I AE S In t er na 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 RA)   Vo l.  1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 ,   p p .   5 2 9 ~ 5 4 3   I SS N:  2722 - 2 5 8 6 ,  DOI :  1 0 . 1 1 5 9 1 /i jr a . v 1 5 i 3 . pp 5 2 9 - 543           529       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   Prec isio n e nha nc ement i n drone  p o sitio n contro l ba sed o n  o ptimized  PID:   A  c o mpa ra tive stud y       I m a m   B a r k et   G hil o ub i 1 ,   L a t if a   Abdo u 1, 2   1 I d e n t i f i c a t i o n ,   C o mm a n d ,   C o n t r o l   a n d   C o mm u n i c a t i o n   La b o r a t o r y   LI 3 C U B ,   M o h a me d   K h i d e r   U n i v e r s i t y ,   B i sk r a ,   A l g e r i a   2 F a c u l t y   o f   Te c h n o l o g y ,   M o st e f a   B e n   B o u l a ï d   U n i v e r s i t y ,   B a t n a ,   A l g e r i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   1 6 ,  2 0 2 6   R ev is ed   Ap r   2 0 ,  2 0 2 6   Acc ep ted   Ma y   2 2 ,  2 0 2 6       Th is  p a p e r  p re se n ts  a   c o m p a ra ti v e   stu d y   o f  q u a d ro t o r  traje c to ry   trac k in g   p e rfo rm a n c e   u sin g   p r o p o rti o n a l  in teg ra l  d e riv a ti v e   (P ID)  c o n tr o ll e rs   o p ti m ize d   b y   two   n a tu re - in s p ir e d   m e tah e u risti c   a lg o r it h m s:  t h e   flo we r  p o ll i n a ti o n   a lg o r it h m   (F P A)  a n d   p a rti c le  sw a rm   o p t imiz a ti o n   (P S O).  A   n o n li n e a r  d y n a m ic  m o d e l  o f  th e   q u a d ro t o r  is  first  e sta b li sh e d ,   c a p t u rin g   b o t h   tran sla ti o n a l   a n d   r o tati o n a l   m o ti o n s.  A   c a sc a d e d   P ID   c o n tro l   a rc h i tec tu re   is   th e n   d e si g n e d ,   wh e re   th e   o u ter  l o o p   re g u late s  p o siti o n   a n d   t h e   i n n e r  lo o p   co n tro ls  a tt it u d e   a n d   a lt i tu d e .   T h e   P ID   g a in s   a re   t u n e d   o ffli n e   b y   m in imiz in g   a n   o b jec ti v e   fu n c ti o n   c o m b i n in g   t h e   in teg ra l  o f  ti m e - we ig h ted   a b so lu te  e rro r   (IT AE)  a n d   a n   o v e rsh o o t  p e n a li z a ti o n   term .   T h e   o p t imi z e d   c o n t ro l lers   a re   e v a l u a te d   t h r o u g h   th re e   re fe re n c e   sc e n a r io s:   s te p   re s p o n se ,   c i rc u l a r   t ra jec t o r y ,   a n d   lem n i sc a t e   t ra je c t o ry .   Q u a n t i tat i v e   p e r f o rm a n c e   m e tr ics ,   i n c l u d i n g   r o o t   m e a n   s q u a re   e r r o r   (R M S E) ,  m e a n   a b s o l u te   e rr o r  ( M A E) ,  i n te g ra l   o f  a b s o l u te   e rr o r   ( IA E) ,   a n d   I TA E,   a r e   u se d   t o   a ss e s s  tra c k i n g   a c c u ra c y .   Re s u l ts   s h o w   th a t   t h e   P ID - F P A   c o n tr o ll e r   s i g n if ica n t l y   o u t p e rf o rm s   P ID - P S O   i n   term s   o f   o v e r s h o o t  re d u c t i o n ,   fa s te r  se tt l in g   ti m e ,   sm o o t h e r  r e s p o n se s ,   a n d   im p r o v e d   trac k i n g   p r e c is i o n ,   e s p e c ia ll y   f o r  c o m p le x   tra jec t o r ies .   A   r o b u s t n e s s  a n a l y sis   is  f i n a ll y   c o n d u c te d   b y   in tr o d u c in g   a   re a l is ti c   s y n t h e ti c   wi n d   d i st u r b a n c e   m o d e le d   u s i n g   s i n u s o i d a l  c o m p o n e n ts  a n d   st o c h a st ic  t u r b u le n c e .   T h e   F P A - tu n e d   P ID   d e m o n st ra t e s  s tr o n g   r o b u s tn e ss ,   m a i n ta i n in g   a c c u ra te   tra jec to r y   trac k i n g   u n d e r  a e r o d y n a m ic   p e rt u rb a t i o n s.   K ey w o r d s :   Flo wer   p o llin atio n   alg o r ith m   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   Pre cisi o n   Pro p o r tio n al   in teg r al  d e r iv ativ e   Qu ad r o to r   T r ajec to r y   tr ac k in g   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 :   I m am   B ar k et  Gh ilo u b i   I d en tific atio n ,   C o m m an d ,   C o n tr o l a n d   C o m m u n icatio n   L ab o r ato r y   L I 3 C UB ,   Mo h am ed   Kh id er   Un iv er s ity   B is k r a,   Alg er ia   E m ail: im am . g h ilo u b i@ u n iv - b is k r a. d z       1.   I NT RO D UCT I O N   Qu ad r o to r s   h av e  attr ac ted   s ig n if ican t  atten tio n   in   b o th   r esear ch   an d   in d u s tr ial  co m m u n it ies  d u e  to   th eir   co m p ac t  s tr u ctu r e,   h i g h   m an eu v e r ab ilit y ,   an d   v er tica l  tak eo f f   a n d   lan d in g   ca p ab il ities ,   wh ich   en ab le  th eir   d ep lo y m en t  in   a  wid e  r an g e  o f   ap p licatio n s   s u ch   a s   ae r ial  s u r v eillan ce ,   en v ir o n m en tal  m o n ito r in g ,   in s p ec tio n   o f   c o m p lex   i n f r astru ctu r es,  s ea r ch   an d   r escu e  m is s io n s ,   an d   au to n o m o u s   d e liv er y   s er v ices.  T h e   in cr ea s in g   d em a n d   f o r   s af e,   a cc u r ate,   an d   r eliab le  a u to n o m o u s   f lig h t  in   co m p lex   an d   d y n am ic  en v ir o n m en ts   h as m ad e  tr ajec to r y   tr ac k in g   c o n tr o l a   ce n tr al  ch allen g e  in   q u ad r o to r   u n m a n n ed   ae r ial  v eh i cle  ( UAV)   s y s tem s   [ 1 ] .   