نشریه علمی پژوهش های نوین در سامانه های دفاع الکترونیکی

نشریه علمی پژوهش های نوین در سامانه های دفاع الکترونیکی

طراحی کنترل‌کننده نوین مبتنی بر فرمان‌یار بصری تصویرپایه برای فرود خودکار کوادروتور بر روی سکو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکتری کنترل،گروه مهندسی برق،واحد تهران جنوب،دانشگاه آزاد اسلامی،تهران،ایران.
2 گروه مهندسی برق، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 گروه مهندسی برق، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
10.22034/joeds.2025.529112.1094
چکیده
در این مقاله، یک چارچوب نوین برای فرود خودکار کوادروتور با استفاده از کنترل‌کننده فرمان‌یار بصری مبتنی بر تصویر ارائه شده است. سیستم پیشنهادی با ترکیب الگوریتم‌های پیشرفته بینایی ماشین و کنترل پیش‌بین مدل (MPC)، امکان فرودی دقیق، نرم و بهینه از نظر مصرف انرژی را حتی در شرایط اغتشاشی و پس‌زمینه‌های پیچیده فراهم می‌کند. در این مدل، نشانگر AprilTag با استفاده از شبکه عصبی کانولوشنی مبتنی بر ناحیه (RCNN) شناسایی می‌شود و ویژگی‌های تصویری با الگوریتم‌های HOG و SIFT استخراج شده و به‌صورت بلادرنگ به کنترل‌کننده ارسال می‌شوند. کنترل‌کننده MPC با دریافت اطلاعات بصری و در نظر گرفتن محدودیت‌های انرژی، زمان، و فاصله، مسیر فرود بهینه را محاسبه می‌کند. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که روش پیشنهادی در مقایسه با کنترل‌کننده‌های PID و SMC، دارای دقت بیشتر در ردیابی مسیر، مصرف انرژی کمتر، و تاب‌آوری بالاتر در برابر اغتشاشات خارجی است. همچنین، خطای موقعیت زیر ۵ سانتی‌متر، تشخیص تصویری دقیق، و پاسخ سریع به تغییرات محیطی از دیگر ویژگی‌های سیستم پیشنهادی است. این چارچوب گامی مؤثر در جهت دستیابی به سیستم‌های فرود خودکار دقیق، ایمن، و مستقل از GPS برای کوادروتورها محسوب می‌شود.

واژه‌های کلیدی: کنترل پیش‌بین مدل، فرمان‌یار بصری، کوادروتور، فرود خودکار، بینایی ماشین، یادگیری عمیق.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Design of a Novel Controller Based on Image-based Visual Servoing for Autonomous Landing of a Quadcopter on a Platform

نویسندگان English

Anna Farsimadan 1
Amir Hooshang Mazinan 2
mehdi siahi 3
1 Department of Control Engineering, ST.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 . Department of Control Engineering, ST. C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
3 Department of Control Engineering, ST. C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

This paper presents a novel framework for the autonomous landing of quadcopters using a vision-based visual servoing controller. The proposed system integrates advanced computer vision algorithms and model predictive control (MPC) to enable precise, smooth, and energy-efficient landings on platforms, even under external disturbances and complex backgrounds. AprilTag-based visual markers are detected using Region-based Convolutional Neural Networks (RCNN), while HOG and SIFT features are used to estimate position and orientation with sub-decimeter accuracy. The extracted visual information feeds into the MPC module, which generates an optimized trajectory considering control input constraints, energy consumption, and obstacle avoidance. Simulation results reveal that the proposed MPC controller significantly outperforms PID and sliding mode control (SMC) methods in terms of path tracking accuracy, energy consumption, and disturbance rejection. The system maintains position errors under 5 cm and reduces cumulative energy use by more than 50% compared to conventional methods. Moreover, real-time processing and visual feedback ensure robust performance in environments with grass, lighting changes, and wind gusts. Sensitivity analysis confirms that the controller remains stable under parameter variations. These findings demonstrate the effectiveness of combining deep visual recognition with predictive control for high-precision autonomous UAV landing missions.

Key words: Model Predictive Control, Visual Servoing, Quadcopter, Autonomous Landing, Computer Vision, Deep Learning, AprilTag.

کلیدواژه‌ها English

Model Predictive Control
Visual Servoing
Quadcopter
Autonomous Landing
Computer Vision