Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi

Yıl 2024, Cilt: 6 Sayı: 3

Öz

Hava robotları erişebilir, basit ve üstün kabiliyetlerinden dolayı birçok uygulama alanında geniş yer bulmaktadır. Geniş bir yelpazede kullanılan hava robotlarından farklı beklentiler istenmektedir. Uygulama alanlarına özel oluşan bu beklentilere cevap verebilmek için hava robotlarında kullanılan geleneksel kontrolör tasarımlarında birtakım değişikliklere gidilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada bir hava robotunun yörünge takibi için genetik ayarlı ve integral etkisine göre çalışan doğrusal karesel regülatör (LQR) kontrolörü geliştirilmiştir. Bu kontrolörün performansını karşılaştırmak için LQR ve bulanık oransal-integral-türevsel (FPID) kullanılmıştır. Geliştirilen ve kullanılan kontrolörler model-tabanlı ve hibrit kontrolörler olarak ifade edilmektedir. Hava robotu olarak Parrot AR. Drone 2.0. kullanılmıştır. Belirtilen hava robotu MATLAB/Simulink ortamında 6 serbestlik derecesi (DOF) ile modellenmiştir. Geliştirilen kontrolörlerin performansları sekiz eğrisinin referans olarak takip edilmesi esnasında oluşan hata değerine göre değerlendirilmiştir. Hata değerleri ortalama kare hata karekökü (RMSE) kriterine göre incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre standart LQR kontrolör en yüksek RMSE hata değerini üretmiştir. Genetik ayarlı ve integral etkisine göre tasarlanan LQR kontrolör, standart LQR kontrolöre göre %43,22 FPID kontrolörüne göre %22,99 oranında daha başarılı sonuçlar elde etmiştir. MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilen simülasyon sonuçlarına göre sekiz eğrisi yörünge takibinde genetik ayarlı LQR kontrolörü daha başarılı sonuçlar elde ettiği gözlemlenmiştir.