Ho wev er ,   th e   h ig h l y   n o n l in ea r   d y n am ics,  s tr o n g   co u p lin g   b etwe en   tr a n s latio n al  an d   r o tatio n al  m o tio n s ,   u n d er - ac tu atio n ,   a n d   s u s ce p ti b ilit y   to   ex ter n al  d is tu r b an ce s   s u ch   as  win d   g u s ts   an d   m o d elin g   u n ce r tain ties   s ig n if ican tly   co m p licate  co n tr o ller   d esig n   [ 2 ] .   As  a  r esu lt,  th e  tr ajec to r y   tr ac k i n g   p r o b lem   o f   q u a d r o to r   UAVs  h as  attr ac ted   s ig n if ican t  r esear ch   atten tio n ,   with   n u m er o u s   n o n lin ea r ,   ad a p tiv e,   an d   r o b u s t  co n tr o l  ap p r o ac h es   b ein g   d e v elo p e d   to   e n s u r e  s tab ilit y ,   h ig h   tr ac k i n g   ac c u r ac y ,   an d   r o b u s tn ess   u n d e r   p r ac tical  o p er atin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 2 9 - 5 4 3   530   co n d itio n s .   T h ese  s tr ateg ies  ar e  s p ec if ically   d esig n ed   to   ad d r ess   th e  in h er en t  s y s tem   n o n li n ea r ities ,   m o d elin g   u n ce r tain ties ,   ac tu ato r   co n s tr ain ts ,   an d   th e  p r esen ce   o f   e x ter n al  d is tu r b a n ce s .   Am o n g   th ese  ap p r o ac h es,  b ac k s tep p in g - b ased   c o n tr o l   t ec h n iq u es  h av e   r ec eiv ed   s ig n if ican t  atten tio n   d u e  t o   th ei r   s y s tem atic  d esig n   p r o ce d u r e  an d   s tab ilit y   g u a r an tees.  Ad ap tiv e  b ac k s tep p i n g   en h an ce d   b y   n e u r al  n et wo r k s   an d   b ar r ier   L y ap u n o v   f u n ctio n s   is   p r o p o s ed   in   [ 3 ]   to   h an d le  u n ce r ta in ties ,   o u tp u t  co n s tr ain ts ,   an d   in p u t  s atu r atio n .   A  r ed u ce d - co m p lex ity   ad ap t iv e  n eu r al  b ac k s tep p in g   s ch em e  is   f u r th er   in tr o d u ce d   in   [ 4 ] ,   wh er e  an   in ter m ed iar y   c o n tr o l  v ar iab le   an d   s ca lar   ad a p tiv e  p a r am e ter   m ain tain   tr ac k i n g   ac cu r a cy   wh ile  lo wer in g   co m p u tatio n al  b u r d e n .   T o   en s u r e  f ast  co n v er g e n ce   an d   r o b u s tn ess ,   a  f in ite - tim e  ad ap tiv e  in teg r al  b ac k s tep p in g   f ast  ter m in al  s lid in g   m o d e  co n tr o ller   is   d ev el o p ed   in   [ 5 ] .   B ar r ier   L y ap u n o v – b ased   b ac k s tep p in g   an d   co n s tr ain ed   b a ck s tep p in g   co n tr o l   s tr ateg ies  ar e  also   i n v esti g ated   in   [ 6 ]   t o   g u ar an t ee   s tab le  tr ajec to r y   tr ac k in g   wh ile  r esp ec tin g   p o s itio n   an d   attitu d e   co n s tr ai n ts .   A  s elf - tu n in g   b ac k s tep p in g   co n tr o ller   f o r   m u ltiro to r   d r o n es  is   p r o p o s ed ,   u s in g   a  n eu r al  n etwo r k   tr ain ed   v ia  m etah eu r is tic - g en er ate d   d ata  to   o p tim ize   en er g y ,   r is e  tim e,   an d   o v e r s h o o t,  o u tp e r f o r m in g   g en et ic  alg o r ith m   ( GA) - t u n ed   p r o p o r tio n al  in teg r al   d er iv ativ e   (P ID)  [ 7 ] .   I n   p ar allel,   class ical  an d   a d ap t iv e  PID - b ased   co n tr o ller s   r em ain   attr ac tiv e  d u e   to   th eir   s im p licity   an d   ea s e  o f   im p lem en tatio n .   A  r o b u s t  ad ap tiv e  PID - lik e  co n tr o ll er   with   o n lin e  g ain   ad ju s tm en t ,   with o u t  r eq u ir in g   an   ac cu r ate  m o d el,   is   p r o p o s ed   in   [ 8 ] .   T r ajec to r y   tr ac k in g   c o n tr o l  ap p r o ac h   c o m b in in g   s lid in g   m o d e  co n tr o l   with   an   im p r o v ed   ex te n d ed   s t ate  o b s er v er   ( SMC - I E SO)   is   p r o p o s ed   in   [ 9 ]   f o r   q u a d r o t o r   UAVs.  T h e  m eth o d   em p lo y s   a  h ier ar ch ical  p o s iti o n – attitu d e  co n tr o l  s tr u ctu r e  an d   a  d is tu r b an ce   o b s er v er   t o   en h an ce   tr ac k i n g   ac cu r ac y   an d   d is tu r b an ce   r ej ec tio n   wh ile  r ed u cin g   ch atter in g .   I n   [ 1 0 ] ,   a  g ain - s ch ed u le d   f au lt - to ler an t  PID   co n tr o l  s tr ateg y   was  p r o p o s e d   f o r   q u ad r o to r   UAVs  to   a d d r ess   ac tu ato r   f a u lts .   T h e  PI D  p ar am eter s   wer e   o p tim ally   tu n ed   u s in g   a   co m b in atio n   o f   g en etic  al g o r it h m   ( GA)   an d   ar tific ial  n e u r al  n etwo r k s   ( ANN) ,   en ab lin g   im p r o v e d   f lig h t  s tab i lity   an d   tr ajec to r y   t r ac k in g   u n d er   r o to r   f ailu r e  s ce n a r io s .   Fu r th er m o r e ,   a  r o b u s t  T y p e - 2   f u zz y   PID   co n tr o ller   o p tim ized   v ia  g en etic  alg o r ith m s   is   ex p er im en tally   v alid ated   in   o u td o o r   win d y   co n d itio n s   an d   s h o wn   to   o u t p er f o r m   co n v en tio n al  PID   a n d   b ac k s tep p in g   co n tr o ller s   in   [ 1 1 ] .   T o   e n h an ce   r o b u s tn ess   ag ain s t  d is tu r b an c es  an d   m o d elin g   u n ce r tain ties ,   s lid in g   m o d e   co n tr o l  ( SMC ) – b ased   tech n iq u es   h av e  b ee n   wid ely   ex p lo r ed .   A   b ac k s tep p in g   s lid in g   m o d e   co n tr o ller   co m b in ed   with   a  s u p e r - twis tin g   o b s er v er   is   p r o p o s ed   in   [ 1 2 ]   to   ac h iev e  ac cu r ate  t r ac k in g   u n d er   p ar t ial - s tate  m ea s u r em en ts .   