I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n  ( I J R A)   Vo l. 9 ,   No . 4 ,  Dec em b er   2 0 2 0 ,   p p .   2 5 6 ~ 2 7 0   I SS N:  2089 - 4 8 5 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i jr a . v9 i 4 . pp 2 5 6 - 2 7 0     256       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   The qua dro tor dy na mic mo deling  a nd study  of  meta - heuristic   a lg o rithms perfor ma nce on o ptimiz a tion o f  PID  cont ro ller inde x   to co ntrol a ng les  a nd t ra cking   the  ro ute       At a   J a ha ng ir  M o s ha y ed i 1 ,   M a hy a r  G heibo lla hi 2 ,   L ief a   L ia o 3   1, 3 S c h o o l  o f  I n fo rm a ti o n   E n g i n e e rin g ,   Un i v e rsity   o f  S c ien c e   a n d   Te c h n o l o g y ,   C h in a   2 Kh o m e in ish a h r  Bra n c h ,   Az a d   U n iv e rsit y ,   Ira n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   1 2 ,   2 0 20   R ev is ed   J u n   7 ,   2 0 20   Acc ep ted   Au g   4 ,   2 0 20       In   t h e   las t  d e c a d e ,   b e c a u se   o f  th e   u n iq u e   s p e c if ica ti o n   o f   v e r t ica l   f l iers ,   sc ie n ti s ts   a n d   r e se a r c h e rs   h a d   a   s p e c ial   f o c u s   o n   t h e m .   T h e   p a r ti c u lar   a b il it ies   o f   t h e se   fl ier s  c a n   b e   m e n ti o n e d   s u c h   a s:   h i g h   m a n e u v e r   a b i li t y ,   l o w  e x p e n se s ,   d e c re a se   i n   r a d a r   i d e n ti fi e r   a n d   l o w  t h r e a t  f o r   t h e   h u m a n   l ife .   T h e y   a l so   h a v e   n o   l imi ta ti o n   i n   d im e n si o n .   M o re o v e r ,   b e c a u se   o f   s o m e   a p p l ic a ti o n s   li k e   p h o t o g ra p h y ,   t o p o g ra p h y ,   n e ws   c o v e r a g e ,   st u d y   o f  p o we r   l i n e s  a n d   a e r o l o g y   a n a l y si s,   t h e y   c a n   b e   n o ta b le   f o r  u si n g .   T h e se   f li e rs   a ls o   a re   s i g n i fi c a n t l y   im p o rt a n t  b e c a u se   o f  m o n i t o r i n g   i n   u r b a n   re g io n s,   a g r ic u l t u ra l  h a rv e st   a n d   sp ra y   p o i s o n ,   i ll e g a l   im p o r ts ,   e x p o r ts   a d m i n is tra ti o n   a n d   f ire   d i s ti n c ti o n   i n   o r d e r  t o   c o n tr o l  t h e   fi re .   Be s i d e s ,   se e k   a n d   re sc u e   m i ss i n g   p e o p l e   a n d   a ls o   n a t u ra l  d i sa s ters   c a n   b e   p re - d e te r m i n e d   w h ic h   c a u s e s  s ti m u l u s   i n v e sti g a t o r s  t o   a c t  a n d   p u t  d i ffe re n t  t o p ics   i n   f ro n t  o f   t h e m .   O n e   o f   t h e s e   f ie ld s  is   u si n g     m e ta - h e u ri st ic  a l g o r i t h m s  wi t h   t h e   c a p a b i l it y   o f   u si n g   i n   c o n tr o l  s y ste m s.     T h e   P ID   c o n t r o l ler   a s  a   c las s ic   m o d e l   h a s   s o m e   li m i tat i o n s ,   b u t   b y   o p t im iza t i o n   o f  s p e c ia l  i n d e x   t h r o u g h   m e ta - h e u ri st ic  a l g o r it h m s,  i t  h a s   s h o w n   a c c e p ta b le   re s u lt s.   I n   t h is   s t u d y ,   fi rs t,   t h e   h is t o r y   o f   v e r t ica l   f li e rs   a n d   q u a d r o t o r   a re   i n v e s ti g a te d .   T h e n ,   a f te r   a   r e v iew   o f   o v e r u se d   m e th o d s,   t h e   q u a d r o t o r   c o n tr o l   h a s   b e e n   d o n e .   A ft e rwa r d ,   t h e   c i n e m a ti c   a n d   d y n a m ic   o f   q u a d r o t o r   is   p re se n te d .   Ne x t   b y   d e si g n i n g   o f   P ID   c o n t ro l ler ,   P ID   i n d e x   o p t im iza t i o n   b y   n a t u r e   in s p i re d   a l g o r it h m ,   p a r ti c le sw a rm   o p t im iza t io n   ( P S O) ,   g e n e ti c   a l g o r it h m s   (G A) ,   a n d   f i re f ly   a l g o r it h m s  (F A)   h a v e   b e e n   st u d ie d .   Dy n a m ic   s y s tem ,   c o n tr o ll e r   a n d   m e n t i o n e d   o p t imiz a t i o n   m e t h o d s   o f   P ID   c o n tr o l le r  i n d e x   h a v e   a ls o   b e e n   im p lem e n te d   i n   M AT LA B  s o f tw a re .   A ls o ,   wit h   d u e   a t te n t i o n   t o   t h e   c o m p a ris o n   c r it e r ia  t h e   P ID - P S O  c o n tr o ll e r  h a s   s h o w n   t h e   b e s t   p e r fo rm a n c e .   Ne x t ,   b y   a p p l y i n g   c h a ll e n g i n g   ro u tes ,   t h e   sta b i l it y   o f   c o n tr o l ler   i n   t h e   s im u l a ti o n   is   e v a l u a te d .   T h e n ,   m a k i n g   q u a d r o t o r   i s   d o n e   i n   p ra c t ice   a l o n g   wi t h   i n t r o d u c i n g   t h e   u se d   im p lem e n tat i o n   o f   P ID - P S O   c o n tr o l le r  re s u lt s   o n   t h e   re a l   r o b o t,   a n d   it s  sta b il it y   is   e v a l u a te d   p ra c t ica l l y .   K ey w o r d s :   Fire f ly   alg o r ith m   Gen etic  alg o r ith m   Op tim izatio n   alg o r ith m s   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   alg o r ith m   PID   co n tr o ller   Qu ad r o to r   R o b o t   UAV   Un m an n ed   f lier   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ata  J ah an g ir   Mo s h ay ed i,   Sch o o l  of   I n f o r m atio n   E n g in e er in g ,   Un iv er s ity   of   Scien ce   an d   T ec h n o lo g y ,   J ian g x i,  C h in a.   E m ail: a jm @ jx u s t.e d u . cn       1.   I NT RO D UCT I O N   I n   r ec en t y ea r s ,   q u a d r o to r   u s ag e  to   d o   d if f er e n t ta s k s   is   r aisi n g .   Hig h   m an eu v er ab ilit y ,   lo w   ex p en s es,  d ec r ea s e  th e  u s e  o f   r ad ar   id en tifie r ,   lo w  th r ea t  f o r   h u m a n   life   an d   n o   lim itatio n   o n   d im en s io n ,   ar e  th e  f ac to r s   o f   lead in g   to   m o r e  atten tio n   [ 1 ] .   T h e  q u ad r o to r   is   an   u n m a n n ed   f lier   with   th e  f r am e  s h a p e  o f   X  a n d   H.   I t   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4 8 5 6       Th e  q u a d r o t o r   d yn a mic  mo d elin g   a n d   s tu d y  o f m eta - h eu r is tic  a lg o r ith ms ... ( A ta   J a h a n g ir   Mo s h a ye d )   257   th e  s u b g r o u p   o f   m u ltiro to r   with   th e  h elp   o f   4   f a n s   to   p r o p el  f o r ce ,   as  a  q u a d   ( f o u r )   ca lled   q u ad r o to r .   