Loading...

Developing a Heuristic Filter Utilizing Firefly Optimization Algorithm: A Case Study on State Estimation of a Slung Payload from a Quadrotor

Raoufi, Mohsen | 2018

898 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 51040 (45)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Aerospace Engineering
  6. Advisor(s): Nobahari, Hadi
  7. Abstract:
  8. The aim of the present thesis is to develop a novel heuristic filter by utilizing Firefly Optimization Algorithm for state estimation of nonlinear, non-Gaussian systems. The proposed filter formulates the estimation problem as a dynamic, stochastic one. The swarm intelligence of the fireflies enables the filter to find and track the best estimation. To estimate the states of a system, the model of the system is required. Hence, an 8-DoF quadrotor with slung payload system, as a case study, is modeled by the tensor method. In this case, as a highly nonlinear system, in order not to rely on extra sensors for monitoring swing-angle, the estimation of payload states is needed. In this regard, the measurement system includes an Attitude and Heading Reference System (AHRS), and a GPS in the simulation. In the implementation phase, an AHRS in conjunction with a downward looking camera with high sample-time provide the measurement data. In order to verify the proposed model, a variety of simulations with various assumptions are conducted. Then, some well-known estimation benchmarks are used to evaluate the performance of Firefly Filter. The results show successful performance of the developed filter in comparison with other nonlinear filters such as EKF, Schmidt-Orthogonal UKF, and Particle Filter. Finally, the filter estimates the state of the quadrotor and its slung payload in both simulation and implementation phases. The results of the implementation phase demonstrate the capability of the proposed filter for real-time applications
  9. Keywords:
  10. State Estimation ; Nonlinear Filters ; Firefly Filter ; Heuristic Filter ; Firefly Optimization Algorithm ; Quadrotor with Slung Payload