I n   [ 1 3 ] ,   a   b ac k s tep p i n g – s lid in g   m o d e  c o n tr o ller   en h a n ce d   with   a  s u p er - twis tin g   o b s er v er   is   p r o p o s ed   f o r   q u a d r o t o r   u n m an n e d   ae r ial  v eh icle  ( QUAV s ) ,   en ab lin g   r ea l - tim e  d is tu r b an ce   esti m atio n ,   im p r o v ed   tr ac k i n g ,   an d   r ed u ce d   ch atter i n g   u n d er   u n ce r tain ties .   Fix ed - tim e  s lid in g   m o d e  co n tr o l  is   in v esti g ated   in   [ 1 4 ] ,   en s u r in g   f ast  co n v er g e n ce   in d ep en d en t  o f   i n itial  co n d itio n s .   Fra ctio n al - o r d er   s lid in g   m o d e   co n tr o l  is   d esig n ed   i n   [ 1 5 ]   to   s u p p r ess   p ay lo ad   o s cillatio n s   in   s lu n g - lo ad   q u a d r o to r   s y s tem s .   Ad ap tiv e  n o n - s in g u lar   ter m i n al  s lid in g   m o d e  co n tr o l  with   d is tu r b an ce   o b s er v atio n   i s   p r o p o s ed   in   [ 1 6 ]   to   im p r o v e  r o b u s tn ess   an d   d is tu r b a n ce   r ej ec tio n .   Hy b r id   a n d   ad v an ce d   SMC   s ch em es  ar e  f u r th er   d e v elo p ed   in   [ 1 7 ]   to   m itig ate  ch atter in g   ef f ec ts ,   wh ile  f o r m atio n   an d   tr ajec to r y   tr ac k in g   u s in g   n o n - s in g u lar   ter m in al  s u p er - twis tin g   s lid in g   m o d e  co n tr o l  ar e   ad d r ess ed   in   [ 1 8 ] .  E n h an ce d   r o b u s tn ess   an d   r ed u ce d   co n tr o l  e f f o r t   ar e  ac h iev ed   u s in g   f u zz y   PID – b ased   s u p er - twis tin g   s lid in g   m o d e  co n tr o l  in   [ 1 9 ] ,   an d   q u a ter n io n - b ased   s lid in g   m o d e  co n tr o l  is   p r o p o s ed   in   [ 2 0 ]   to   elim in ate  E u ler   an g le  s in g u lar ities   u n d er   s ev er e   win d   d is tu r b an ce s .   Mo r e  r ec en tly ,   m o d el  p r ed icti v e  co n tr o l  ( MPC )   an d   lear n i n g - b ased   c o n tr o l   ap p r o ac h es  h av e  g ain e d   in cr ea s in g   atten tio n   d u e  to   th e ir   ab ilit y   to   ex p licitly   h an d le  co n s tr ain ts   an d   o p tim ize  p er f o r m an ce .   No n lin ea r   MPC   with   co n tr ac tio n - b ased   co s t  f u n ctio n s   is   d ev elo p e d   in   [ 2 1 ]   to   ac h iev e  s m o o t h   a n d   s tab le  tr ajec to r y   tr ac k in g .   A  n eu r al  n etwo r k - b ased   p ar allel  m o d el  p r ed ictiv e  co n tr o l  ( PMPC )   ap p r o ac h   i s   p r o p o s ed   [ 2 2 ]   f o r   q u ad r o to r   UAV  tr ajec to r y   tr ac k in g .   T h e  m eth o d   r ec o n s tr u cts  th e  UAV  d y n am ics  o n li n e  u s in g   a  p ar allel   n eu r al  n etwo r k   m o d el  an d   ex p er ien ce   r ep lay   t o   m ain tain   p r ed ictio n   ac cu r ac y   in   ch an g in g   en v ir o n m en ts .   I n   [ 2 3 ] ,   a n   in ter v al  ty p e - 2   f u zz y   p r e - co m p en s atio n   ac tiv e  d is tu r b an ce   r ejec tio n   co n tr o l  ( I T 2 F P - ADR C )   m eth o d   was  p r o p o s ed   to   im p r o v e  th e  tr ajec to r y   tr ac k in g   p er f o r m an ce   o f   a   q u a d r o to r   s lu n g - lo ad   s y s tem   u n d er   d is tu r b an ce s   an d   u n ce r tain ties .   T h e  ap p r o ac h   en h an ce s   d is tu r b an ce   esti m atio n   a n d   s y s tem   r o b u s tn ess   u s in g   a  m o d if ied   ex te n d ed   s tate  o b s e r v er   an d   f u zz y   co m p en s atio n .   E f f icien t  r ea l - tim e  NM PC   i m p lem en tatio n s   o n   r eso u r ce - lim ited   em b e d d ed   p latf o r m s   ar e  d em o n s tr ated   in   [ 2 4 ]   u s in g   q u ate r n io n - b a s ed   m o d elin g   an d   C /GM R E S  o p tim izatio n .   A  co m p r eh e n s iv e  r ev iew  in   [ 2 5 ]   h ig h lig h ts   MPC   as  a  p r o m is in g   f r am ewo r k   f o r   tr ajec to r y   tr ac k i n g   an d   d y n a m ic  o b s tacle   av o id a n ce   in   co m p lex   UAV  en v ir o n m en ts .   I n   [ 2 6 ] ,   a  s y s tem atic   lin ea r   q u ad r atic  r eg u lato r   ( L Q R )   tu n in g   ap p r o ac h   f o r   UAV  attitu d e  co n tr o l  is   p r o p o s ed ,   u s in g   m u lti - o b jectiv e  g r ey   wo lf   o p tim izatio n   an d   T OPSIS  to   s e lect  o p tim al  Q – R   weig h ts   u n d er   v ar io u s   er r o r   cr iter ia.   T h e  s tu d y   p r esen ted   in   [ 2 7 ]   p r o p o s es  a  s tate - f ee d b ac k   co n tr o ller   with   in teg r al  ac tio n   f o r   3 D OF  q u ad r o t o r   h o v er ,   ac h iev in g   er r o r - f r ee ,   r o b u s t,  an d   f au lt - to ler a n t  attitu d e  tr ac k in g   in   s im u latio n s   an d   ex p er i m en ts .   A  m o d el - f r ee   FP I D  co n tr o ller   is   p r o p o s ed   f o r   3 - DOF  q u ad r o to r   attitu d e  s tab ilizatio n ,   o p tim ized   v ia  p ar ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O)   an d   v alid ated   ag ain s t  L QR ,   PID ,   an d   b ac k s tep p in g   with   r o b u s t  p er f o r m an ce   [ 2 8 ] .   I n   ad d itio n   to   i n d iv id u al  q u a d r o t o r   co n tr o l,  co o p er ativ e  c o n tr o l   s tr ateg ies  h av e  also   b ee n   ex p l o r ed .   A  f r ac tio n al - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         P r ec is io n   en h a n ce men t in   d r o n e  p o s itio n   c o n tr o l b a s ed   o n   o p timiz ed   P I D   … ( I ma m  B a r ke t G h ilo u b i )   531   o r d e r   PID   c o n tr o ller   is   p r esen ted   in   [ 2 9 ]   to   e n h an ce   QUAV s   tr ajec to r y   tr ac k in g ,   r ed u ce   o v er s h o o t,  im p r o v e   r o b u s tn ess ,   an d   e n ab le  s ca lab l e  s war m   o p er atio n s   in   co m p le x   m is s io n s .     