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Nonlinear control and perturbation compensation in UAV quadrotor

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Alqaisi, Walid Khalil Ahmad (2019). Nonlinear control and perturbation compensation in UAV quadrotor. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The great interest in the field of flying robotics encouraged a lot of research work to improve its control strategies. This thesis is about modelling and design of controllers and perturbation compensators for a UAV quadrotor. Four approaches are built in this purpose.

The first approach is perturbation attenuation system in a UAV quadrotor. Hierarchical Perturbation Compensator (HPC) is built to compensate for system uncertainties, non-modelled dynamics and external disturbances. It comprises three subsystems designed to provide continuous and precise estimation of perturbation. Each subsystem is designed to avoid the drawbacks of the other. This approach has superior proficiency to decrease unknown perturbation either external or internal.

The second approach is a Three Loop Uncertainties Compensator (TLUC), designed to estimate unknown time- varying uncertainties and perturbations to reduce their effects and in order to preserve stability. The novelty of this approach is that the TLUC can estimate and compensate for uncertainties and disturbances in three loops made to provide tracking to residual uncertainty in order to achieve a higher level of support to the controller. Exponential reaching law sliding mode controller is proposed and applied. It is integrated based on Lyapunov stability theory to obtain fast response with lowest possible chattering. The performance is verified through analyses, simulations and experiments.

The third approach is Feedback Linearization based on Sliding Mode Control (FLSMC). The purpose is to provide nonlinear control that reduces the effect of the highly coupled dynamic behavior and the hard nonlinearity in the quadrotor. The proposed controller uses a Second Order sliding mode Exact Differentiator SOED to estimate the velocity and the acceleration.

The fourth approach proposes an improved Non-Singular Terminal Super-Twisting Control for the problem of position and attitude tracking of quadrotor systems. The super-twisting algorithm is an effective control used to provide high precision and less chattering. The proposed method is based on a non-singular terminal sliding surface with new exponent that solves the problem of singularity in terminal sliding mode control.

Design procedure and the stability analysis using Lyapunov theory are detailed for the considered approaches. The performance is verified through analyses, simulations and experiments.

Titre traduit

Contrôle non linéaire et systèmes de compensation de perturbation dans un quadrotor UAV

Résumé traduit

Le grand intérêt porté à la robotique volante a encouragé de nombreux travaux de recherche pour améliorer ses stratégies de contrôle. Cette thèse porte sur la modélisation et la conception de contrôleurs et de compensateurs de perturbation pour les quadricoptères. Quatre approches sont réalisées à cet effet.

La première approche est le système d'atténuation de perturbation dans les quadricoptères d’UAV qui représente un calculateur de compensation de perturbation hiérarchique (HPC), conçu pour compenser les incertitudes du système, les dynamiques non modélisées et les perturbations externes. Il comprend trois sous-systèmes conçus pour fournir une estimation continue et précise de la perturbation. Chaque sous-système est conçu pour éviter les inconvénients de l’autre. Cette approche est très efficace pour réduire les perturbations inconnues, externes ou internes.

La seconde approche est un compensateur d’incertitudes à trois boucles (TLUC), conçu pour estimer les incertitudes et les perturbations inconnues variant dans le temps, afin de réduire leurs effets et de préserver la stabilité. La nouveauté de cette approche réside dans le fait que le TLUC peut estimer et compenser les incertitudes et les perturbations dans trois boucles pour assurer le suivi de l’incertitude résiduelle afin d’obtenir un niveau supérieur de support au contrôleur.

Un contrôleur par modes glissants basé sur la loi de convergence exponentielle est proposé et appliqué. Il est intégré sur la base de la théorie de stabilité de Lyapunov afin d’obtenir une réponse rapide avec un minimum de réticence. La performance est vérifiée par des analyses, des simulations et des expériences.

La troisième approche est la linéarisation par retour basée sur le contrôle du mode coulissant (FLSMC). Le but est de fournir un contrôle non linéaire qui réduit l’effet du comportement dynamique fortement couplé et de la forte non-linéarité dans le quadricoptère. Le contrôleur proposé utilise un différentiel en mode glissant de second ordre (SOED) pour estimer la vitesse et l'accélération.

La quatrième approche propose une amélioration à la commande par modes glissants du deuxième, dite super-twisting, pour le problème du suivi de position et d’attitude des drones. L'algorithme du super-twisting est un contrôleur efficace utilisé pour assurer une haute précision et pour réduire le phénomène de réticence. La méthode proposée est basée sur une surface de glissement non linéaire qui utilise un nouvel exposant pour résoudre le problème de la singularité.

La procédure de conception et l'analyse de stabilité utilisant la théorie de Lyapunov sont détaillées pour les approches considérées. La performance est vérifiée par des analyses, des simulations et des expériences.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 167-178).
Mots-clés libres: commande linéarisant, compensation de perturbation, boucle de compensation, quadricoptère, commande par super-twisting
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nerguizian, Vahé
Codirecteur:
Codirecteur
Saad, Maarouf
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 08 oct. 2019 20:21
Dernière modification: 15 oct. 2019 17:49
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2372

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