Modeling, Simulation, Control, and Intelligent Maintenance of a Quadrotor

Abstract

الملخص تدرس هذه الأطروحة تقنيات الطائرة الرباعية المتطورة، مع التركيز على محاكاة السلوكيات المتنوعة والاستفادة من وحدات التحكم المختلفة. الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو تعزيز الاستقرار والأداء، حيثتتضمن استراتيجيات التحكم المتقدمة: المشتق النسبي، المشتق النسبي المتكامل، المنظم الخطي التربيعي، ووحدة التحكم الهجينة بين المشتق النسبي والمنظم الخطي التربيعي. يتضمن هذا البحث أيضا مقارنة تقييمية شاملة لفعالية استراتيجيات التحكم في تعزيز استقرار الطائرة الرباعية، وتحليل مقاييس الأداء الرئيسية مثل ضبط الوقت، ووقت الصعود، والتجاوز عبر السيناريوهات المختلفة للكشف عن الفروق الدقيقة بين وحدات التحكم التي تم ذكرها. علاوة على ذلك، تم تصميم بنية الطائرة الرباعية باستعمال تنسيق وصف الروبوت الموحد وتنسيق وصف المحاكاة داخل برنامج جازيبو ليتم التحكم فيها باستخدام نظام تشغيل الربوت2. يتضمن هذا المشروع بناء عالم جديد يحاكي العالم الحقيقي حيث يكون المحرك الرباعي قادرًا على استكشاف العالم الخارجي والأشياء وتحديدها وتخطيطها وتحديد موقعها بفضل استخدام العديد من المستشعرات، بما في ذلك الكاميرات ونظام تحديد المواقع العالمي ومستشعر قياس الحركة والرادار الضوئي. تم تصميم نظام التحكم الرباعي لتوفير التحكم باستخدام مكتبة كيوت6 المخصصة لبايثون كخادم أساسي، مما يتيح الاتصال بهاتف ذكي أو جهاز آخر، كما يتم استخدام طرق الرؤية بالكمبيوتر للتشغيل البسيط. يهدف هذا البحث إلى تقديم مساهمة كبيرة في مجال التحكم والتصميم الرباعي من خلال توفير رؤى جديدة في التقنيات المتقدمة التي يمكن أن تعزز أداء الرباعي. ------------------------- ABSTRACT This thesis studies cutting-edge quadrotor technologies, focusing on simulating diverse behaviors and leveraging various controllers. With a primary goal of boosting stability and performance, the study integrates advanced control strategies: Proportional-Derivative (PD), Proportional-Integral-Derivative (PID), Linear Quadratic Regulator (LQR), and a hybrid LQR-PD controller. This research also involves a comprehensive comparative assessment of their effectiveness in enhancing quadrotor stability, analyzing key performance metrics like settling time, rise time, and overshoot across different scenarios to unveil subtle differentiators among these controllers. Furthermore, a quadrotor's architecture is designed based on Unified Robot Description Format (URDF) and Simulation Description Format(SDF) within GAZEBO11 to be controlled using the Robot Operating System 2 (ROS2). This project includes the construction of a new world that mimics the real world where the quadrotor is able to explore, identify, map, and locate the outside world and objects thanks to the employment of many sensors, including cameras, GPS, IMU, and LIDAR. The quadrotor's system control is built to provide control using PyQt6 as the base server, enabling connection to a smartphone or other device, and computer vision methods are employed for simple operation. This research aims to make a significant contribution to the field of quadrotor control and design by providing new insights into advanced technologies that can enhance the quadrotor's performance. ----------- RESUME Cettethèseétudieles technologies de quadrirotor de pointe, en se concentrant sur la simulation de divers comportements et en exploitant divers contrôleurs. Dans le but principal d'améliorer la stabilité et les performances, l'étude inclut des stratégies de contrôle avancées : proportionnel-dérivé (PD), proportionnel-intégral-dérivé (PID), régulateur linéaire quadratique (LQR) et un contrôleur hybride LQR-PD. Cette recherche implique aussi une évaluation comparative complète de leur efficacité dans l'amélioration de la stabilité du quadrirotor, en analysant des mesures de performances clés telles que le temps de stabilisation, le temps de montée et le dépassement dans différents scénarios pour dévoiler les différenciateurs subtils entre ces contrôleurs. De plus, l'architecture d'un quadrirotor est conçue sur la base de Format de Description de Robot Unifié (URDF) et Format de Description de la Simulation (SDF) dans GAZEBO11 pour être contrôlée à l'aide de la Système d'Exploitation Robotique 2 (ROS2). Ce projet comprend la construction d'un nouveau monde qui imite le monde réel où le quadrirotor est capable d'explorer, d'identifier, de cartographier et de localiser le monde extérieur et les objets grâce à l'utilisation de nombreux capteurs, y compris des caméras, GPS, IMU et LIDAR. Le système de contrôle du quadrotor est conçu pour fournir un contrôle en utilisant PyQt6 comme serveur de base, permettant la connexion à un smartphone ou à un autre appareil, et des méthodes de vision par ordinateur sont utilisées pour un fonctionnement simple. Cette recherche vise à apporter une contribution significative au domaine du contrôle et de la conception des quadrirotors en fournissant de nouvelles informations sur les technologies avancées qui peuvent améliorer les performances du quadrirotor.