Desp ite  th e  v ar io u s   ad v a n ce d   co n tr o l  s tr ateg ies  p r o p o s ed   i n   th e  liter atu r e,   P ID   co n tr o ller s   r em ain   attr ac tiv e  b ec au s e  o f   th eir   s i m p licity ,   ea s e  o f   im p lem en ta tio n ,   an d   p r ac tical  ef f ec tiv en ess .   Ho wev er ,   th eir   p er f o r m an ce   h ea v ily   d e p en d s   o n   th e   tu n in g   o f   co n tr o ller   g ain s .   C o n v en ti o n al  tu n i n g   m eth o d s   ar e  o f ten   in s u f f icien t f o r   n o n lin ea r   s y s tem s   lik e  q u ad r o to r s ,   m o tiv atin g   th e  u s e  o f   i n tellig en t o p tim iza tio n   alg o r ith m s .   T h is   p ap er   f o cu s es  o n   o p tim iz in g   PID   co n tr o ller   g ain s   u s in g   th e  p ar ticle  s war m   o p tim izati o n   ( PS O)   an d   th e  f l o wer   p o llin atio n   alg o r ith m   ( FP A) .   T h e  m ain   co n tr ib u tio n s   o f   t h is   s tu d y   ar e  s u m m ar ized   as f o llo ws:     −   Un lik e  co n v en tio n al   I T AE - b a s ed   tu n in g ,   an   en h an ce d   o b je ctiv e  f u n ctio n   is   p r o p o s ed   b y   co m b i n in g   th e  in teg r al  o f   tim e - weig h ted   ab s o lu te  er r o r   ( I T AE )   with   an   o v er s h o o t  p e n aliza tio n   ter m   to   i m p r o v e   tr an s ien t   r esp o n s e  an d   r ed u ce   o v er s h o o t,  clea r ly   d is tin g u is h in g   t h is   wo r k   f r o m   o u r   p r ev io u s   s tu d ies.    −   C o m p r eh en s iv e  co m p ar ativ e  a n aly s is   b etwe en   FP A - b ased   an d   PS O - b ased   PID   co n tr o ller s   u s in g   m u ltip le   s ce n ar io s ,   in clu d in g   s tep   r esp o n s e,   cir cu lar ,   an d   lem n is ca te  tr ajec to r ies.   −   Qu an titativ e  ev alu atio n   o f   tr a ck in g   p er f o r m a n ce   u s in g   d if f er en t  er r o r   m et r ics  s u ch   as  r o o t  m ea n   s q u ar e   er r o r   ( R MSE ) ,   m ea n   ab s o lu te  er r o r   ( MA E ) ,   in teg r al   o f   a b s o lu te  er r o r   ( I AE ) ,   an d   I T AE .   −   Valid atio n   o n   co m p lex   r ef er e n ce   tr ajec to r ies,  in clu d in g   lem n is ca te  p ath s ,   is   p er f o r m ed   to   a s s es s   co n tr o ller   p er f o r m an ce   u n d er   m o r e  d em an d in g   tr ac k in g   c o n d itio n s   th a n   co n v en tio n al  s tep   o r   cir cu lar   tr ajec to r ies.   −   R o b u s tn ess   test   ag ain s t  win d   d is tu r b an ce s   is   co n d u cted   o n   t h e  PID   co n tr o ller   o p tim ized   u s in g   th e  s elec ted   m eth o d .   T h e  r e m ain d er   o f   th is   p ap er   is   o r g an ize d   as  f o llo ws:   Sectio n   2   p r esen ts   th e   q u a d r o to r   m o d elin g ,   s ec tio n   3   d escr ib es  th e  co n tr o l  m eth o d o l o g y ,   in clu d in g   th e  PID   s tr u ctu r e  an d   o p tim izatio n   s tr ateg ies,   s ec tio n   4   d is cu s s es th e  s im u latio n   r esu lts   an d   s ec tio n   5   p r ese n ts   th e  co n clu s io n .       2.   Q UADR O T O R  M O D E L I N G   T h e  d y n am ic  m o d el   o f   th e   q u a d r o to r   ca p t u r es  th e   tr an s latio n al  m o tio n   alo n g   th e   th r ee   ax es   ( , , )   an d   th e   r o tatio n al   d y n am i cs  ar o u n d   r o ll,  p itch ,   an d   y aw.   T h e  ae r o d y n am ic  f o r ce s   an d   t o r q u es  g en er ated   b y   th e   f o u r   r o t o r s   a r e  m ap p e d   in to   t h e  tr an s latio n al  an d   an g u lar   ac ce ler atio n s   o f   th e  q u a d r o t o r .   T o   s im p lify   th e  m o d elin g   f o r   c o n t r o ller   d esig n ,   th e  f o llo win g   as s u m p tio n s   ar e  m ad e:  T h e  q u a d r o to r   is   co n s id er e d   as  a  r ig id   b o d y   with   s y m m et r ic  s tr u ctu r e  a n d   ae r o d y n am i c  d r ag   f o r ce s   ar e  n eg lecte d   co m p ar ed   to   th r u s t  f o r ce s .   Fig u r e  1   illu s tr ates  th e  q u ad r o to r   s tr u ctu r e  to g eth er   wit h   its   in er tial  an d   b o d y - f ix ed   r ef er en ce   f r am es.  T h e  in er tial  f r am e  ( , , )   i s   u s ed   to   d escr ib e  th e  tr an s lati o n al  m o tio n   o f   th e  v e h icle,   wh ile  th e  b o d y   f r am e  is   attac h e d   t o   th e   q u a d r o to r   an d   d ef in es  its   r o tatio n al  d y n am ics.  T h e  attitu d e   o f   th e   q u a d r o to r   is   r ep r esen ted   b y   th e  r o ll  ( ) ,   p itch   ( ) ,   an d   y aw  ( )   an g les.  T h e  f o u r   r o t o r s   r o tate  with   an g u lar   s p ee d s   [ 1   …   4 ] ,   g e n er atin g   th r u s t  f o r ce s   an d   co n tr o l  to r q u es  th at  allo w  i n d ep en d en t  c o n tr o l  o f   altitu d e ,   attitu d e,   an d   h o r izo n tal  m o tio n .   Ma th em atica lly ,   th e  q u a d r o to r   ca n   b e  m o d eled   b y   th e   f o llo w in g   n o n lin ea r   s tate  s p ac e  m o d el  [ 7 ] :     {                                 ̇ 1 = 2 ̇ 2 = − 4 6 + ̇ 3 = 4 ̇ 4 = − 2 6 + ̇ 5 = 6 ̇ 6 = − 2 4 + ̇ 7 = 8 ̇ 8 =  1 .  3 .  5 +  1 .  5 − 8 + ̇ 9 = 10 ̇ 10 =  1 .  3 .  5 −  1 .  5 − 10 + ̇ 11 = 12 ̇ 12 =  1 .  