Linear and Nonlinear Control of Small-Scale Unmanned Helicopters

علاقه زیادی برای طراحی کنترلرهای پرواز برای هلیکوپترهای بدون سرنشین در مقیاس کوچک وجود داشته است. چنین هلیکوپترهایی تمام ویژگی های فیزیکی همتایان خود را در مقیاس کامل حفظ می کنند و در عین حال چابک تر و زبردست تر هستند. این کتاب یک تحلیل جامع و موجه برای طراحی کنترل‌کننده‌های پرواز برای هلیکوپترهای بدون سرنشین در مقیاس کوچک ارائه می‌کند که ثبات پرواز و دقت ردیابی را تضمین می‌کند. طراحی کنترلر پرواز یک بخش مهم و جدایی ناپذیر برای توسعه یک پلت فرم هلیکوپتر مستقل است. هلیکوپترها سیستم‌های غیرخطی و ضعیف با اتصال دینامیکی قابل توجهی هستند که باید در طراحی و پیاده‌سازی کنترل‌کننده در نظر گرفته شوند. قابل اعتمادترین ابزارهای ریاضی برای تجزیه و تحلیل سیستم های کنترل به نظریه کنترل مدرن مربوط می شود. تکنیک های کنترل مدرن مبتنی بر مدل هستند زیرا معماری کنترل کننده به نمایش دینامیکی سیستمی که باید کنترل شود بستگی دارد. بنابراین، مشکل طراحی کنترلر پرواز با مدل سازی هلیکوپتر ارتباط تنگاتنگی دارد.

این کتاب یک روش گام به گام برای طراحی، ارزیابی و پیاده سازی کنترلرهای پرواز کارآمد برای هلیکوپترهای مقیاس کوچک ارائه می دهد. مسائل طراحی که به صورت تحلیلی پوشش داده می‌شوند عبارتند از:

• یک ارائه گویا از هر دو مدل خطی و غیرخطی معادلات دیفرانسیل معمولی که دینامیک هلیکوپتر را نشان می‌دهند. ارائه مفصلی از معادلات حرکت هلیکوپتر برای استخراج هر دو نوع مدل ارائه شده است. علاوه بر این، یک نمایش روشنگر از مکانیسم، آیرودینامیک و دینامیک روتور اصلی نیز ارائه شده است. هر دو نوع مدل از پیچیدگی کم، از نظر فیزیکی معنادار و قادر به کپسوله کردن رفتار دینامیکی یک کلاس بزرگ از هلیکوپترهای مقیاس کوچک هستند.

• یک مشتق مصور و دقیق از الگوریتم های کنترل ریاضی بر اساس نمایش خطی و غیرخطی دینامیک هلیکوپتر. طراحی‌های کنترل‌کننده پرواز تضمین می‌کنند که اهداف ردیابی موقعیت (یا سرعت) اینرسی هلی‌کوپتر و سمت‌گیری به دست می‌آیند. هر کنترلر با در نظر گرفتن قابلیت های پرواز فیزیکی هلیکوپتر در مقیاس کوچک به دقت ساخته شده است. مفاهیم تجزیه و تحلیل پایداری پیشرفته برای بهبود کارایی و کاهش پیچیدگی سیستم کنترل پرواز استفاده می شود. طرح‌های کنترل‌کننده در هر دو زمان پیوسته و زمان گسسته مشتق شده‌اند که مسائل گسسته‌سازی را پوشش می‌دهد، که از اجرای الگوریتم کنترل با استفاده از ریزپردازنده‌ها پدید می‌آیند.

• ارائه قدرتمندترین، کاربردی ترین و کارآمدترین روش ها برای استخراج پارامترهای مدل هلیکوپتر بر اساس پاسخ های ورودی/خروجی، جمع آوری شده توسط ابزار اندازه گیری. این موضوع برای اجرای واقعی الگوریتم های کنترل از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

این کتاب برای دانشجویان و محققان علاقه مند به توسعه و استخراج ریاضی کنترلرهای پرواز برای هلیکوپترهای مقیاس کوچک مناسب است. دانش پیشینه در کنترل مدرن مورد نیاز است.

There has been significant interest for designing flight controllers for small-scale unmanned helicopters. Such helicopters preserve all the physical attributes of their full-scale counterparts, being at the same time more agile and dexterous. This book presents a comprehensive and well justified analysis for designing flight controllers for small-scale unmanned helicopters guarantying flight stability and tracking accuracy. The design of the flight controller is a critical and integral part for developing an autonomous helicopter platform. Helicopters are underactuated, highly nonlinear systems with significant dynamic coupling that needs to be considered and accounted for during controller design and implementation. Most reliable mathematical tools for analysis of control systems relate to modern control theory. Modern control techniques are model-based since the controller architecture depends on the dynamic representation of the system to be controlled. Therefore, the flight controller design problem is tightly connected with the helicopter modeling.

This book provides a step-by-step methodology for designing, evaluating and implementing efficient flight controllers for small-scale helicopters. Design issues that are analytically covered include:

• An illustrative presentation of both linear and nonlinear models of ordinary differential equations representing the helicopter dynamics. A detailed presentation of the helicopter equations of motion is given for the derivation of both model types. In addition, an insightful presentation of the main rotor's mechanism, aerodynamics and dynamics is also provided. Both model types are of low complexity, physically meaningful and capable of encapsulating the dynamic behavior of a large class of small-scale helicopters.

• An illustrative and rigorous derivation of mathematical control algorithms based on both the linear and nonlinear representation of the helicopter dynamics. Flight controller designs guarantee that the tracking objectives of the helicopter's inertial position (or velocity) and heading are achieved. Each controller is carefully constructed by considering the small-scale helicopter's physical flight capabilities. Concepts of advanced stability analysis are used to improve the efficiency and reduce the complexity of the flight control system. Controller designs are derived in both continuous time and discrete time covering discretization issues, which emerge from the implementation of the control algorithm using microprocessors.

• Presentation of the most powerful, practical and efficient methods for extracting the helicopter model parameters based on input/output responses, collected by the measurement instruments. This topic is of particular importance for real-life implementation of the control algorithms.

This book is suitable for students and researchers interested in the development and the mathematical derivation of flight controllers for small-scale helicopters. Background knowledge in modern control is required.