Article

Journal of Aeronautics and Space Technologies (Havacilik ve Uzay Teknolojileri Dergisi)

, 7:10

First online:

Open Access This content is freely available online to anyone, anywhere at any time.

Path tracking control of a quadrotor uav with backstepping method

  • Emre Can SUİÇMEZAffiliated withHavacılık Uzay Mühendisliği, ODTÜ Email author 
  • , Ali Türker KUTAYAffiliated withHavacılık Uzay Mühendisliği, ODTÜ

Abstract

Quadrotor is a very popular unmanned air vehicle(UAV) which has been worked by many researchers in recent years. Quadrotor is advantageous to classical UAVs since it can perform vertical take-off and landing(VTOL) with high maneuverability. Thanks to VTOL ability, it can be used in rough and limited environments without the need of long runways for take-off and landing. In addition, quadrotor has a more simpler mechanical structure compared to other VTOL UAVs. Although it has many advantageous features, quadrotor has a highly nonlinear and unstable dynamics. Therefore, designing autonomous control systems for quadrotor is a challenging task and it draws attention of many researchers.

In this work, path tracking control of a quadrotor UAV is obtained by using a nonlinear control method called backstepping. While designing the control system, attitude control is built as an inner loop and position control is built as an outer loop to track the desired trajectory with high accuracy. First, nonlinear dynamic model of quadrotor is obtained by using Newton's equations of motion. This nonlinear model is used in simulations as dynamic model (plant). Then, to use in the formulation of backstepping controller, nonlinear dynamic model is simplified by making some assumptions. By using simplified nonlinear dynamic model, backstepping controller is obtained in three steps. The controller is tested by simulations which are performed in MATLAB/Simulink environment. Disturbance rejection properties of the controller are also tested by simulations. Simulation results show that, desired path is tracked with high accuracy thanks to backstepping controller. Moreover, it is seen that, backstepping controller can reject various types of strong disturbances efficiently.

Keywords:

Quadrotor UAV Backstepping Nonlinear Control Dynamic Model Path Tracking Position Control Attitude Control Simulation Disturbance Rejection MATLAB/Simulink

Dört rotorlu bir insansiz hava aracinin geri-adimlama yöntemi ile yol takibi kontrolü

Özet

Dört rotorlu(quadrotor), son yıllarda bir çok araştırmacı tarafından çalışılan çok popüler bir insansız hava aracıdır(İHA). Dört rotorlu, dikey iniş kalkış(VTOL) özelliği ve yüksek manevra kabiliyeti sayesinde klasik insansız hava araçlarına göre bir çok avantaja sahiptir. VTOL özelliği sayesinde, özellikle engebeli ve kısıtlı ortamlarda, uzun iniş ve kalkış pistine ihtiyaç duymadan kullanılabilmektedir. Ayrıca, dört rotorlu, VTOL özelliği taşıyan diğer İHA'lara göre, mekanik olarak daha basit bir yapıya sahiptir. Fakat, belirtilen avantajların yanı sıra, dört rotorlu, yüksek derecede doğrusal olmayan ve kararsız bir dinamiğe sahiptir. Bu nedenle, dört rotorlu'nun otonom kontrolü çeşitli zorluklar içermektedir ve bir çok araştırmacının ilgisini çekmektedir.

Bu çalışmada, dört rotorlu bir insansız hava aracının, doğrusal olmayan bir kontrol metodu olan geri-adımlama yöntemi kullanılarak, yol(yörünge) takibi kontrolü sağlanmıştır. Kontrol sistemi oluşturulurken, dört rotorlu'nun yönelimi iç döngü olarak, pozisyonu ise dış döngü olarak kontrol edilerek, hava aracının istenilen yolu yüksek doğrulukla takip etmesi amaçlanmıştır. İlk olarak, dört rotorlu'nun doğrusal olmayan dinamik modeli Newton hareket denklemleri kullanılarak elde edilmiştir. Doğrusal olmayan bu model simülasyonlarda dinamik model olarak kullanılmıştır. Daha sonrasında, doğrusal olmayan dinamik model, kontrolcü tasarımında kullanılmak üzere, belirli varsayımlar aracılığıyla basitleştirilmiştir. Basitleştirilmiş dinamik model kullanılarak, geri adımlamalı kontrolcü, üç aşamada elde edilmiştir. Elde edilen kontrolcü, MATLAB/Simulink ortamında modellenmiş ve test edilmiştir. Ayrıca, kontrolcünün güçlü derecedeki bozuculara karşı dayanıklılığı da simülasyon ortamında denenmiştir. Elde edilen simülasyon sonuçları, geri-adımlamalı kontrolcü sayesinde, istenilen yolun yüksek doğrulukta takip edildiğini göstermiştir. Ayrıca, bozucular eklenerek yapılan simülasyonlarda, kontrolcünün güçlü derecedeki çeşitli bozucuları etkili şekilde bastırdığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler:

Dört rotorlu İHA Geri-adımlama Doğrusal Olmayan Kontrol Dinamik Model Yol Takibi Pozisyon Kontrolü Yönelim Kontrolü Simülasyon Bozucu Bastırma MATLAB/Simulink