Kaynakça

  • C.-C. Chang, J.-L. Wang, C.-Y. Chang, M.-C. Liang, M.-R. Lin, Development of a multicopter-carried whole air sampling apparatus and its applications in environmental studies, Chemosphere. 144 (2016), 484-492.
  • J.A. Paredes, J. González, C. Saito, A. Flores, Multispectral Imaging System with UAV Integration Capabilities for Crop Analysis, içinde: 2017 First IEEE International Symposium of Geoscience and Remote Sensing (GRSS-CHILE), 2017, 1-4.
  • S. Anweiler, D. Piwowarski, Multicopter platform prototype for environmental monitoring, Journal of Cleaner Production. 155 (2017), 204-211.
  • B.E. Schäfer, D. Picchi, T. Engelhardt, D. Abel, Multicopter Unmanned Aerial Vehicle for Automated Inspection of Wind Turbines, içinde: 2016 24th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), 2016, 244-249.
  • M. Stokkeland, K. Klausen, T.A. Johansen, Autonomous Visual Navigation of Unmanned Aerial Vehicle for Wind Turbine Inspection, içinde: 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2015, 998-1007.
  • D. Lee, H. Jin Kim, S. Sastry, Feedback linearization vs. adaptive sliding mode control for a quadrotor helicopter, International Journal of control, Automation and systems. 7 (2009), 419-428.
  • J. Farrell, M. Sharma, M. Polycarpou, Backstepping-based flight control with adaptive function approximation, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 28 (2005), 1089-1102.
  • Z. Zuo, C. Wang, Adaptive trajectory tracking control of output constrained multi-rotors systems, IET Control Theory & Applications. 8 (2014), 1163-1174.
  • J. Spencer, J. Lee, J.A. Paredes, A. Goel, D. Bernstein, An Adaptive Pid Autotuner for Multicopters with Experimental Results, içinde: 2022 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2022, 7846-7853.
  • Z.T. Dydek, A.M. Annaswamy, E. Lavretsky, Adaptive control of quadrotor UAVs: A design trade study with flight evaluations, IEEE Transactions on Control Systems Technology. 21 (2012), 1400-1406.
  • A.R. Dooraki, D.-J. Lee, Reinforcement Learning Based Flight Controller Capable of Controlling a Quadcopter with Four, Three and Two Working Motors, içinde: 2020 20th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2020, 161-166.
  • Y. Song, A. Romero, M. Müller, V. Koltun, D. Scaramuzza, Reaching the limit in autonomous racing: Optimal control versus reinforcement learning, Science Robotics. 8 (2023), 1-13.
  • C. Guzay, T. Kumbasar, Aggressive maneuvering of a quadcopter via differential flatness-based fuzzy controllers: From tuning to experiments, Applied Soft Computing. 126 (2022), 109223.
  • G. Unal, Integrated design of fault-tolerant control for flight control systems using observer and fuzzy logic, Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 93 (2021), 723-732.
  • E. Kayacan, R. Maslim, Type-2 Fuzzy Logic Trajectory Tracking Control of Quadrotor VTOL Aircraft with Elliptic Membership Functions, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 22 (2017), 339-348. doi:10.1109/TMECH.2016.2614672.
  • E. Yazid, M. Garrat, F.Santoso, Optimal PD Tracking Control of a Quadcopter Drone Using Adaptive PSO Algorithm, içinde The 2018 International Conference on Computer, Control, Informatics and its Application, 2018, 146-151.
  • M.S. Can, H. Ercan, Real-time tuning of PID controller based on optimization algorithms for a quadrotor, Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 94 (2021), 418-430.
  • Ş. Yıldırım, N. Çabuk, V. Bakırcıoğlu, Optimal PID controller design for trajectory tracking of a dodecarotor UAV based on grey wolf optimizer, Konya Journal of Engineering Sciences. 11 (2023), 10-20.
  • I. Siti, M. Mjahed, H. Ayad, A. El Kari, New trajectory tracking approach for a quadcopter using genetic algorithm and reference model methods, Applied Sciences. 9 (2019), 1780.
  • M.J. Mahmoodabadi, N.R. Babak, Robust fuzzy linear quadratic regulator control optimized by multi-objective high exploration particle swarm optimization for a 4 degree-of-freedom quadrotor, Aerospace Science and Technology. 97 (2020), 105598.
  • M.N. Shauqee, P. Rajendran, N.M. Suhadis, Proportional double derivative linear quadratic regulator controller using improvised grey wolf optimization technique to control quadcopter, Applied Sciences. 11 (2021), 2699.
  • A.O. Faouri, P. Kasap, maximum likelihood estimation for the nakagami distribution using particle swarm optimization algorithm with applications, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5 (2023), 169-178.
  • M. Hacıbeyoglu, M. Çelik, Ö. Erdaş Çiçek, K en yakın komşu algoritması ile binalarda enerji verimliliği tahmini, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5 (2023) 28-37.
  • M. Karakoyun, A. Özkış, transfer fonksiyonları kullanarak ikili güve-alev optimizasyonu algoritmalarının geliştirilmesi ve performanslarının karşılaştırılması, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 3 (2021) 1-10.
  • L. Meier, D. Honegger, M. Pollefeys, PX4: A Node-Based Multithreaded Open Source Robotics Framework For Deeply Embedded Platforms, içinde: IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2015.
  • ArduPilot Documentation — ArduPilot documentation, (t.y.). https://ardupilot.org/ardupilot/ (erişim 13 Haziran 2023).
  • L. Martins, C. Cardeira, P. Oliveira, Linear quadratic regulator for trajectory tracking of a quadrotor, IFAC-PapersOnLine. 52 (2019), 176-181.
  • G.J. Leishman, Principles of helicopter aerodynamics with CD extra, Cambridge university press, 2006.
  • L. Martins, Linear and nonlinear control of uavs: design and experimental validation, Master’s Thesis, Instituto Superior Técnico, Lisbon, Portugal, 2019.