I t  is   als o  ch an g e - a b le  ac co r d in g   to   th e   f r am e  an d   e q u ip m e n t.  T h ese  s u p p lies   h av e  f o u r   o p e r ato r s   o r   r o to r   at   th e  e n d   o f   ea ch   ar m   wh ich   in   th eir   s tr u ctu r e,   th e  ar m s   ar e  s y m m etr ical,   s am e  d is tan ce   an d   s am e  d im en s io n .   T h e  r o to r s   ar e  T u r n in g   in   clo ck wis e  an d   co u n ter   clo c k wis e  m an n er   to   m o v e  th e  b o d y   [ 2 ] .   I n   g en er al,   co n t r o llin g   q u ad r o to r   m o v em en ts   is   d o n e   b y   s ettin g   en g in e  v elo city .   T o   co n tr o l  r o b o t  m o v em en t s   3   an g les  o f   ‘ r o ll ' ,   ‘ p itch '   an d   ‘ y aw '   s h o u ld   b e  s et.   Mo v in g   u p   is   d o n e  b y   u s in g   s p ee d   ad ju s tm en ts   in   ev er y   r o to r   th r o u g h   p u ls e   an d   wid th   m ed icatio n   t o   g et  f av o r ab le  o u tp u t  [ 3 ] .   T h e  q u a d r o to r s   with   th e  h elp   o f   f o u r   r o to r s   an d   s ep ar ate   p r o p eller   an d   p ai r wis e  tu r n in g   in   t h e  o p p o s ite  d ir ec tio n   m ak e  n eu tr al   to r q u e   an d   it  lead s   to   th e  r esu ltin g   f o r ce   [ 4 ,   5] .   Gen e r ally ,   th e  f lier   is   im ag in ed   in   th e  s p ac e  as  a  f r ee   o b ject  an d   with   6   d eg r ee s   o f   f r ee d o m .   So ,   th e   f lier ’ s   p o s itio n   an d   its   s itu atio n   ca n   b e  d escr ib ed   co m p letely .   T h e  p o s itio n   is   co n tain in g   th r ee   lin ea r   an d   th r ee   cir cu lar   m o v em en ts   co n s is tin g   o f   t u r n in g   ar o u n d   X - ax is   ( r o ll ) ,   tu r n in g   a r o u n d   Y - a x is   ( p itch )   an d   tu r n in g   ar o u n d   Z - a x is   ( y aw )  [ 4 ]   to   co n tr o l  an d   tu n e  th e   Qu ad   r o t o r   co n tr o ller   an d   v a r io u s   m et h o d s   ar e  in v esti g ated   wh ich   m en tio n e d   in   o u r   p r ev i o u s   r esear ch   p ap e r   [ 6 ] .   I n   th is   s tu d y   af ter   m o d ellin g   th e  Qu a d r o to r   a n d   im p ly i n g   th e  r ea l   p ar am eter   to   th e   m o d el,   th e   PID   p ar a m eter   a r e  t u n ed   with   t h e  h elp   o f   th r ee   f am o u s   m eta - h eu r is tic  alg o r ith m s   an d   th e n   af te r   s elec tin g   th e   b est  p er f o r m a n ce   th e   ex tr ac ted   v alu es  ar e   lo ad e d   o n   r ea l  p latf o r m   an d   th e  r ea l  p er f o r m an ce   a n d   s im u latio n   ar e  co m p ar ed .   I n   th is   r esear ch   p ap er   th e  Qu ad r o to r   m o d elin g   a n d   its   r elativ e  p ar am eter   wh ich   is   u s ed   to   s im u late  th e   Qu ad r o to r   ar e  d escr ib ed   in   Sectio n   1 .   T h en ,   in   Sectio n   2   th e   PID   co n tr o ller   an d   t h r ee   Me t a  h eu r is tic  o p tim izatio n   alg o r ith m s   n am ed   p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PSO ) ,  g en etic  alg o r ith m s   ( GA ) ,   an d   f ir ef ly   alg o r ith m s   ( FA )   ar e  elab o r ated .   Sectio n   4   d escr ib es  t h e  s im u latio n   r esu lt   an d   co m p a r is o n   o f   m e n tio n e d   alg o r ith m   p e r f o r m an ce .   T h is   c o m p ar is o n   is   b ased   o n   q u ad r o t o r   m o d elin g   in   th e   MA T L A B   s o f twar e  to   o p tim ize  th e  PID   co n tr o ller   an d   th e  q u ad r o to r   s tab ilit y   with   th e  f o u r   d ef in ed   p ath s .   I n   s ec tio n   5 ,   to   co m p a r e  th e  s im u latio n   an d   r ea l  s itu atio n ,   th e  ex tr ac ted   o p tim ized   p ar am eter   f r o m   PS O   alg o r ith m   ar e  im p lem en ted   o n   r ea l  p latf o r m .   T h en ,   it  c o m p ar es  th e  er r o r   b etwe en   th e  p l an n ed   p at h   an d   r ea l  r o b o t  m o v em en t.  T h e  p ap e r   e n d ed   with   th e  co n clu s io n   in   s ec tio n   6 .   T h e  m ain   k ey   p o in t   in   th is   s tu d y   is   th e   co m p r ess io n   s tu d y   o f   r ea l  p er f o r m an ce   an d   s im u latio n   o f   d esig n ed   u n m a n n ed   ae r ial  v eh i cle  ( UAV )   wit h   th e  m eta - h eu r is tic  alg o r ith m s   in   o r d er   to   o p tim ize  th e  PID   co n tr o ller .       2.   SYST E M   M O D E L I NG   T h e  s y s tem   m o d elin g   in clu d ed   cin em atic  an d   d y n am ic   q u ad r o t o r ,   d r iv en   b y   New to n ‒ E u ler   eq u atio n s .   I n   o r d er   to   s tu d y   t h e  q u ad r o to r   m o v em en t  I ts   n ee d ed   to   h av e  two   co o r d in ate   s y s tem s   [ 7 ] .   On e  r elate d   to   t h e  g r o u n d   co o r d in a te  d ev ice  a n d   an o th e r   r elate d   t o   s p ac e  wh ic h   r e q u ir es  E u ler ’ s   an g les .   I n   E u ler ’ s   an g les  th e  a n g les  ar e  r esu lte d   f r o m   th e   r o tatio n   o f   th e   b o d y   c o o r d in ate  s y s tem   an d   r elativ e  to   th e   ea r th   co o r d in ate  d ev ice   ( XYZ )   as f o llo ws.   a.   E u ler   an g les   Fo r   f in d in g   p o s itio n   o f   q u ad r o to r   in   th e  s p ac e ,   th e  f r am e  co o r d in ate  s y s tem   s h o u ld   b e  p lac ed   to war d   th e  g r o u n d   c o o r d i n ate  s y s tem .   T h e   p o s itio n   o f   q u a d r o to r   in   th e  s p ac e  is   d escr ib ed   b y   lo ca tio n   v ec to r ,   b u t  t o   d ef in e  its   o r ien tatio n   i n   th e   s p ac e,   th e  E u ler   a n g les  ar e   r eq u ir ed   [ 7 ] .   T h ese  an g les  ar e  th e   r esu lts   o f   s p in n i n g   ar o u n d   ax is :   Φ :  r o ll  an g le   ( r o tat in g   ar o u n d   X - ax is ) ,   θ :  p itch   a n g le  ( r o tatin g   a r o u n d   Y - ax is ) ,   ψ :  y aw  an g le   ( r o tatin g   ar o u n d   Z - a x is ) .   See  Fig u r e   1.           Fig u r e  1 .   C in em atic  m o d el  o f   th e  q u ad r o to r   b o d y       As  its   n am e  im p lies   E ar th   f r am e  co n s id er in g   ( Fig u r e   1 )   as  an   in er tial  f r am e  it  u s es  t h e  N - E - D  n o tatio n   wh er e  th e  ax es p o in t  to   th e  n o r th ,   ea s t a n d   d o wn wa r d s   r esp ec tiv ely .   