in MATLAB/Simulink,” in 8th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), Incheon, South Korea, 2011, pp. 443–444.

[16] G. Hoffmann, H. Huang, S. Waslander, and C. Tomlin, “Quadrotor helicopter flight dynamics and control: Theory and experiment,” in AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Hilton Head, SC, USA, 2007, Paper 2007-6461, https://doi.org/10.2514/6.2007-6461.

[17] D. Mellinger, N. Michael, and V. Kumar, “Trajectory generation and control for precise aggressive maneuvers with quadrotors,” The International Journal of Robotics Research, vol. 31, no. 5, pp. 664–674, 2012, https://doi.org/10.1177/0278364911434236.

[18] F. Kendoul, “Survey of advances in guidance, navigation, and control of unmanned rotorcraft systems,” Journal of Field Robotics, vol. 29, no. 2, pp. 315–378, 2012, https://doi.org/10.1002/rob.20414.

[19] S. Bouabdallah, A. Noth, and R. Siegwart, “PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor,” in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Sendai, Japan, 2004, https://doi.org/10.1109/IROS.2004.1389776.

[20] E. Altug, J. P. Ostrowski, and R. Mahony, “Control of a quadrotor helicopter using visual feedback,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Washington, DC, USA, 2002, https://doi.org/10.1109/ROBOT.2002.1013341.

[21] T. Madani and A. Benallegue, “Backstepping control for a quadrotor helicopter,” in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Beijing, China, 2006, https://doi.org/10.1109/IROS.2006.282433.

[22] A. Lanzon and I. R. Petersen, “A modified Youla parameterization for stabilization and control with bounded controllers,” International Journal of Control, vol. 81, no. 4, pp. 537–546, 2008, https://doi.org/10.1080/00207170802111100.

[23] J. Shi, J. Wang, and W. Qian, “Fault-tolerant control for multirotor UAVs using adaptive sliding mode,” Aerospace Science and Technology, vol. 128, Art. no. 107016, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107016.

[24] J. Li, Z. Zhao, and X. Qin, “Adaptive sliding mode control using a novel fully feedback recurrent neural network for quadrotor UAVs,” Neurocomputing, vol. 610, Art. no. 128592, 2024, https://doi.org/10.1016/j.neucom.2024.128592.

[25] M. S. Ale Isaac, P. Flores Peña, D. Gîfu, and A. R. Ragab, “Advanced control strategies for securing UAV systems: A cyber-physical approach,” Applied System Innovation, vol. 7, no. 5, Art. no. 83, 2024, https://doi.org/10.3390/asi7050083.

[26] J. Li and L. Wu, “A multiple connected recurrent neural network based super-twisting terminal sliding mode control for quadrotor UAV,” European Journal of Control, vol. 83, Art. no. 101220, 2025, https://doi.org/10.1016/j.ejcon.2024.101220.

[27] H. Zhang, B. Wang, and Z. Wu, “Intelligent control of UAVs using deep reinforcement learning: A survey,” Aerospace Systems, vol. 6, no. 1, pp. 1–20, 2023, https://doi.org/10.1007/s42401-022-00161-w.

[28] X. Xie and L. Sun, “Design and experiment of a quadcopter with variable-pitch and tilt-rotors,” Aerospace Science and Technology, vol. 110, Art. no. 106517, 2021, https://doi.org/10.1016/j.ast.2021.106517.

[29] G. Ren, C. Xu, and G. Hu, “Design and implementation of a coaxial quadrotor with tilting rotors,” in IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), Banff, AB, Canada, 2016, https://doi.org/10.1109/AIM.2016.7576774.