کنترل بهینه مبتنی بر برنامه‌ریزی مسیر حداقل انرژی برای یک کوادروتور

Abstract

کوادروتور یک وسیله پرنده با 6 درجه آزادی است که قابلیت پرواز عمودی و انجام مانورهای پیچیده را داراست. کوادروتورها به سبب ساختار ذاتی خود مصرف انرژی بالایی دارند و از همین رو حداقل کردن انرژی مصرفی آنها به سبب افزایش زمان پروازی و برد عملیاتی آنها، بسیار مهم می‌باشد. در این مقاله به منظور بیشینه کردن زمان عملیاتی کوادروتور، الگوریتم برنامه‌ریزی مسیر حداقل انرژی و کنترل بهینه برای حرکت بین دو نقطه مشخص ارائه می‌شود. به منظور نیل به این هدف ابتدا معادلات دینامیکی کوادروتور و موتور استخراج شده، سپس با معرفی انرژی کل مصرفی باتری بعنوان تابع هزینه عملی و با استفاده از تئوری کنترل بهینه، مسیر حداقل انرژِی تعیین می‌شود. تمامی قیود موجود نیز از طریق ضرایب لاگرانژ وارد معادلات همیلتونین شده تا مسیر حداقل انرژی بدست آمده، تمامی آنها را ارضا نماید. در انتها نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی با نتایج پروفایل سرعت ذوزنقه‌ای مرسوم مقایسه شده که ذخیره انرژی تا چهار درصد را در مقایسه با پروفایل سرعت ذوزنقه‌ای مرسوم نشان می‌دهد. نتایج همچنین نشان می‌دهند که مدت زمان پرواز نسبت به طول مسیر تاثیر بیشتری در مصرف انرژی دارد. همچنین با استفاده از نتایج شبیه-سازی‌ در وضعیت‌های مختلف، یک رابطه کمی بین طول مسیر و مدت زمان پرواز با میزان مصرف انرژی توسط کوادروتور استخراج شده که می‌تواند در تخمین حداکثر برد پرواز یا مدت زمان پرواز با توجه به میزان انرژی باتری بسیار سودمند باشد.