3 − 12 − +   ( 1 )     w h er e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 2 9 - 5 4 3   532   {                         1 = 2 = ̇ 3 = 4 = ̇ 5 = 6 = ̇ 7 = 8 = ̇ 9 = 10 = ̇ 11 = 12 = ̇   ( 2 )     an d   ,  ,    a r e  th e  ae r o d y n am ic  f o r ce s   g en er ated   b y   win d   d is tu r b an ce s   alo n g   ea ch   ax is ,   g iv e n   b y   ( 3 ) :     { = 1 2 2       , = , ,   ( 3 )     an d   ap p lied   in   th e  last   s ec tio n   o f   r esu lts   to   ev alu ate  th e   r o b u s tn ess   o f   th e  s elec ted   o p tim ized   co n tr o ller   PID .         Fig u r e  1 .   Qu a d r o to r   r ef e r en ce   f r am es a n d   d eg r ee s   o f   f r ee d o m       T h e  d y n am ic  m o d el  o f   th e  q u ad r o to r   u s ed   in   th is   wo r k   in co r p o r ates  lin ea r   ae r o d y n am ic  d r ag   f o r ce s   alo n g   ea ch   b o d y   ax is ,   r ep r esen ted   b y   ,     an d   ,   to   m ain tain   p h y s ical  co n s is ten cy .   E x ter n al  d i s tu r b an ce s   d u e  to   win d ,   d en o ted   b y   ,     an d     ar e  also   e x p licitly   co n s id er ed   in   t h e  s im u latio n s   t o   ev al u ate  r o b u s tn es s   u n d er   r ea lis tic  o p er atin g   c o n d itio n s .   W h ile  th ese  ef f ec ts   a r e  in clu d ed   i n   th e   m o d el  f o r   co m p leten ess ,   th e   co n tr o l  d esig n   f o c u s es  o n   ac h iev in g   p r ec is e  tr ajec to r y   tr a ck in g   an d   d is tu r b a n ce   r ejec ti o n   with o u t  d ir ec tly   co m p en s atin g   f o r   th e  d r ag ,   allo win g   a  clea r   ass ess m en t  o f   th e  co n tr o ller ’ s   p er f o r m an ce   u n d er   b o th   id ea l  an d   p er tu r b e d   s ce n ar io s .     T h e  p a r am eter s   o f   th e   q u ad r o to r   u s ed   i n   th e   d y n am ic   m o d el,   i n clu d in g   th e   m ass ,   g eo m etr ic  d im en s io n s ,   g r a v itatio n al  co n s tan t,  an d   m o m en ts   o f   in er tia,   ar e  s u m m ar ized   i n   T ab le  1 .   Nu m er ical   s im u latio n s   ar e  ca r r ied   o u t  u s in g   a  f o u r th - o r d er   R u n g e – Ku tta  in teg r atio n   s ch em e  with   a  f ix ed   s tep   s ize  o f   0 . 0 1   s ,   wh ic h   p r o v id es a   g o o d   b alan ce   b etwe en   c o m p u tatio n al  ef f icien cy   an d   ac cu r ac y .       T ab le  1 .   Ph y s ical  p ar a m eter s   o f   th e  q u ad r o to r   m o d el   P a r a me t e r   D e scri p t i o n   V a l u e     To t a l   mass   1       D i st a n c e   f r o m   t h e   c e n t e r   o f   m a ss t o   e a c h   r o t o r   0 . 2 5       G r a v i t a t i o n a l   a c c e l e r a t i o n   9 . 81   / 2     M o me n t   o f   i n e r t i a   a r o u n d   t h e   b o d y   x - a x i s (r o l l   a x i s)   0 . 0 2    . 2     M o me n t   o f   i n e r t i a   a r o u n d   t h e   b o d y   y - a x i s (p i t c h   a x i s)   0 . 0 2    . 2     M o me n t   o f   i n e r t i a   a r o u n d   t h e   b o d y   z - a x i s (y a w   a x i s)   0 . 0 4    . 2     a e r o d y n a mi c   d r a g   c o e f f i c i e n t   a l o n g   t h e   x - a x i s   0 . 1   . /     a e r o d y n a mi c   d r a g   c o e f f i c i e n t   a l o n g   t h e   y - a x i s   0 . 1   . /     a e r o d y n a mi c   d r a g   c o e f f i c i e n t   a l o n g   t h e   z - a x i s   0 . 2   . /   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         P r ec is io n   en h a n ce men t in   d r o n e  p o s itio n   c o n tr o l b a s ed   o n   o p timiz ed   P I D   … ( I ma m  B a r ke t G h ilo u b i )   533   3.   CO NT RO L   M E T H O D   3 . 1 .       P I D  co ntr o l st ruct ure   T h e  co n tr o l  ar ch itectu r e  is   b a s ed   o n   a  ca s ca d e d   PID   s ch em e.   T h e  o u ter   lo o p   r eg u lates  th e  p o s itio n   ( , ) ,   wh ile  th e  in n er   lo o p   co n tr o ls   th e  attitu d e  an g les  ( , , )   an d   altitu d e    as sh o wn   in   Fig u r e   2 .           Fig u r e  2 .   Diag r a m   o f   th e  o p tim ized   PID   co n tr o l a r ch itectu r e       T h e  d esire d   p o s itio n   r ef e r en ce s   ( , , )   ar e  p r o ce s s ed   b y   an   o u ter - lo o p   PID   co n tr o ller   t h at  g en er ates  in ter m ed iate  v ir tu al  co n tr o l  s ig n als  ,  ,   an d     b ased   o n   th e  co r r esp o n d in g   p o s itio n   e r r o r s .   T h e   h o r izo n tal  v ir tu al  co n t r o l  s ig n als    an d     ar e  th en   c o n v e r ted   i n to   d esire d   r o ll  an d   p itch   an g l es    an d     th r o u g h   th e  f o llo win g   r elatio n s :     { = 1 (  − ) = 1 (  + )   ( 4 )     An   o u ter - lo o p   PID   co n tr o ller   g en er ates  th e  v ir tu al  co n tr o l  in p u ts     an d     u s in g   th e  tr ac k in g   e r r o r s   in   p o s itio n ,   w h ile  an   in n er - l o o p   PID   c o n tr o ller   r eg u lates  th e  attitu d e  ( , , )   b ased   o n   th e   r ef er en ce s   ( , , ) .   T h e  PID   g ain s   o f   b o th   lo o p s   ar e  o p tim ized   o f f lin e  u s in g   th e  FP A  an d   PS O  alg o r ith m s .   T h e  o p tim ized   co n t r o l  in p u ts   ( , , , )   ar e  th en   ap p lied   to   th e  q u ad r o t o r   d y n am ic  m o d el,   an d   t h e  m ea s u r ed   s tates a r e  f ed   b ac k   to   cl o s e  th e  co n tr o l lo o p .   B ased   o n   th e  c o n tr o l  s tr u ctu r e  illu s tr ated   in   Fig u r e  2 ,   th e   q u ad r o to r   m o tio n   alo n g   s ix   d eg r ee s   o f   f r ee d o m   -   th r ee   tr an s latio n al  ( , , )   an d   th r ee   r o tatio n al  ( , , ) -   is   r eg u lated   u s in g   a  u n if ied   PID   c o n tr o l   law.   