B esid es,  th e  b o d y   f r am e  is   at  th e   ce n ter   o f   th e  q u ad r o to r   b o d y ,   with   its   x - ax is   aim in g   to war d s   p r o p eller   1 ,   y - ax is   p o in tin g   to war d s   p r o p elle r   2   an d   th e  z - ax is   is   in d icatin g   to   th e  g r o u n d .   T h e  q u ad r o to r   o r i en tatio n   is   d escr ib ed   b y   u s in g   r o ll,  p itch ,   a n d   y aw  an g les  ( φ ,  θ   an d   ψ )   r ep r esen tin g   r o tatio n s   ab o u t  th e  x ,   y,   an d   z - ax es,   r esp ec tiv ely .   C o n s id er in g   th e  o r d er   o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   N o .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 0   :   x x   –   xx   258   r o tatio n   to   b e  r o ll  ( φ ) ,   p itc h   ( θ )   th en   y aw  ψ ) ,   th e  r o tatio n   m atr ix   r   wh ich   is   d er iv ed   b ased   o n   t h e  s eq u en ce   o f   p r in cip le  r o tatio n s   s h o wn   in   ( 1 ) .     R = [ C θ C ψ S ϕ S θ S ψ C ϕ S θ C ψ + S ϕ S ψ C θ S ψ S ϕ S θ S ψ + C ϕ C ψ C ϕ S θ S ψ − S ϕ C ψ − S θ S ϕ C θ C ϕ C θ ]   ( 1 )     As  it  s h o wn   in   ( 1 ) ,   c  an d   s   r e p r esen t  co s   an d   s in   as  th e   d er iv atio n   o f   th e  r o tatio n .   T h e   r o tat io n   m atr ix   R   will   b e  u s ed   in   f r am in g   th e  d y n am ics  m o d el  o f   th e  q u a d r o to r ,   a n d   its   im p o r tan ce   is   d u e  to   th e  f ac t  th at  s o m e  s tates   ar e  m ea s u r ed   in   t h e  b o d y   f r am e  ( e. g .   th e  th r u s t  f o r ce s   s h ap ed   b y   th e  p r o p eller s )   alth o u g h   s o m e   o th er s   ar e  m ea s u r e d   in   t h e   in er tial  f r am e  ( e. g .   t h e  g r a v itatio n al  f o r ce s   an d   th e  q u ad r o to r ' s   p o s itio n ) .   T h er ef o r e,   to   h a v e  a   r elatio n   b etwe en   b o th   t y p es  o f   s tates,  o b s er v atio n   was  d o n e  f o r   a  tr an s f o r m atio n   f r o m   o n e  f r am e .   T o   o b tain   d ata  ab o u t  th e  a n g u lar   v elo city   o f   th e  q u a d r o to r ,   ty p ically   a n   o n - b o ar d   i n er tial   m ea s u r em en t  u n i t  ( I MU )   is   h i r ed   to   h a v e  th e  v el o city   in   th e   b o d y   co o r d in ate  f r am e.   T h e n   to   r elate   th e  E u ler   r ates,  as in   ( 2 ) :     η ̇ = [ ϕ ̇ θ ̇ ψ ̇ ] T   ( 2 )     th at  ar e    m ea s u r ed   in   th e  in er tial  f r am e  an d   a n g u la r   b o d y   r ates  ω = [ p q r ] T ,   a  tr an s f o r m atio n   is     n ee d ed   as ( 3 ) :     ω = R r η ̇   ( 3 )     wh er e  s h o wn   in   ( 4 ) :     R r = [ 1 0 − s in ϕ 0 c os ϕ s in ϕ / c os θ 0 − c os ϕ c os ϕ / c os θ ]   ( 4 )     I n   ( 4 ) ,   ‘ S’  is   th e  ab b r ev iatio n   o f   ‘ s in ’   an d   ‘ C ’   is   th e  ab b r ev i atio n   o f   ‘ co s ’   an d   p ar am eter s   ϕ ,  θ ,    ψ   ar e   r o ll,  p itch ,   an d   y aw   an g les,   r esp ec tiv ely .   I ts   n o ted   th at  Ar o u n d   th e  h o v e r   p o s itio n ,   s m a ll  an g le  ass u m p tio n     is   m ad e  wh er e  c os φ ≡ 1 ,  C os θ ≡ 1 ,   an d   s in φ ≡ 0 ,  Sin θ ≡ 0 .   T h u s   R r   ca n   b e  s im p lifie d   to   an   id en tity   m atr ix   I   [ 7 ] .   T o   p r esen t   o f   m o d elin g ,   th e  s y s tem   is   r e q u ir ed   o f   to r q u e   ca lcu latio n   o f   q u ad r o to r ,   s wir l   m o v em en t  eq u atio n s ,   th e  n o n - g r av itatio n al  f o r ce   o f   q u ad r o to r   an d   d y n am ic  o f   r o to r s ,   wh i ch   is   d escr ib in g   in   th e  f o llo win g .   b.   T h e  q u a d r o to r   to r q u e   Am o n g   ap p lied   f o r ce   to   tu r n ,   th er e  is   a  f o r ce ,   ca lled   ae r o d y n a m ics  o r   liftin g   f o r ce   a n d   th er e  is     a  p r o d u ce d   to r q u e ,   ca lled   ae r o d y n am ic  to r q u e  w h ich   h as sh o wn   in   ( 5 ) .     M B = [ lK f ( − Ω 2 2 + Ω 4 2 ) lK f ( Ω 1 2 − Ω 2 2 ) K M ( Ω 1 2 − Ω 2 2 − Ω 3 2 − Ω 4 2 ) ]   ( 5 )     I n   ( 5 )   M B   is   th e  g en er al  eq u atio n   o f   to r q u e  ap p lie d   o n   a  q u ad r o to r ,   1   is   ar m   q u ad r o to r ,   K f   is   a n   ae r o d y n am ic  f o r ce   a n d   Ω 1   is   th e   v elo city   o f   th e  f ir s t  r o to r ,   Ω 2   is   th e  v elo city   o f   th e   th ir d   r o t o r ,   a n d   Ω 4   is   th e  v elo city   o f     th e  f o u r th   r o t o r .   c.   Swirl  m o v em en t e q u atio n s   Swirl  m o v em en t  eq u atio n   o f   q u ad r o to r   is   tak en   f r o m   New to n ' s   s ec o n d   law  an d   g r o u n d   in e r tia  f r am e  wh ich   is   s h o wn   in   ( 6 )   [ 7 ] .     m r ̈ = [ 0 0 mg ] + RF B   ( 6 )     As  it  h as   s h o wn   in   ( 6 ) ,   r = [ x   y   z ] T ,   w h ich   r ep r esen t  th e  d is tan ce   o f   q u ad r o to r   to   th e  in e r tial  f r am e,     m   ( q u a d r o t o r   weig h t) ,   g   ( q u a d r o to r   weig h t)   an d   F B   ( n o n - g r av itatio n al  f o r ce   ap p lied   o n   q u a d r o to r )   an d   R   is   th e  co n n ec tio n   o f   two   f r am es  co o r d in ate  s y s tem   o f   q u ad r o t o r   to war d   co o r d i n at e  s y s tem   [ 7 ] .   d.   No n - g r a v itatio n al  f o r ce   ap p lie d   o n   th e  q u a d r o to r   W h en ev er   th e  q u a d r o t o r   is   in   th e  h o r iz o n tal  o r ien tatio n s ,   th e  p r o d u ce d   f o r ce   b y   tu r n i n g   f an s   is     th e  o n ly   n o n - g r av itatio n al  f o r ce   ap p lied   o n   it  wh ich   is   co r r esp o n d in g   s q u ar e  an g u lar   v el o city   o f   f an   ( 6 ) .   So ,   n o   n o n - g r av itatio n al  f o r ce   is   e f f ec tiv e  o n   q u a d r o to r .   I n   th is   ca s e  F B   is   d ef in ed   s u ch   as ( 7 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4 8 5 6       Th e  q u a d r o t o r   d yn a mic  mo d elin g   a n d   s tu d y  o f m eta - h eu r is tic  a lg o r ith ms ... ( A ta   J a h a n g ir   Mo s h a ye d )   259   F B = [ 0 0 − K f ( Ω 1 2 + Ω 2 2 + Ω 3 2 + Ω 4 2 ) ]   ( 7 )     I n   ( 7 ) ,   Ω 1   is   th e  f ir s t  Ω 2   is   s ec o n d ,   Ω 3   is   th e   th ir d   r o to r   v elo city ,   Ω 4   is   th e  f o u r th   r o to r   v el o city ,   a n d   K f   is     th e  ae r o d y n am ic  f o r ce   [ 7 ] .   