A robust control design approach for altitude control and trajectory tracking of a quadrotor

Introduction. Unmanned aerial vehicles as quadcopters, twin rotors, fixed-wing crafts, and helicopters are being used in many applications these days. Control approaches applied on the quadrotor after decoupling the model or separate altitude control and trajectory tracking have been reported in the literature. A robust linear H∞ controller has been designed for both altitude control and circular trajectory tracking at the desired altitude. Problem. The ability of the quadrotor system to hover at a certain height and track any desired trajectory makes their use in many industrial applications in both military and civil applications. Once a controller has been designed, it may not be able to maintain the desired performance in practical scenarios, i.e. in presence of wind gusts. Originality. This work presents the control strategy to ensure both altitude control and trajectory tracking using a single controller. Purpose. However, there is a need for a single controller that ensures both altitude control and trajectory tracking. Novelty. This paper presents a robust H∞ control for altitude control and trajectory tracking for a six degree of freedom of unmanned aerial vehicles quadrotor. Methodology. Multi input multi output robust H∞ controller has been proposed for the quadrotor for altitude control and tracking the desired reference. For the controller validation, a simulation environment is developed in which a 3D trajectory is tracked by the proposed control methodology. Results. Simulation results depict that the controller is efficient enough to achieve the desired objective at minimal control efforts. Practical value. To verify that the proposed approach is able to ensure stability, altitude control, and trajectory tracking under practical situations, the performance of the proposed control is tested in presence of wind gusts. The ability of the controller to cater to the disturbances within fractions of seconds and maintaining both transient and steady-state performance proves the effectiveness of the controller.Вступ. Безпілотні літальні апарати, такі як квадрокоптери, двороторні апарати, апарати з нерухомими крилами та гелікоптери сьогодні використовуються у багатьох сферах застосування. У літературі повідомляється про підходи до керування, застосовані на квадрокоптері після від’єднання моделі або окремого контролю висоти та відстеження траєкторії. Надійний лінійний регулятор H∞ був розроблений як для контролю висоти, так і для відстеження кругової траєкторії на потрібній висоті. Проблема. Здатність квадрокоптерної системи зависати на певній висоті та відстежувати будь-яку бажану траєкторію робить їх застосування можливим у багатьох сферах як у військових, так і в цивільних цілях. Розроблений контролер може не підтримувати бажані характеристики у реальних умовах, тобто за наявності поривів вітру. Оригінальність. У цій роботі представлена стратегія керування, яка забезпечує як контроль висоти, так і відстеження траєкторії за допомогою одного контролера. Мета. Однак існує потреба в єдиному контролері, який забезпечує як контроль висоти, так і відстеження траєкторії. Новизна. У цій статті представлено надійний регулятор H∞ для контролю висоти та відстеження траєкторії для шести ступенів свободи безпілотних літальних апаратів. Методологія. Для квадрокоптера запропоновано багатовхідний багатовихідний надійний контролер H∞ для контролю висоти та відстеження бажаного курсу. Для перевірки контролера розробляється середовище моделювання, в якому тривимірна траєкторія відстежується за запропонованою методологією керування. Результати. Результати моделювання показують, що контролер є досить ефективним для досягнення бажаної мети при мінімальних зусиллях контролю. Практична цінність. Щоб переконатися, що запропонований підхід здатний забезпечити стабільність, контроль висоти та відстеження траєкторії в реальних ситуаціях, параметри запропонованого контролю перевіряються за наявності поривів вітру. Здатність контролера усувати порушення протягом кількох секунд і підтримувати як перехідні, так і стабільні показники доводить ефективність контролера