Fo r   ea ch   co n tr o lled   v ar ia b le  , , , ,   an d   ,   th e  co r r esp o n d in g   c o n tr o l in p u t    is   d ef in ed   as:     =  +  ∫  0 +  ̇   ,       ∈ { , , , , , }   ( 5 )     wh er e  =   −   d en o tes th e  tr ac k in g   er r o r   b etwe en   t h e  d esire d   a n d   ac tu al  s tates.  T h e  p r o p o r tio n al,   i n teg r al,   an d   d e r iv ativ e  g ai n s    ,  ,    ar e  tu n ed   in d e p en d e n tly   f o r   ea ch   d e g r ee   o f   f r ee d o m   u s in g   th e   FP A  an d   PS O  o p tim izatio n   alg o r ith m s .   Fo r   th e  tr a n s latio n al  d y n am ic s ,   th e  v ir tu al   co n tr o l  in p u ts     an d     ar e  co n v er te d   in to   th e  d e s ir ed   r o ll  an d   p itc h   an g les  ( , ) ,   wh ile    d ir ec tly   r eg u lates  th e  altitu d e.   Fo r   th e  r o tatio n al  d y n a m ics :   , ,   co r r esp o n d   d ir ec tly   to   th e  r o ll,   p itch ,   an d   y aw  co n tr o l to r q u e s   ap p lied   to   th e  q u ad r o to r .   T h e  PID   g ain s   ar e  tu n ed   b y   m i n im izin g   th e  f o llo win g   o b jecti v e  f u n ctio n :     = ∫ ( | | + | | +   | | ) + (  +  +    )  0   ( 6 )     wh er e  ,     an d     d en o te  th e  in s tan tan eo u s   p o s itio n   er r o r s   alo n g   ea ch   ax is ,   co m p u ted   as  th e  d if f er en ce   b etwe en   th e  d esire d   an d   ac tu a l  UAV  p o s it io n s .      ,     an d      r ep r esen t  th e  m ax im u m   o v er s h o o t  alo n g   ea ch   ax is ,   d ef in ed   as  th e   lar g est  d ev iatio n   o f   th e  UAV  p o s itio n   f r o m   th e   r ef e r en ce   tr ajec to r y   d u r in g   th e   s im u latio n   o r   ex p er im en tal  r u n .   T h e  in te g r atio n   is   p er f o r m e d   o v er   th e  f ix e d   tim e  in ter v al  ,   co r r esp o n d in g   to   th e  d u r atio n   o f   th e  test ed   t r ajec to r y ,   e n s u r in g   co n s is ten cy   an d   r e p r o d u cib ilit y   o f   th e  r esu lts .   T h e  weig h tin g   f ac to r     b alan ce s   th e  tr ad e - o f f   b etwe en   m in im izin g   o v er s h o o t  an d   im p r o v in g   tr ac k in g   ac cu r a cy .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 2 9 - 5 4 3   534   3 . 2 .     P I D  b a s ed  o n F P A  o pti m iza t io n   T h e  f lo wer   p o llin atio n   alg o r ith m   ( FP A)   is   a  m etah eu r is tic  o p tim izatio n   tec h n iq u e   b as ed   o n   th e  p o llin atio n   p r o ce s s   o f   f lo wer in g   p lan ts .   I n   th e  p r o p o s ed   ap p r o ac h ,   ea ch   ca n d id ate  s o lu tio n   is   r ep r esen ted   b y   a  d ec is io n   v ec to r :     = [    ]   ( 7 )     wh ich   co n tain s   th e  p r o p o r tio n al,   in teg r al,   an d   d er i v ativ e  g ain s   o f   th e  PID   co n tr o ller .   T h e  o b jectiv e  o f   th e  o p tim izatio n   p r o ce s s   is   to   d ete r m in e  th e  o p tim al  PID   p a r am e ter s   th at  m in im ize  th e  p er f o r m an ce   in d ex   .   FP A   alter n ates  b etwe en   g lo b al  an d   lo ca l  p o llin atio n   m ec h a n is m s .   Glo b al  p o llin atio n   m o d els  cr o s s - p o llin atio n   an d   is   p er f o r m e d   u s in g   L e v y   f lig h ts ,   wh ich   en ab le  lo n g - d is tan ce   ex p lo r atio n   to war d   th e  cu r r e n t  b est  s o lu tio n   ∗ .  T h e  g lo b al  p o llin atio n   u p d ate  r u le  is   g iv en   b y :     + 1 = + ( − ∗ )   ( 8 )     wh er e    d en o tes  th e  PID   g ain   v ec to r   o f   t h e  ℎ   ca n d id ate  s o lu tio n   at  iter atio n   ,  ∗   r ep r esen ts   th e  b est  PID   g ain   v ec to r   f o u n d   s o   f ar ,   a n d     is   th e  L ev y   f lig h t  s tep   s ize  f o llo win g   a  h ea v y - tailed   p r o b ab il ity   d is tr ib u tio n   as  s h o wn   in   T ab le  2 .       T ab le  2 .   Op tim izatio n   p ar am et er s   f o r   PS O  an d   FP A  alg o r ith m s   P a r a me t e r   FPA   PSO   P o p u l a t i o n   s i z e   2 0 0   2 0 0   N u mb e r   o f   i t e r a t i o n s   3 0 0   3 0 0   G l o b a l   p o l l i n a t i o n   p r o b a b i l i t y     0 . 8   /   Lé v y   f l i g h t   s t e p     1 . 5   /   A c c e l e r a t i o n   c o e f f i c i e n t   1   /   1 . 7   A c c e l e r a t i o n   c o e f f i c i e n t   2   /   1 . 5   I n e r t i a   w e i g h t     /   0 . 7   S e a r c h   s p a c e   g a i n   b o u n d s f o r   [    ] :   ( L o w e r   b o u n d s:   [ 0 ,   0 ,   0 ] ;   u p p e r   b o u n d s  a s s p e c i f i e d   b e l o w )   P o si t i o n   ,   [ 8 ,   4 ,   3 ]   [ 8 ,   4 ,   3 ]   P o si t i o n     [ 1 2 ,   4 ,   5 ]   [ 1 2 ,   4 ,   5 ]   A n g l e s  ,   [ 3 ,   2 ,   3 ]   [ 3 ,   2 ,   3 ]   A n g l e     [ 4 ,   2 ,   2 ]   [ 4 ,   2 ,   2 ]       L o ca l  p o llin atio n   r ep r esen ts   s e lf - p o llin atio n   with in   a  lo ca l  n e ig h b o r h o o d ,   allo win g   f in e - t u n in g   o f   t h e  PID   g ain s   b y   ex ch an g in g   i n f o r m atio n   b etwe en   r a n d o m ly   s elec ted   ca n d i d ate  s o lu ti o n s .   A  s witch in g   p r o b a b ilit y     co n tr o ls   th e  tr an s itio n   b etwe en   g lo b al  an d   lo ca l  p o llin atio n .   At  ea ch   iter atio n ,   th e  f itn ess   o f   ea ch   ca n d id ate  s o lu tio n   is   ev alu ate d   u s in g   th e  o b jectiv e  f u n ctio n   ,   wh ich   co m b in es  th e  I T AE   an d   an   o v e r s h o o t  p en alty .   