e.   R o to r s   d y n am ics   Usu ally   b r u s h less   m o to r   ( B L DC )   u s ed   in   th e  q u ad r o to r   ar e  DC   m o to r s   o r   b r u s h less ,   wh ic h   h av e  h ig h   to r q u e   an d   lo w  f r ictio n .   T h e   d y n am ic  o f   DC   an d   b r u s h less   m o to r ,   in   n o r m al   co n d itio n s ,   i s   lik e  th e  r eg u lar l y   f ix ed   en g in es,  wh ich   h as sh o wn   in   ( 8 ) .     υ = R mot K mot J r Ω ̇ i + K mot Ω i + K M R mot Ω i 2   ( 8 )     I n   ( 8 ) ,   K mot   is   m o to r   to r q u e  c o n s tan t,  K M   is   ae r o d y n am ic  m o m en t  c o n s tan t,  R mot   is   m o to r   cir cu it  r esis tan ce   an d   J r   is   r o to r ' s   in er tia  [ 7 ] .   f.   T h e  s tate  s p ac e  m o d el   Ob tain in g   th e   s tate  s p ac e   m o d el,   h elp s   to   d esig n   o f   th e   co n tr o ller   a n d   it  is   r e q u ir ed   X  s ate  v ar iab le   an d   th eir   c o r r esp o n d in g   elem e n t.   g.   X  s tate  v ar iab le   C o n s id er in g   th e  s tate  v ec to r   o f   th e  q u a d r o to r   to   b e   ( 9 ) :     X = [ 1     2     3     4     5     6   7     8     9   10     11   12 ] T   ( 9 )     wh ich   is   m ap p ed   t o   th e  d e g r ee s   o f   f r ee d o m   o f   th e  q u ad r o to r   i n   th e  f o llo win g   m an n er   ( 1 0 )   [ 7 ] .       X = [ ϕ       ϕ ̇         θ     θ ̇       ψ       ψ ̇         z       z ̇                     ̇       ̇ ] T   ( 1 0 )     I n   ( 1 0 ) ,   x ,   y ,   a n d   z  ar e  th e  p o s itio n s ;   ϕ ,  θ ,   an d   ψ   ar e  th e  E u ler   an g les ;   an d   th eir   d e r iv atio n   w h ich   in d icate s     th e  co m p o n e n t  v elo city .   T h e  s tate  s p ac e  v ec to r   is   n o tab le  b e ca u s e  o f   th e  ca p ab ilit y   o f   s h o win g   p o s itio n   an g le   an d   th e  lin ea r   v elo city   o f   q u ad r o to r   [ 7 ] .   h.   I n p u t  v ar iab le  o f   th e  s tate  v ec t o r   T h e  p a r am eter   U   as  a   co n tr o l  in p u t   v ec to r   co n tain in g   o f   f o u r   in p u ts ;  U 1   th r o u g h   U 4   is   d ef in ed   as,   s h o wn   in   ( 1 1 ) .     U = [ U 1       U 2         U 3       U 4 ]   ( 1 1 )     Acc o r d in g   t o   ( 1 1 ) ,   ea c h   in p u t  it c an   b e  s h o wn   as  ( 1 2 ) – ( 1 6 ) .     U 1 = K f ( Ω 1 2 − Ω 2 2 + Ω 3 2 − Ω 4 2 )   ( 1 2 )     U 2 = K f ( Ω 2 2 + Ω 4 2 )   ( 1 3 )     U 3 = K f ( Ω 1 2 − Ω 3 2 )   ( 1 4 )     U 4 = K M ( Ω 1 2 − Ω 2 2 + Ω 3 2 − Ω 4 2 )   ( 1 5 )     I n   th e   ab o v e   r elatio n s ,   k f   is   ae r o d y n a m ic  f o r ce s ,   k m   is   f ix e d   t o r q u e   an d     is   th e  a n g u la r   v e lo city    r esu lted   f r o m   r o to r s .   Fin ally ,   th e   r elatio n   o f   ( 1 2 ) – ( 1 5 )   ca n   b e  s h o wn   as th e  m atr ix   f o r m   as sh o wn   i n   ( 1 6 )   [ 7 ] .     [ U 1 U 2 U 3 U 4 ] = [ K f K f K f K f 0 − K f 0 K f K f 0 − K f 0 − K M − K M K M − K M ]   [         Ω 1 2 Ω 2 2 Ω 3 2 Ω 4 2 ]           ( 1 6 )     Acc o r d in g   to   r elatio n   ( 1 6 ) ,   u 1   is   th e  p o we r   o f   th e   f o u r   r o u ter s   th ar   g iv es  th e   q u a d r o to r   h eig h t  f r o m     Z   to   Z .   u 2   is   th e  r esu lt  o f   t h e  d if f er en ce   in   to r q u e   b etwe en   e n g i n e  an d   4 ,   wh ic h   r esu lts   in   a  q u ad r o to r   r o tatio n   ar o u n d   th e  r o ll  an g le  f r o m     to   .  u 3   is   th e  d if f er en ce   o f   to r q u e  b etwe en   th e  m o to r s   7   an d   3   th at  r o tates    th e  q u ad r a n t  ar o u n d   th e  an g le  o f   th e  p itch   f r o m     to   .   u 4   r esu lts   f r o m   th e  to r q u e  d i f f er en ce   b etwe en   th e  two   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   N o .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 0   :   x x   –   xx   260   p air   o f   m o to r s   clo ck   an d   clo ck wis e  an d   it  r o tates  ar o u n d   th e  an g le  o f   y o u r   f r o m     t o   .   T h e  s p ee d   o f     th e  r o to r s   ca n   b e  ca lcu lated   b y   th e  co n tr o l  i n p u t.   T h er e f o r e,   t h e  in v e r s e  r elatio n   b etwe en   th e  co n tr o l  in p u t  an d   th e  r o to r   s p ee d   ca n   b e  o b tain e d   as ( 1 7 )   [ 8 ].     [         Ω 1 2 Ω 2 2 Ω 3 2 Ω 4 2 ]         = [                 1 4K f 0 1 2K f 1 4K M 1 4K f − 1 2K f 0 − 1 4K M 1 4K f 0 − 1 2K f 1 4K M 1 4K f 1 2K f 0 − 1 4K M ]                 [ U 1 U 2 U 3 U 4 ]   ( 1 7 )     I n   th e  ab o v e  r elatio n s ,     is   th e  s p ee d   o f   co n s tan t  to r q u e,   k m   is   ae r o d y n a m ic  f o r ce   an d   K f   is   th e  an g le  o f   r o to r s .   I n   th e  r elatio n   ( 1 7 )   th e  co n tr o l  in p u ts   ca n   b e  ca lcu lated   b y   tak in g   r o o t  f r o m   th e  r o to r   s p ee d   [9 ] .   At  th e   en d ,   b y   tak in g   th e   s q u ar e  r o o t  o f   t h at,   th e  v elo city   o f   r o t o r s   ca n   b e   ca lcu lated   f r o m   th e  co n tr o l  in p u ts   as  s h o wn   in   ( 1 8 ) :     Ω 1 = √ 1 4K f U 1 1 2K f U 3 + 1 4K M U 4   Ω 2 = √ 1 4K f U 1 1 2K f U 2 + 1 4K M U 4   Ω 3 = √ 1 4K f U 1 1 2K f U 3 + 1 4K M U 4   Ω 4 = √ 1 4K f U 1 1 2K f U 2 + 1 4K M U 4   ( 1 8 )     T ak in g   th e   s q u ar e  r o o t  o f   th at ,   th e  r o t o r s '   v elo cities  ca n   b e  ca lcu lated   f r o m   th e  c o n tr o l  i n p u ts   as  f o llo ws.  I n   th e  ab o v e   eq u atio n ,   K f   is   ae r o d y n am ic  f o r ce ,   K M   is   co n s tan t to r q u e,   an d   Ω   is   th e  an g u lar   v elo city   o f   r o to r s .     i.   R o tatio n al  eq u atio n   o f   m o tio n   I t  l ea d s   to   d y n am ic  eq u atio n s   o f   th e  s y s tem   ar e  d escr ib ed   in   ( 1 9 )   to   ( 2 1 ) .       