Performance Evaluation of a Genetically Tuned LQR Controller for an Aerial Robot

Yıl 2024, Cilt: 6 Sayı: 3

Öz

Aerial robots are widely used in many application areas due to their accessibility, simplicity and superior capabilities. Different expectations are required from aerial robots used in a wide range of applications. In order to meet these application-specific expectations, it is necessary to make some changes in the traditional controller designs used in aerial robots. In this study, a linear quadratic regulator (LQR) controller with genetic tuning and integral effect is developed for trajectory tracking of an aerial robot. LQR and fuzzy proportional-integral-derivative (FPID) are used to compare the performance of this controller. The developed and used controllers are referred to as model-based and hybrid controllers. Parrot AR. Drone 2.0. is used as an aerial robot. The aerial robot is modeled in MATLAB/Simulink environment with 6 degrees of freedom (DOF). The performances of the developed controllers are evaluated according to the error value during the tracking of the eight curve as a reference. The error values are analyzed according to the root mean square error (RMSE) criterion. According to the results obtained, the standard LQR controller produced the highest RMSE error value. The LQR controller designed according to genetic tuning and integral effect obtained 43.22% better results than the standard LQR controller and 22.99% better results than the FPID controller. According to the simulation results in MATLAB/Simulink environment, it is observed that the genetically tuned LQR controller achieves better results in eight curve trajectory tracking.

Kaynakça

  • C.-C. Chang, J.-L. Wang, C.-Y. Chang, M.-C. Liang, M.-R. Lin, Development of a multicopter-carried whole air sampling apparatus and its applications in environmental studies, Chemosphere. 144 (2016), 484-492.
  • J.A. Paredes, J. González, C. Saito, A. Flores, Multispectral Imaging System with UAV Integration Capabilities for Crop Analysis, içinde: 2017 First IEEE International Symposium of Geoscience and Remote Sensing (GRSS-CHILE), 2017, 1-4.
  • S. Anweiler, D. Piwowarski, Multicopter platform prototype for environmental monitoring, Journal of Cleaner Production. 155 (2017), 204-211.
  • B.E. Schäfer, D. Picchi, T. Engelhardt, D. Abel, Multicopter Unmanned Aerial Vehicle for Automated Inspection of Wind Turbines, içinde: 2016 24th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), 2016, 244-249.
  • M. Stokkeland, K. Klausen, T.A. Johansen, Autonomous Visual Navigation of Unmanned Aerial Vehicle for Wind Turbine Inspection, içinde: 2015 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS), 2015, 998-1007.
  • D. Lee, H. Jin Kim, S. Sastry, Feedback linearization vs. adaptive sliding mode control for a quadrotor helicopter, International Journal of control, Automation and systems. 7 (2009), 419-428.
  • J. Farrell, M. Sharma, M. Polycarpou, Backstepping-based flight control with adaptive function approximation, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 28 (2005), 1089-1102.
  • Z. Zuo, C. Wang, Adaptive trajectory tracking control of output constrained multi-rotors systems, IET Control Theory & Applications. 8 (2014), 1163-1174.
  • J. Spencer, J. Lee, J.A. Paredes, A. Goel, D. Bernstein, An Adaptive Pid Autotuner for Multicopters with Experimental Results, içinde: 2022 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2022, 7846-7853.
  • Z.T. Dydek, A.M. Annaswamy, E. Lavretsky, Adaptive control of quadrotor UAVs: A design trade study with flight evaluations, IEEE Transactions on Control Systems Technology. 21 (2012), 1400-1406.
  • A.R. Dooraki, D.-J. Lee, Reinforcement Learning Based Flight Controller Capable of Controlling a Quadcopter with Four, Three and Two Working Motors, içinde: 2020 20th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS), 2020, 161-166.
  • Y. Song, A. Romero, M. Müller, V. Koltun, D. Scaramuzza, Reaching the limit in autonomous racing: Optimal control versus reinforcement learning, Science Robotics. 8 (2023), 1-13.
  • C. Guzay, T. Kumbasar, Aggressive maneuvering of a quadcopter via differential flatness-based fuzzy controllers: From tuning to experiments, Applied Soft Computing. 126 (2022), 109223.
  • G. Unal, Integrated design of fault-tolerant control for flight control systems using observer and fuzzy logic, Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 93 (2021), 723-732.
  • E. Kayacan, R. Maslim, Type-2 Fuzzy Logic Trajectory Tracking Control of Quadrotor VTOL Aircraft with Elliptic Membership Functions, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 22 (2017), 339-348. doi:10.1109/TMECH.2016.2614672.
  • E. Yazid, M. Garrat, F.Santoso, Optimal PD Tracking Control of a Quadcopter Drone Using Adaptive PSO Algorithm, içinde The 2018 International Conference on Computer, Control, Informatics and its Application, 2018, 146-151.
  • M.S. Can, H. Ercan, Real-time tuning of PID controller based on optimization algorithms for a quadrotor, Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 94 (2021), 418-430.
  • Ş. Yıldırım, N. Çabuk, V. Bakırcıoğlu, Optimal PID controller design for trajectory tracking of a dodecarotor UAV based on grey wolf optimizer, Konya Journal of Engineering Sciences. 11 (2023), 10-20.
  • I. Siti, M. Mjahed, H. Ayad, A. El Kari, New trajectory tracking approach for a quadcopter using genetic algorithm and reference model methods, Applied Sciences. 9 (2019), 1780.
  • M.J. Mahmoodabadi, N.R. Babak, Robust fuzzy linear quadratic regulator control optimized by multi-objective high exploration particle swarm optimization for a 4 degree-of-freedom quadrotor, Aerospace Science and Technology. 97 (2020), 105598.
  • M.N. Shauqee, P. Rajendran, N.M. Suhadis, Proportional double derivative linear quadratic regulator controller using improvised grey wolf optimization technique to control quadcopter, Applied Sciences. 11 (2021), 2699.
  • A.O. Faouri, P. Kasap, maximum likelihood estimation for the nakagami distribution using particle swarm optimization algorithm with applications, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5 (2023), 169-178.
  • M. Hacıbeyoglu, M. Çelik, Ö. Erdaş Çiçek, K en yakın komşu algoritması ile binalarda enerji verimliliği tahmini, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 5 (2023) 28-37.
  • M. Karakoyun, A. Özkış, transfer fonksiyonları kullanarak ikili güve-alev optimizasyonu algoritmalarının geliştirilmesi ve performanslarının karşılaştırılması, Necmettin Erbakan University Journal of Science and Engineering. 3 (2021) 1-10.
  • L. Meier, D. Honegger, M. Pollefeys, PX4: A Node-Based Multithreaded Open Source Robotics Framework For Deeply Embedded Platforms, içinde: IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2015.
  • ArduPilot Documentation — ArduPilot documentation, (t.y.). https://ardupilot.org/ardupilot/ (erişim 13 Haziran 2023).
  • L. Martins, C. Cardeira, P. Oliveira, Linear quadratic regulator for trajectory tracking of a quadrotor, IFAC-PapersOnLine. 52 (2019), 176-181.
  • G.J. Leishman, Principles of helicopter aerodynamics with CD extra, Cambridge university press, 2006.
  • L. Martins, Linear and nonlinear control of uavs: design and experimental validation, Master’s Thesis, Instituto Superior Técnico, Lisbon, Portugal, 2019.
Toplam 29 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mekatronik Mühendisliği
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Ali Tahir Karaşahin 0000-0002-7440-1312