Ov er   s u cc ess iv e  g en e r atio n s ,   th e  FP A  co n v er g es  to war d   th e  o p tim al  s et  o f   PID   g ain s   th at  m in im izes     [ 3 0 ] .     3 . 3 .     P I D  ba s ed  o n P SO   o pti m iza t io n   Par ticle  s war m   o p tim izatio n   ( PS O)   is   a   p o p u latio n - b ased   s to ch asti c  o p tim izatio n   alg o r ith m   in s p ir ed   b y   th e   co llectiv e   b eh a v io r   o f   b ir d   f lo c k s   an d   f is h   s ch o o ls .   Si m ilar   to   t h e  FP A - b ased   a p p r o ac h   d escr ib e d   in   th e   p r ev io u s   s ec tio n ,   ea ch   p ar tic le  is   ass o ciate d   with   a  PID   g ain   v ec to r   d ef i n ed   in   ( 7 ) ,   wh ich   r ep r esen ts   a   ca n d id ate  s o lu tio n   i n   th e  s ea r c h   s p ac e.   T h e  d y n am ic  ev o l u tio n   o f   ea c h   p ar ticle  is   g o v e r n ed   b y   its   v e lo city   an d   p o s itio n   u p d ate  eq u atio n s :     { + 1 = + 1 1 ( − ) + 2 2 ( − ) + 1 = + + 1   ( 9 )     wh er e    an d     d en o te  th e  p o s itio n   ( PID   g ain s )   an d   v elo city   o f   th e  ℎ   p ar ticle  at  iter atio n   ,   r esp ec tiv ely .   T h e  ter m     r ep r esen ts   th e  p er s o n al  b est  PID   g ain   v ec to r   ac h ie v ed   b y   t h e  p ar ticle,   wh ile    d en o tes  th e  g lo b al  b est  s o lu tio n   f o u n d   b y   th e   s war m .   T h e   p ar a m eter s   ,  1 ,   an d   2   ar e  th e   in er tia  weig h t  an d   ac ce ler atio n   co ef f icien ts   co n tr o llin g   th e   tr ad e - o f f   b etwe en   e x p lo r atio n   an d   ex p lo itatio n ,   a n d   1 ,   2   ar e  r an d o m   n u m b er s   u n if o r m ly   d is tr ib u ted   in   [ 0 , 1 ]   as sh o wn   in   T ab le  2 .   T h r o u g h   iter ativ e  u p d ates,  p ar ticles  m o v e  to war d   r eg io n s   o f   th e  s ea r ch   s p ac e  ass o ciate d   with   lo wer   co s t  v alu es.  T h e  o p tim izatio n   p r o ce s s   co n tin u es  u n til  co n v e r g en ce   cr iter ia  ar e   m et,   r esu ltin g   in   an   o p tim al  o r   n ea r - o p tim al  s et  o f   PID   g ain s   th at  m in im izes th e  o b jectiv e  f u n ctio n     [ 3 0 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         P r ec is io n   en h a n ce men t in   d r o n e  p o s itio n   c o n tr o l b a s ed   o n   o p timiz ed   P I D   … ( I ma m  B a r ke t G h ilo u b i )   535   I n   th is   wo r k ,   FP A  an d   PS O  ar e  em p lo y e d   as  o p tim izatio n   tech n iq u es  to   d eter m in e  s u itab le  PID   co n tr o ller   g ain s   th at   m in im ize   th e  d e f in ed   o b jectiv e   f u n ctio n .   T h ese  m etah eu r is tic  alg o r ith m s   d o   n o t   m o d if y   th e  s tr u ctu r e  o f   th e  c o n tr o l  l aw  b u t  in s tead   s ea r ch   f o r   a p p r o p r iate  p ar am eter   v alu es  w ith in   th e  p r e d ef in e d   b o u n d s .   C o n s eq u en tly ,   t h e  s tab ilit y   o f   th e  clo s ed - lo o p   s y s tem   d ep en d s   o n   th e  PID   c o n tr o ller   d esig n   an d   t h e   q u ad r o to r   d y n am ic  m o d el,   wh ile  th e  o p tim izatio n   alg o r ith m s   ac t  s o lely   as  to o ls   f o r   p a r am eter   tu n in g .   All   s im u latio n s   s tar t  f r o m   ze r o   in itial  co n d itio n s   f o r   p o s itio n ,   v elo city ,   an d   attitu d e  s tates.  T h e  m ain   p a r am eter s   u s ed   f o r   t h e  PID   o p tim izatio n   with   th e  FP A  an d   PS O  ar e  s u m m ar ized   in   T a b le  2.   T ab le  2   p r o v id es  d etailed   s etti n g s   f o r   b o t h   o p tim izatio n   alg o r ith m s ,   in clu d in g   PID   g ain   s ea r ch   s p ac e,   p o p u latio n   s ize,   n u m b er   o f   iter atio n s ,   an d   alg o r ith m - s p ec if ic  p ar am eter s   s u ch   as  p o llin atio n   p r o b ab ilit y ,   L e v y   ex p o n e n t  f o r   FP A,   an d   in e r tia  weig h t  an d   ac ce ler atio n   co ef f icien ts   f o r   PS O.   T h e s e  s ettin g s   en s u r e  r ep r o d u cib ilit y   o f   th e  s tu d y   an d   a  f air   c o m p ar is o n   b etwe en   t h e  two   ap p r o ac h es.       4.   RE SU L T S AN D  D I SCU SS I O N   T o   ev alu ate   th e  p e r f o r m an ce   o f   th e   o p tim ized   PID   co n tr o ller s ,   th r ee   r e f er en ce   s ce n ar io s :  Step   r esp o n s e,   cir c u lar   a n d   le m n is ca te  tr ajec to r ies  wer e  s im u la ted ,   f o llo wed   b y   a   r o b u s tn es s   test   o f   th e   b est - p er f o r m in g   c o n tr o ller .     4 . 1 .     F irst  s ce na rio :   Ste p r es po ns e   A  s tep   test   is   ca r r ied   o u t w ith   d esire d   v alu es o f :      { = 1       = 0 . 5   = 1     ( 1 0 )     Fig u r e  3   illu s tr ates  th e  s tep   r esp o n s e  p er f o r m an ce   o f   th e  q u ad r o to r   u n d er   b o th   PID - FP A  an d   PID - PS O  co n tr o ller s .   T h e  tim e - r e s p o n s es  f o r   th e   , ,   an d     p o s itio n s   clea r ly   s h o w  th at   th e   PID - PS O  ex h ib its   n o ticea b le  o v er s h o o t  in   all  th r ee   ax es,  wh ile  th e  PID - FP A   ef f ec tiv ely   elim in ates  o v er s h o o t.  Mo r eo v er ,   th e   PID - FP A  ac h iev es  f as ter   co n v er g en ce ,   p ar ticu lar ly   in   th e  x   an d   z  r esp o n s es,  in d icatin g   s u p er io r   tr an s ien t  b eh av io r   as  s h o wn   in   Fig u r e   3 ( a) .   