ϕ ̈ = l I  U 2 − J r I  θ ̇ Ω r + I  I  ψ ̇ θ ̇ U 2 − I zz I  θ ̇ ψ ̇   ( 1 9 )   θ ̈ = l I  U 3 − J r I  ϕ ̇ Ω r + I zz I  ϕ ̇ ψ ̇ − I  I  ψ ̇ ϕ ̇   ( 2 0 )   ψ ̈ = l I zz U 4 − I  I zz θ ̇ ϕ ̇ + I  I zz ϕ ̇ θ ̇   ( 2 1 )     B y   s elec t  th e  co n tr o l  in p u t  v ec to r   U,   it  is   c lear   th at  th e  r o tati o n al  s u b s y s tem    is   f u lly   ac tu at ed ,   it  is   o n ly   r elian t  o n   th e  r o tatio n al  s tate  v ar iab le s   x 1   to   x 6   th at   co r r esp o n d   to   φ,   φ,   θ ,  θ ̇ ,  ψ ,  ψ ̇   r esp ec tiv ely .   j.   T r an s latio n al  eq u atio n   o f   m o ti o n :   C o n s id er in g   ( 1 0 )   an d   ( 6 )   th e  t o tal  in s e r ted   to r q u e  o n   th e  UA V  ca n   b e  wr itten   as ( 2 2 )   [ 7 ]:     F b = [ 0 0 − U 1 ]   ( 2 2 )     wh ich   af ter   r e p lacin g   th e  p ar a m eter   in   ( 4 ) ,   ( 2 3 )   to   ( 2 5 )   ca n   b e  s u b s titu ted :     x ̈ = − U 1 m ( s in ϕ s in ψ + c os ϕ c os ψ s in θ )   ( 2 3 )     ̈ = − U 1 m ( c os ϕ s in ψ s in θ − c os ψ s in ϕ )   ( 2 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4 8 5 6       Th e  q u a d r o t o r   d yn a mic  mo d elin g   a n d   s tu d y  o f m eta - h eu r is tic  a lg o r ith ms ... ( A ta   J a h a n g ir   Mo s h a ye d )   261     z ̈ = g − − U 1 m ( c os ϕ c os θ )   ( 2 5 )     B ased   o n   m en tio n ed   eq u atio n s ,   J r   is   r o to r s   to r q u e,   I XX ,  I YY ,  I ZZ   ar e  th e  to r q u e  f r o m   in er tia  in   th e   m ajo r   ax is   o f   b o d y   f r am e  ϕ ̇   θ ̇   ψ   ̇ ar e  v elo city ,   ψ ̈   ϕ ̈   θ ̈   ar e  in s tan t  m o m en tu m   o f   an g u lar   E u ler   [ 7 ] .   Fin ally ,   ac co r d in g   to   th e  r e q u ir ed   p ar am eter s   b y   p h y s ical  s im u latio n   o f   q u ad r o to r   in   C AT I A  s o f twar e,   s o m e   q u ad r o to r   p ar am eter s   ar e  c o m p u ted   a n d   th e  r est  o f   th e m   ar e  esti m ated   b y   s im ilar   p h y s ics  o f   r o b o t’ s   ev alu atio n   wh ic h   h av e   s h o w n   in   T a b le  1 .   As  it  h as  p r esen ted   in   T a b le  1 ,   I XX ,   I YY ,  I ZZ   an d   I r o t o r   ar e  th e   m o m en ts   o f   in e r tia  ar o u n d   X - ax is ,   Y - ax is ,   Z - ax is   an d   m o t o r   ax is   r esp ec tiv ely ,   m   is   th e  weig h t  o f   m o to r ,   b   is   th e  p r o p eller   r esu lt f o r ce   in d e x ,   d   is   th e  p r o p eller   c o u n te r p o i s e  i n d ex ,   g   is   th e  ea r th   g r av itatio n al  f o r ce .       T ab le  1 .   Qu a d r atu r e  p ar am eter s   test ed   No   P a r a me t e r s   C o n t e n t   U n i t   1      5 . 49 ∗ 10 − 4    2   2      5 . 49 ∗ 10 − 4    2   3      8 . 28 ∗ 10 − 4    2   4       5 . 51 ∗ 10 − 5    2   5     0 . 620      6     2 . 9 ∗ 10 − 5   2   7     0 . 14     8     1 . 1 ∗ 10 − 6    2   9     9 . 81   − 2       3.   P I D  CO NT RO L L E R   T h e  PID   c o n tr o ller   b elo n g s   t o   th o s e   g r o u p   o f   co n tr o ller s ,   wh ich   wo r k   b ased   o n   th e   f ee d b ac k ,   an d   m o r e  f a m o u s   as  a   class ical  co n tr o llin g   an d ,   it’s  d esig n   an d   im p lem en tatio n   is   v e r y   c u s to m ar y   [ 8 ] .   On e  o f     th e  g r ea t c h allen g es o f   t h e  f lie r   r o b o t  p ilo ts   is   o b tain in g   s u itab le  PID   in d ex   ac co r d in g   to   th e   p h y s ical  s tr u ctu r e  o f   q u ad r o to r .   Mo s t  o f   th e  q u ad r o to r ’ s   p ilo ts   tr y   th e  f alse  an d   tr u e  m eth o d   wh ic h   lead s   to   m a k e  s o   m a n y   p r o b lem s   an d   h ar d s h ip   t o   th e  r o b o t.  So ,   o b tain in g   th e  PID   in d ex es  is   s ig n if ican t  [ 9 ] .   T o   c o n tr o l  o f   m en tio n e d   p ar am eter s ,   f ir s t,  PID   co n tr o ller   b y   m eta - h eu r is tic  alg o r ith m s   h av e  b ee n   u s ed   wh ich   h av e  b ee n   d escr ib e d   i n   th e  f o llo win g .   E q u atio n   ( 2 6 )   i s   th e  g en e r al  eq u atio n   f o r   PI D  co n tr o ller   wh ich   K p   is   p r o p o r t io n al,   g ain ,   K d   is   d er iv ativ e  g ain   an d   K i   is   in teg r at o r   g ain   [ 1 0 ] .     ( ) = ( ) +  ( )  ⁄ + ∫ ( )    ( 2 6 )     Acc o r d in g   t o   ( 1 0 ) ,   th e  c o n tr o l  in p u ts ,   an d   PID   c o n tr o ller   o f   th e  q u ad r o to r   a r e  d ef i n ed   s u ch   as  ( 1 1 )   t o   ( 2 6 )   [ 1 1 ,   1 2 ] .   I n   th e  a b o v e   eq u atio n s ,   p ar am ete r s   K p , K dz ,   K iz   r esp ec tiv ely   ar e  c o n tr o lle d   p r o p o r tio n a l ,   in teg r ato r   an d   d er i v ate  g ain ,   in   h eig h t  co n tr o l.   T h e   in d ex e s   o f   K p φ ,    K d φ ,    K i φ   ar e  c o n tr o l  g ain s   to   c o n tr o l   ‘ r o ll ’.   K p θ ,    K d θ ,    K i θ   ar e  co n tr o lled   g ain s   to   co n tr o l   ‘ p itch ’   an d     K p ψ ,    K d ψ ,    K i ψ   ar e  co n tr o l  g ai n s   to   co n t r o l   ‘ y aw ’  [ 1 3 ,   1 4 ] .   I n   o r d er   to   f in d   t h e  PID   p ar am eter ,   Z ie g ler ‒ Nich o ls   r u les  ar e   an   in n o v ativ e   m eth o d   o f   co n tr o llin g   p a r am eter s   in   o b t ain in g   v alu es  o f   in teg r al  d e r iv ativ e  p r o p o r tio n al  co n tr o ller   co ef f icien ts .   T h is   m eth o d   h as  b ee n   d ev elo p ed   b y   Z ieg ler   an d   Nich o ls .   I n   t h is   s tate,   th e  s y s tem   r ea ch es   th e  b o u n d a r y   o f   s atiab ilit y   an d   th e   p e r io d   o f   k u   f lu ctu atio n   an d   its   o u t p u t  a r e   f in ed   o s cillatin g   [ 1 5 ] .   T o   u s e  th is   m eth o d ,   th e   q u ad r o to r   lin ea r   d y n am ic  s h o u ld   b e  m o d eled .   T ab le  2   s h o ws  th e  Z ieg ler ‒ Nich o ls   r u les  f o r   ad ju s tin g   co n tr o l  g ain s   [ 1 6 ] .       T ab le  2 .   C o ef f icien ts   o f   PID   c o n tr o l ler   r esp o n s e  with   th e  s te p   in p u t  f u n ctio n   No   P a r a me t e r s         1   P i t c h   97   1 . 5   0 . 8   2   R o l l   63   3 . 7   0 . 2   3   Y a w   43   4 . 8   0 . 1       3 . 1 .   P I D  o ptim iza t io n   I n   o r d er   to   o p tim ize  th e   PID   p ar am eter ,   an   a p p r o p r iate  c o s t  f u n ctio n   m u s t  b e  c o n s id er ed   in   o r d er   to   ap p r o p r iately   q u a n tify   th e  co n tr o l  in ter est  in   th e  co n tr o l  a lg o r ith m .   