Erken Görünüm Tarihi 8 Aralık 2024
Yayımlanma Tarihi
Gönderilme Tarihi 26 Aralık 2023
Kabul Tarihi 11 Haziran 2024
Yayımlandığı Sayı Yıl 2024 Cilt: 6 Sayı: 3

Kaynak Göster

APA Karaşahin, A. T. (2024). Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6(3).
AMA Karaşahin AT. Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi. NEU Fen Muh Bil Der. Aralık 2024;6(3).
Chicago Karaşahin, Ali Tahir. “Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi”. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 6, sy. 3 (Aralık 2024).
EndNote Karaşahin AT (01 Aralık 2024) Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 6 3
IEEE A. T. Karaşahin, “Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi”, NEU Fen Muh Bil Der, c. 6, sy. 3, 2024.
ISNAD Karaşahin, Ali Tahir. “Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi”. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 6/3 (Aralık 2024).
JAMA Karaşahin AT. Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi. NEU Fen Muh Bil Der. 2024;6.
MLA Karaşahin, Ali Tahir. “Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi”. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 6, sy. 3, 2024.
Vancouver Karaşahin AT. Bir Hava Robotu İçin Geliştirilen Genetik Ayarlı LQR Kontrolörün Performansının Değerlendirilmesi. NEU Fen Muh Bil Der. 2024;6(3).


32206                   17157           17158