 Digital Object List

 Bookmark

  • 1 ‌مقدمه
    • 1.1 انگیزه پژوهش
    • 1.2 تعریف مسئله
    • 1.3 چهارپره‎
    • 1.4 اهداف و نوآوری‌ها
    • 1.5 محتوای گزارش
  • 2 پیشینه پژوهش
    • 2.1 حمل بار آویزان توسط چهارپره
    • 2.2 تخمین حالت
    • 2.3 فیلترهای ابتکاری
  • 3 مدل‌سازی و شبیه‌سازی بار آویزان از چهارپره
    • 3.1 فرضیات و تعاریف
      • 3.1.1 معرفی قاب‎ها
        • 3.1.1.1 قاب و دستگاه بدنی چهارپره
        • 3.1.1.2 قاب و دستگاه بدنی بار
        • 3.1.1.3 قاب و دستگاه اینرسی
      • 3.1.2 انتقال بین دستگاه‎ها
        • 3.1.2.1 ماتریس تبدیل از دستگاه اینرسی به دستگاه بدنی
        • 3.1.2.2 ماتریس تبدیل از دستگاه اینرسی به دستگاه بار
        • 3.1.2.3 زوایای نسبی بار و بدنه
    • 3.2 معادلات حرکت
      • 3.2.1 حرکت انتقالی
      • 3.2.2 حرکت دورانی چهارپره
      • 3.2.3 معادله حرکت دورانی بار آویزان
      • 3.2.4 تفکیک مشتق متغیرهای حالت
    • 3.3 جمع‌بندی معادلات حرکت
    • 3.4 شبیه‌سازی سیستم
      • 3.4.1 شبیه‌سازی سقوط آزاد بدون تاثیر نیروهای آیرودینامیکی
      • 3.4.2 شبیه‎سازی سقوط آزاد با تاثیر نیروهای آیرودینامیکی
      • 3.4.3 شبیه‎سازی حرکت آونگی بار آویزان بدون میرایی دورانی
      • 3.4.4 شبیه‎سازی حرکت آونگی بار آویزان با میرایی دورانی مفصل
      • 3.4.5 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره با فرض صفربودن جرم بار
      • 3.4.6 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره و بار آویزان با فرض اصطکاک بی‌نهایت در مفصل
      • 3.4.7 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره و بار آویزان
    • 3.5 کنترل‌کننده
    • 3.6 شبیه‌سازی سیستم در حضور کنترل‎کننده
      • 3.6.1 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره و بار آویزان با تحریک پالسی زاویه
      • 3.6.2 شبیه‎سازی تحریک سینوسی زاویه چهارپره
      • 3.6.3 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره و بار آویزان با تحریک زاویه چهارپره با فرکانس طبیعی بار
      • 3.6.4 شبیه‎سازی حرکت آونگی چهارپره و بار آویزان با تحریک پالسی زاویه
      • 3.6.5 شبیه‎سازی حرکت دورانی چهارپره و بار آویزان با تحریک پالسی زاویه
      • 3.6.6 شبیه‎سازی حرکت چهارپره و بار آویزان با تحریک ارتفاع چهارپره
      • 3.6.7 شبیه‎سازی سیستم هشت‎ درجه ‎آزادی چهارپره با بار آویزان
      • 3.6.8 شبیه‎سازی سیستم هشت‎ درجه‎ آزادی چهارپره با بار سنگین‎تر
  • 4 فیلتر جدید مبتنی بر الگوریتم بهینه‌سازی حشره شب‌تاب
    • 4.1 مدل‌سازی و تحلیل مسئله تخمین
      • 4.1.1 مدل دینامیکی سیستم
      • 4.1.2 مدل اندازه‎گیری
      • 4.1.3 نویزهای سیستم
        • 4.1.3.1 نویز فرآیند
        • 4.1.3.2 نویز اندازه‎گیری
      • 4.1.4 کواریانس خطای تخمین
    • 4.2 الگوریتم بهینه‌سازی حشره شب‌تاب
      • 4.2.1 رفتار شب‎تاب‎ها در طبیعت
      • 4.2.2 جذابیت هر حشره
      • 4.2.3 حرکت حشرات به سمت یکدیگر
    • 4.3 فیلتر مبتنی بر رفتار حشره شب‎تاب
      • 4.3.1 مقداردهی اولیه
      • 4.3.2 انتشار حشرات
      • 4.3.3 به‎روزرسانی اندازه‎گیری
      • 4.3.4 محاسبه‎ هزینه هر حشره
      • 4.3.5 نرمالیزه‌کردن تابع هزینه
      • 4.3.6 حرکت حشرات به سمت یکدیگر
      • 4.3.7 شرط توقف حلقه‎ها
      • 4.3.8 تخمین حالت
    • 4.4 محاسبه کواریانس خطای تخمین
    • 4.5 معیار‎ ارزیابی ریشه میانگین مربع خطا
  • 5 ارزیابی عملکرد فیلتر حشره شب‌تاب و نتایج
    • 5.1 ارزیابی عملکرد فیلتر حشره‎ شب‎تاب با استفاده از مسائل سنجه
      • 5.1.1 مسئله سنجه اول
        • 5.1.1.1 پارامترهای فیلتر FFو نتایج آن
        • 5.1.1.2 پارامترهای فیلتر SO-UKF و نتایج آن
        • 5.1.1.3 پارامترهای فیلتر ذره‌ای و نتایج آن
        • 5.1.1.4 مقایسه نتایج
      • 5.1.2 مسئله سنجه دوم
        • 5.1.2.1 پارامترهای فیلتر FFو نتایج آن
        • 5.1.2.2 پارامترهای فیلتر EKF و نتایج آن
        • 5.1.2.3 پارامترهای فیلتر ذره‌ای و نتایج آن
        • 5.1.2.4 پارامترهای فیلتر CACF و نتایج آن
        • 5.1.2.5 مقایسه نتایج
    • 5.2 نتایج پیاده‎سازی نرم‎افزاری فیلتر FF بر سیستم چهارپره با بارآویزان
    • 5.3 نتایج پیاده‎سازی نرم‎افزاری فیلتر FF بر سیستم چهارپره با بارآویزان با فرض عدم قطعیت در مدل‎سازی سیستم
    • 5.4 پیاده‎سازی در حالت خارج خط بر سیستم چهارپره با بار آویزان
      • 5.4.1 سیستم‎ تخمین متغیرهای حالت چهارپره با بار آویزان
        • 5.4.1.1 پردازشگر
        • 5.4.1.2 حسگر AHRS
        • 5.4.1.3 مبدل آنالوگ به دیجیتال
        • 5.4.1.4 انکودر زاویه
        • 5.4.1.5 ماژول پردازش تصویر
        • 5.4.1.6 چهارپره و اجزا آن
        • 5.4.1.7 ساختار سیستم تخمین
      • 5.4.2 تخمین متغیرهای حالت سیستم با استفاده از فیلتر FF
  • 6 نتیجه‌گیری و پیشنهادات
    • 6.1 نوآوری‎های پایان‌نامه
    • 6.2 پیشنهادات برای ادامه کار
  • منابع و مراجع
  • واژه‌نامه
  • پيوست‌ها
  • Word Bookmarks
    • OLE_LINK5
    • OLE_LINK6
...see more