T h e  co s t  f u n ctio n   ca n   b e  d ef in e d   o n     th e  b asis   o f   d esira b le  ch ar ac ter is tics .   Fo r   ex am p le,   th e  am o u n t  o f   its   ex ce s s   i s   s p ec if ied   b y   M p ,   tim e  to   ascen t   s p ec if ied   b y   t r   last in g   r esp o n s e  v alu e  is   d ef in ed   b y   e ss   an d   s ettlin g   tim e  is   d ef in ed   b y   t s .   T h e  p en alty   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   N o .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 0   :   x x   –   xx   262   f u n ctio n   m et h o d   is   u s ed   to   d ef in e  th e  co s t  f u n ctio n   f o r   o p tim izatio n   alg o r ith m s .   Acc o r d in g   to   th is   m eth o d ,     th e  co s t f u n ctio n   is   d ef in ed   as ( 2 7 ) :     = − ( +  ) + ( 1 − − ) ( + )   ( 2 7 )     As  m en tio n ed   in   ( 2 7 ) ,     v al u e  ca n   b e   ch an g ed .   C o n s id e r in g   th e  s am e  c o n d itio n   o f   i n f lu en cin g     th e  in ten d ed   attr ib u tes  o n   th e   co s t  f u n ctio n ,   t h is   v alu e  is   eq u al  0 . 6 9   [ 1 7 – 20 ] .   B ased   o n   th e  co s t  f u n ctio n   d ef in itio n ,   th e  p ar am eter s   o f   ea ch   r esp o n s e  o f   o p tim izatio n   p r o b lem s   s u ch   as   K p z , K dz ,   K iz   ar e  r esp ec tiv ely   th e  p r o p o r tio n al - d e r iv ativ e  an d   in teg r atio n   g ain s   in   co n tr o l  h eig h t.  T h e  K p φ ,   K d φ ,    K i φ   ar e  th e  co n tr o l  g ain   f o r   r o ll   co n tr o l.  K p θ ,  K d θ ,    K i θ   ar e  th e  co n tr o l  g ain   f o r   p itch   c o n tr o l  an d   K p ψ ,  K d ψ ,    K i ψ   ar e  th e  c o n tr o l  g ain   f o r   y aw  c o n tr o l  wh ich   is   twelv e  p ar am eter s   alto g eth er .   I n   o th er   wo r d s ,   ea ch   r esp o n s e  o f   p r o b l em s   ar e  in d icatin g   twelv e  v alu es  f o r   PID   in d e x   a n d   th e   d u ty   o f   th e  d ef in ed   alg o r ith m s   is   f in d in g   th e  b est  an s wer   co n s id er in g   all   in tr o d u cin g   d e f in ed   p ar am ete r ’ s   [ 1 5 ] .   I n   PID   in d e x es  o p ti m izatio n ,   th e  n atu r e - i n s p ir ed   alg o r ith m   h as  u s ed   [ 1 6 ]   wh ic h   ar e  d escr ib ed   s h o r tly   as f o llo win g .     3 . 1 . 1 .   P SO   a lg o rit hm   T h e  PS O  alg o r ith m   is   tak en   f r o m   th e   ag g r eg atio n   o f   p ar ticl es  an d   it  was  in s p ir ed   f r o m   b i r d ' s   tr o o p   an d   f is h es.  T h ese  k in d s   o f   b ir d s   ar e  p u ttin g   in   a   s ea r ch in g   s p ac e  o f   p ix el  tab le   in   r a n d o m   an d   in   e v er y   r ep etitio n ,   th e  clo s ed   n eig h b o r   o f   p ar ticle  h as  s elec ted   an d   s p ee d   o f   th e  p a r ticle  is   r ep lace d   with   th e  s p ee d   o f   its   clo s est  n eig h b o r   [ 17 ] .   T h is   ac tio n   ca u s es  th e  f ast  m o v em en t  o f   a  g r o u p   in   th e  s a m e  d ir ec tio n   with   u n ce r tain   m o v em en t  an d   c o n v er g es   with o u t c h a n g in g   [ 18 ] .     3 . 1 . 2 .   GA   Gen e  is   th e  m ain   s av in g   u n it  in   g en etic.   I n s id e  ce lls ,   g en es  ar e  co n n ec ted   to   ea c h   o th er   t o   p r o d u c e   ch r o m o s o m e.   T h is   n ew  ce ll  c alled   ‘ d ip lo id ’   an d   it  ca u s ed   t h r o u g h   m eio s is .   I n   m eio s is ,   ea ch   ch r o m o s o m e  o f   th e  d ip lo id   ce lls   m ak es  a  co p y   o f   th em s elv es.  T h en ,   ch r o m o s o m es  g r o u p   ( n ew  an d   m ain )   ar e  co m p o u n d e d   to   ea ch   o th er   [2 1 ] .   Af te r   it,  ch r o m o s o m es  will  s ep ar ate  o n e  m o r e  tim e  an d   4   d ip lo i d   ce lls   ar e  m ad e.   Mu tatio n   ca n   tak e  p lace   in   ea ch   s tag e.   E v er y   s in g le  c h an g e  i n   ch r o m o s o m es tr an s f er   to   th e   ch ild r e n   [ 2 2 ] .     3 . 1 . 3 .   FA   FA  is   b ased   o n   f lick er in g   wh i ch   is   d is cu s s ed   u p   to   n o w.   T h e  b ase  o f   f lick er i n g   is   ju s t  lik e  a  f i r ef ly ’ s   b eh av io r .   T h e  f lick er in g   o f   th ese  in s ec ts   is   b ased   o n   a   b io l o g ical  illu m in atio n   p r o ce s s .   S o ,   d ete r m in atio n   o f   co r r ec t  f u n ctio n   o f   th e  s ig n al  p r o d u cin g   s y s tem   is   y et  to   b e    d is cu s s ed .   T h e  b ase  o f   f li ck er in g   is   to   cr ea te     a  co n n ec tio n   an d   attr ac t  th e  o p p o s ite  s ex   o r   b ait  to   h u n t.  I n   g en er al,   f lick er in g   ca n   b e  u s ed   as  a  p r o tectio n   aler t  m ec h an is m   [ 2 3 ] .   Acc o r d in g   to   th e  r elate d   lig h t  cr iter i a,   th e  lig h t  in ten s ity   I ,   in   t h e  d is tin ct  d is tan ce   o f     a  to war d   th e  s o u r ce   lig h t  g en e r atio n ,   h as th e  r ev er s e  r atio   wi th   th e  s q u ar e  v alu e  o f   th is   d is tan ce .     I n   th e  o th er   wo r d s ,   af ter   in cr ea s in g   d is tan ce   f r o m   r eso u r ce   an d   lig h t  attr ac tio n   b y   t h e  air ,   it’s   in ten s ity   g o es  wea k   [2 4 ,  2 5 ] .   I n   o r d er   to   co m p a r e  o p tim iza tio n   m eth o d s   o f   p ar am eter s   t h e  s am e  c o n d itio n s   b etwe en   m en tio n ed   al g o r ith m s   h av e  b ee n   c o n s id er ed .   T ab le  2   h as  s h o wn   t h e  al g o r i th m   r ep etitio n   an d   co n s id er atio n .   As  it  is   s h o wn   in   T ab le   3 ,   th e  co m p o n en ts   w h ich   ca n   b e   d ef in ed   in   t h e  s am e  wa y ,   a r e   in clu d in g     th e  p o p u latio n   s ize  in   th e   m o s t  alg o r ith m   r e p etitio n .    So m e  o f   p a r am eter s   also   ar e  r ela ted   to   th e  in ter n al   s ettin g   o f   alg o r ith m s   an d   th e y   ar e   n o t   co m m o n   b etwe en   alg o r ith m s .   T h ese  p ar a m eter s   h a v e  b ee n   d eter m in ed   an d   s et  b y   th e   h elp   o f   v al u es in   th e  r esear ch   a r ticles o r   th ey   s et  ex p er im en tally   wh ich   h av e   s h o wn   T ab le  4 .   I n   T ab le  4 ,   th e  PS O  alg o r ith m   p ar am eter s ,   σ   is   th e  p ar t icl e  v elo city ,   c 1   c 2   ar e  th e  lo ca l  im p ac t   in d ex es.  W ith   atten tio n   to   th e  lo ca l  p ar ticle  an d   th e  b est  m ajo r   p ar ticle,   w   is   th e  ad d ed   weig h t  in d ex   in     th e  r elatio n   o f   s p ee d   u p d ate.   I n   th e  GA  alg o r ith m s ,   p c   is   th e  p o s s ib ilit y   o f   cr o s s in g ,   p m   is   th e  p o s s ib ilit y   o f   ch an g in g   in   b it,   M u   is   th e  m u tati o n   in d ex .   T h e  p ar am eter s   o f   FA s ,   I 0   is   th e  lig h t  s o u r ce   in ten s ity   an d   γ   i s     th e  lig h t  ab s o r p tio n   in d e x .   β 0   is   th e  eq u iv alen t  o f   ea ch   f ir ef ly ’ s   attr ac tio n   r ate,   α   is   th e  r an d o m   p ar am eter s ,   an d   δ   is   th e  u n if o r m   d is tr ib u t io n   ch an g in g   r a n g e.       T ab le   3 .   T h e  v alu es o f   f ix ed   p ar am eter s     f o r   test in g   th r ee   alg o r ith m s   N a me   A mo u n t   Th e   si z e   o f   t h e   i n i t i a l   p o p u l a t i o n   50   M o s t   r e p l i c a t e d   a l g o r i t h ms   30     T ab le  4 .   Sp ec if ic  p ar am eter s   v alu es f o r   s ettin g     ea ch   o f   th e   th r ee   alg o r ith m s   A l g o r i t h m   PSO   GA   FA   Th e   p a r a m e t e r s     o f   e a c h   a l g o r i t h m    a n d   t h e i r   v a l u e s   w   1   P C   0 . 5   γ   1   c 1   2   P M   0 . 3   β 0   2   c 2   2   δ   0 . 0 5   α   0 . 2   σ   0 . 1   M u   0 . 5   δ   0 . 0 5     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4 8 5 6       Th e  q u a d r o t o r   d yn a mic  mo d elin g   a n d   s tu d y  o f m eta - h eu r is tic  a lg o r ith ms ... ( A ta   J a h a n g ir   Mo s h a ye d )   263   4.   SI M UL A T I O N   Af ter   th e   m o d elin g ,   th e  Q u ad   r o to r   th e   f ir s t  s tep   o f   th is   r e s ea r ch   is   to   test   th e  m o d el   p e r f o r m a n ce   with   th r ee   Me ta - Heu r is tic  Alg o r ith m s   o f   PS O,   GA ,   an d   FA t o   d eter m in e  t h e  PID   co n tr o ller   p ar am eter s .     4 . 1 .   P SO   a lg o rit hm     I n   o r d er   to   d eter m in e  PID   co n tr o ller   in d ex ,   o p tim ized   b y   PSO   alg o r ith m ,   to   co n tr o l  p itch ,  r o ll,  an d   y aw  f o r   s tep   f u n ctio n   th e  alg o r ith m   o p tim izatio n   p r o ce s s   h a s   s h o wn   in   Fig u r e s   2 (a )‒ ( c) .   I t  is   n o ted   th at  with   r esp ec t  to   th e  d ir ec t  in f er n al  r elatio n   o f   E u ler   a n g les  th e  b est  co s t  i s   r ec o g n izab le  in   ea ch   f ig u r e.   As  it  is   s h o wn   in   Fig u r e  2 ,   th e  alg o r ith m   in   th e   co n tr o l  o f   r o ll,    p itch ,   an d   y aw  a n g les  h as  p r o p er   f u n ctio n   an d   o v er s h o o t   r ate,   s tead y   s tate  er r o r ,   s ettlin g   tim e,   h av e   s h o wn   lo w   in cr ea s in g   tim e  an d   th e   alg o r ith m   h as   r ea ch ed   t o   d am p in g   in   2 4   r ep etitio n s .   W ith   atten tio n   to   Fig u r e   2 ,   th e  PID   in d ex   o f   p ar ticles  s war m   o p tim iz atio n   h as   s h o wn   in   T ab le  5 .   W ith   r esp ec ted   to   th e  c o n tr o ller   p er f o r m a n ce   p r esen t ed   in   Fig u r e  2 ,   th e   f u n ctio n al  c r iter ia  o b tain e d   f r o m   th e  PS O  alg o r ith m   h a v e  s h o wn   in   T ab le  6 .           ( a)     ( b )         ( c)   ( d )     Fig u r e  2 .   PID - PS O:  ( a)   p itch ,   ( b )   r o ll,  ( c)   y aw,   an d   ( d )   b est co s t       T ab le  5 .   PID - PS O  co n tr o ller   r esp o n s e    co ef f icien ts   to   s tack   f u n ctio n   i n p u t   No   P a r a me t e r   K I   K P   K D   1   P i t c h   0 . 5 4 9 2 6 9 7   0 . 7 0 6 5 9 9 9   5 3 . 7 8 8 5 1   2   R o l l   0 . 6 3 6 7 2 6 5   0 . 9 6 0 5 0 9 4   5 3 . 8 5 2 7 4   3   Y a w   0 . 6 2 6 4 0 4   2 . 8 3 4 0 6   7 9 . 4 0 8 6 9     T ab le  6 .   PID - PS O  co n tr o ller   p er f o r m a n ce   m etr ics   No   P a r a me t e r   R i se   t i m e   S e t t l i n g   t i m e   S t e a d y   st a t e   O v e r sh o o t   1   P i t c h   0 . 0 7 0 0   0 . 0 6 7 9   0 . 0 0 0 5   1 . 8 1 8 6   2   R o l l   0 . 1 0 0 0   0 . 0 9 9 4   0 . 0 0 0 0   0 . 0 7 2 1   3   Y a w   0 . 0 9 0 0   0 . 0 8 5 8   0 . 0 0 1 1   1 . 6 3 3 0         I n   T ab le  6 ,   th e  m ax im u m   v alu e  o f   o v er s h o o t  cr iter ia  is   r elate d   to   th e  p itch   p ar a m eter   an d     th e  m in im u m   v alu e  is   r elate d   to   th e  r o ll.  I n   th e  s tead y   s tate  er r o r   cr iter ia,   alm o s t  all  o f   th em   ar e  ze r o .   I n     th e  s ettlin g   tim e,   th e  m ax im u m   v alu e  is   r elate d   to   th e  p itc h   p ar am eter   a n d   th e  m i n im u m   v alu e  is   r elate d   to     th e  r o ll  an d   in cr ea s in g   tim e,   th e  m ax im u m   v al u e  is   r elate d   to   th e  r o ll  an d   t h e  m in im u m   v alu e  b elo n g s   to     th e  p itch .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l.  9 ,   N o .   4 ,  Dec em b er   2 0 2 0   :   x x   –   xx   264   4 . 2 .   GA   T h e  r esu lts   o f   PID   co n tr o lle r   o p tim izin g   b y   GA   in   co n tr o lli n g   p itch ,   r o ll,  an d   y aw  an g les,   to   th e  s tep   f u n ctio n ,   h av e   s h o wn   in   Fig u r e s   3 ( a) ‒ ( c )   an d   th e  alg o r ith m   o p tim izatio n   p r o ce s s   h as  s h o wn   in   Fig u r e  3 ( d ) .   As  it  h as   b ee n   s h o wn   in   F ig u r e   3 ,   th e  alg o r ith m   h as  n o   g o o d   o p er atio n   in   to   co n tr o l  o f   r o ll,  p itch ,   an d   y aw   an g les.  So ,   it c o u ld   n o t tr ac k   t h e  f u n ctio n   p r o p er l y .             ( a)     ( b )         ( c)   ( d )     Fig u r e  3 .   PID - GA:  ( a)   p itch ,   ( b )   r o ll,  ( c)   y aw,   an d   ( d )   b est co s t       T h e  o v er s h o o t   r ate,   s tead y   s t ate  er r o r   an d   s ettlin g   tim e ,   s h o ws  th e  v er y   lo w  i n cr ea s in g   tim e  a n d     th e  alg o r ith m   in   2 5   r ep etitio n s   h as  r ea ch ed   to   d am p in g ,   with   atten tio n   to   f ig u r es  th e  PID   in d ex es  o f   GA  an d   co n tr o ller   r esp o n s e  a  h a v e  s h o wn   in   T ab les  7   a n d   8 .   I n   T a b le   8 ,   th e  m a x im u m   v alu e  o f   o v er s h o o t  c r iter ia  is   r elate d   to   y aw  p a r am eter   a n d   th e  m in im u m   v alu e   is   r elate d   to   th e  r o ll.  I n   s tead y   s tate  er r o r   cr iter ia  alm o s t  all   o f   th e  v alu es  ar e  ze r o .   I n   s ettlin g   tim e,   th e  m ax im u m   v alu e  b elo n g s   th e  y aw  p ar a m eter   an d   th e  m in im u m   v alu e  b elo n g s   th e  p itch   a n d   in   r is e  tim e,   th e  m ax im u m   v alu e    co n n ec ted   to   th e   p it ch   p ar am eter   a n d     th e  m in im u m   v alu e  co n n ec ted   to   th e  r o ll.       T ab le  7 .   T h e  PID - GA  co n tr o ller     co ef f icien ts   No   P a r a me t e r   K I   K P   K D   1   P i t c h   0 . 6 2 1 7 9   6 . 9 5 5 8 5   3 8 . 0 3 6 1   2   R o l l   0 . 2 9 8 1 8 1   0 . 6 4 5 6 4 2   4 2 . 0 0 1 7   3   Y a w   0 . 5 0 9 0 0 5   7 . 2 3 9 4 6   4 7 . 6 4 0 7     T ab le  8 .   T h e  PID - GA  co n tr o ller   r esp o n s e    co ef f icien ts   to   th e  s tep   in p u t   No   P a r a me t e r   R i se   t i m e   S e t t l i n g   t i m e   S t e a d y   st a t e   O v e r sh o o t   1   P i t c h   0 . 7 4 0 0   0 . 1 1 1 8   0 . 0 0 0 0   2 6 . 3 0 0 5   2   R o l l   0 . 1 0 0 0   0 . 3 3 8 9   0 . 0 0 0 0   4 . 4 8 4 2   3   Y a w   0 . 2 9 0 0   1 . 1 2 3 8   0 . 0 0 1 7   2 9 . 6 0 8 9         4 . 3 .   FA   T h e  r esu lts   o f   PID   co n tr o ller ,   wh ich   o p tim ized   b y   FA   in   co n tr o llin g   y aw,   r o ll  an d   p itch   an g les  to     th e  s tep   f u n ctio n   i n p u t  a r e  p r e s en ted   in   Fig u r e s   4 ( a) ‒ ( c)   an d   th e  alg o r ith m   o p tim izatio n   p r o ce s s   h as  s h o wn   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:  2089 - 4 8 5 6       Th e  q u a d r o t o r   d yn a mic  mo d elin g   a n d   s tu d y  o f m eta - h eu r is tic  a lg o r ith ms ... ( A ta   J a h a n g ir   Mo s h a ye d )   265   Fig u r e  4 ( d ) .   Acc o r d in g   to   th e   Fig u r es  4 ( a) ,   ( b ) ,   ( c )   th e   PID   in d ex es   o f   FA   h av e   s h o wn   i n   T ab le   9 .   As  it  is   s h o wn   in   Fig u r e   4 ,   th e   alg o r it h m s   h ad   a  g o o d   p er f o r m a n ce   to   co n tr o l   o f   r o ll,  p itch   a n d   y aw  al s o   o v er s h o o t   r ate,   s tead y   s tate  er r o r   an d   s ettlin g   tim e,   s h o ws  th e   v er y   lo w   in cr ea s in g   tim e.   M o r eo v er ,   alg o r ith m   in     2 7   r ep etitio n s   h av e  r ea ch ed   to   d am p i n g .   T h e   with   atten tio n   to   th e   co n tr o ller   f u n ctio n ,   i n   F ig u r e s   4 ( a) ‒ ( c )   th e   o p er atin g   p ar am eter s   o f   th e  F A  h av e  s h o wn   i n   T ab le s   9   a n d   1 0 .           ( a)     ( b )         ( c)   ( d )     Fig u r e  4 .   PID - FA: ( a)   p itch ,   ( b )   r o ll,  ( c)   y aw,   an d   ( d )   b est co s t       T ab le  9 .   PID - FA c o n tr o ller   r e s p o n s e    co ef f icien ts   to   in p u t o f   t h e  s tep   f u n ctio n   No   P a r a me t e r   K I   K P   K D   1   P i t c h   0 . 0 5 7 8 5 0 9   6 8 . 3 6 0 6   1 . 7 1 2 0 4   2   R o l l   0 . 6 6 5 2 5 5   7 5 . 3 0 9 9   3 . 2 2 2 9 9   3   Y a w   0 . 0 1   4 2 . 6 7 4 5   6 . 0 6 7 5 7     T ab le  10 .  Per f o r m a n ce   m etr ic s   f o r   th e  PID - FA c o n tr o ller   No   P a r a me t e r   R i se   t i m e   S e t t l i n g   t i m e   S t e a d y   st a t e   O v e r sh o o t   1     i t c h   0 . 1 0  0   0 . 0 9 7 8   0 . 0 0 2 6   0 . 3 4 9 4   2   R o l l   0 . 1 7 0 0   0 . 1 6 9 3   0 . 0 0 0 0   0 . 0 5 1 0   3   Y a w   0 . 3 5 0 0   0 . 3 4 5 3   0 . 0 0 5 5   1 . 0 3 2 6         I n   T ab le  1 0 ,   th e  m ax im u m   v alu e  o f   o v er s h o o t  cr iter ia   b elo n g s   to   th e  y aw  p a r a m eter   an d     th e  m in im u m   v alu e  r elate d   to   th e  r o ll  p ar am eter .   I n   s tead y   s tate  er r o r ,   alm o s t  all  v alu es  a r e  ze r o .   I n   s ettlin g   tim e,   th e  m ax im u m   v alu e  is   c o n n ec ted   th e  y aw  p ar am eter   a n d   th e  m in im u m   v alu e  is   co n n ec ted   th e  p itch .   I n   th e  in cr ea s in g   tim e,   th e   m ax i m u m   v alu e   is   r elate d   to   th e  p itch .     4 . 4 .   Co m pa riso ns   o f   P I D  co ntr o l ler  o ptim iza t io n  m et ho ds   As  alr ea d y   s tated ,   th e  f iv e  cr it er ia  o f   o v e r s h o o t,  s tead y   s tate   er r o r ,   s ettlin g   tim e,   r is in g   tim e  ar e  u s ed   to   co m p ar e  t h e  co ef f icien ts   o f   PID   tu n in g   v ia  th e  m en tio n ed   alg o r ith m s .   th is   co m p ar is o n   ar e  s u m m ar ies  in   T ab les   11 – 13   f o r   p itch ,   r o ll  an d   y aw  p a r am eter s .   As  it  s h o wn   in   T ab le  1 1 ,   t h e  co n tr o l ler   p er f o r m an ce   i n     p itch   p ar a m eter ,   t h e  PID _ FA ,   PID _ PS O  alg o r ith m s   s h o w  b etter   p er f o r m an ce   in   o v er s h o o t  t h an   t h e  two   Z ieg ler ‒ Nich o ls   m eth o d s   an d   PID _ GA.   T h e  v alu e  o f   s tead y   s tate  er r o r   in   all  alg o r ith m s   ar e  v er y   lo w  an d     th e  s ettlin g   tim e  p ar am eter s ,   f o r   th e   PID _ PS O  an d   PID _ F A,   p er f o r m   b etter   in   co m p ar e  to   th e  two   o th er   alg o r ith m s .   T ab le  1 2   s h o ws  th e  co m p a r is o n   o f   th e  c o n tr o ll er ’ s   p er f o r m an ce   in   th e  r o ll  p ar am eter .   W h ich   it   s h o ws  th e  PID _ FA  an d   PID _ PS O  alg o r ith m s ,   th er e  is   a  b et ter   p er f o r m an ce   in   th e  o v er s h o o t  an d   s ettlin g   tim e   cr iter ia  h av e  b etter   p er f o r m a n ce   to war d s   Z ie g ler ‒ Nich o ls   an d   PID _ GA.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.