T h e  3 D  tr ajec to r y   in   F ig u r e  3 ( b )   r e p r esen tatio n   f u r t h er   co n f ir m s   th ese  o b s er v atio n s ,   h ig h lig h tin g   th e  ab ilit y   o f   t h e  PID - FP A  t o   p r o v id e   m o r e  ac c u r ate  a n d   s tab le  t r ac k in g   p er f o r m an ce   co m p ar e d   to   th e  PID - PS O.             Fig u r e  3 .   Step   r esp o n s e:  (a )  3 D  m o tio n   an d   ( b )   x ,   y ,   z  p o s itio n s   v er s u s   tim e       T ab le  3   c o m p a r es  th e  p e r f o r m an ce   o f   th e  q u ad r o to r   s y s tem   u n d er   PID   co n t r o ller s   o p tim iz ed   b y   PS O   an d   FP A  alg o r ith m s .   B o th   m eth o d s   ac h iev e  a  ze r o   s tead y - s tate  er r o r ,   in d icatin g   ac cu r at e  tr ac k in g   in   s tead y   s tate.   Ho wev er ,   clea r   d if f e r en ce s   ap p ea r   in   th e   tr an s ien t r es p o n s e.   Fo r   th e   x - a x is ,   th e   PID - FP A  co n tr o ller   ac h iev es  a   f aster   s ettlin g   tim e  c o m p ar e d   with   PI D - PS O  an d   s ig n if ican tly   r ed u ce s   th e  o v e r s h o o t  f r o m   4 3 %  to   2 . 3 %.  A lo n g   th e   y - a x is ,   b o t h   co n tr o ll er s   ex h ib it  s im ilar   s ettlin g   tim es,  b u t  th e  FP A - b ased   co n tr o ller   p r o v id es  a   m u ch   s m aller   o v er s h o t .   Fo r   th e  z - a x is ,   th e   im p r o v em e n t  is   th e  m o s t  r e m ar k ab le,   with   th e  s ettlin g   ti m e  r ed u ce d   f r o m   3 . 6   to   1   s   an d   t h e  o v er s h o o t  co m p letely   elim in ated .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 2 9 - 5 4 3   536   T ab le  3 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n   o f   PID   co n tr o ller s   tu n e d   v ia  PS O  an d   FP A  o p tim izatio n   A x e   C o n t r o l l e r   S e t t l i n g   T i me   ( s)   O v e r sh o o t   ( %)   P o si t i o n   “ x ”   P I D - PSO   2 . 2   43   P I D - FPA   1 . 1   2 . 3   P o si t i o n   “ y ”   P I D - PSO   1 . 8   3 3 . 3   P I D - FPA   2   2 . 2   A l t i t u d e   “ z ”   P I D - PSO   3 . 6   2 8 . 6   P I D - FPA   1   0       4 . 2 .     Seco nd   s ce na rio :   Circ ula r  t ra j ec t o ry   I n   th is   ca s e,   a  cir cu lar   tr ajec to r y   with   a  r a d iu s   o f   1   m   an d   alt itu d e  o f   1   m   is   co n s id er e d :     { = 1  0 . 5   = 1  0 . 5   = 1     ( 1 1 )     Fig u r e  4   p r esen ts   th e  q u ad r o to r   p er f o r m a n ce   wh e n   tr ac k in g   a  ci r cu lar   t r ajec to r y .   Alth o u g h   b o t h   PID - FP A  an d   PID - PS O  ap p r o ac h es  ev en tu all y   co n v er g e   t o   th e  d esire d   tr ajec to r y   in   s tead y   s tate,   th e  PID - FP A  d em o n s tr ates  s u p er io r   s tab ilit y   an d   ac cu r ac y   d u r in g   th e  in itial  tr ac k in g   p h ase.   I n   co n tr ast,  th e  PID - PS O   in   Fig u r e  4 ( a)   s h o ws  less   p r ec is e  co n v er g e n ce   at  th e   s tar t.  T h ese  d if f e r en ce s   ar e  m o r e   ev id en t  in   th e  3 D   tr ajec to r y   p lo t,  s h o w n   in   Fig u r e  4 ( b )   wh er e   th e  PID - FP A  m ain tain s   a  s m o o th er   an d   clo s er   p ath   to   th e  r ef er en ce   cir cle  c o m p a r ed   to   t h e  PID - PS O.             Fig u r e  4 .   C ir cu lar   tr ajec to r y   tr ac k in g :  ( a)   3 D  m o tio n   an d   ( b )   x ,   y ,   z  p o s itio n s   v er s u s   tim e       4 . 3 .     T hird s ce na rio :   L em nis ca t e  ( ∞)  t r a j ec t o r y   T o   f u r t h er   ev al u ate  p er f o r m an ce ,   a  lem n is ca te  tr ajec to r y   wit h   a  r ad iu s   o f   1   m   an d   altitu d e  o f   1   m   is   ap p lied   as a   d esire d   tr ajec to r y :     {     = 1  0 . 25 1 +  2 ( 0 . 25 )       = 1  ( 0 . 25 )  ( 0 . 25 ) 1 +  2 ( 0 . 25 )   = 1     ( 1 2 )     Fig u r e  5   s h o ws  th e  q u a d r o t o r   tr ac k in g   p e r f o r m an ce   f o r   a  l em n is ca te  ( ∞ - s h ap ed )   tr ajec to r y   o f   1   m   r ad iu s   at  1   m   altitu d e.   T h is   tr a jecto r y   is   m o r e  co m p lex   an d   r eq u ir es  h ig h er   t r ac k in g   ac c u r a cy   co m p ar e d   to   th e   cir cu lar   p ath .   T h e   r esu lts   h ig h lig h t  th at   th e  PID - FP A  p r o v i d es  s m o o th er   an d   m o r e  s tab le   tr ac k in g   alo n g   th e  en tire   tr ajec to r y ,   m ain tain in g   clo s er   ad h er en ce   to   th e  d esire d   p ath ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   5 ( a) .   I n   c o n tr ast,  th e   PID - PS O  ex h ib its   n o ticea b l e  d ev iatio n s ,   p ar ticu la r ly   i n   th e  c u r v e d   s ec tio n s ,   co n f i r m in g   th e   s u p e r io r   r o b u s tn ess   an d   p r ec is io n   o f   th e  PID - FP A  in   h an d lin g   c o m p l ex   m an eu v er s   as sh o wn   in   Fig u r e  5 ( b ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2722 - 2 5 8 6         P r ec is io n   en h a n ce men t in   d r o n e  p o s itio n   c o n tr o l b a s ed   o n   o p timiz ed   P I D   … ( I ma m  B a r ke t G h ilo u b i )   537         Fig u r e  5 .   L e m n is ca te   tr ajec to r y   tr ac k in g :  ( a)   3 D  m o tio n   a n d   ( b )   x ,   y ,   z  p o s itio n s   v er s u s   tim e       4 . 4 .   Q ua ntit a t iv e  c o m pa riso n o f   t ra j ec t o ry   t ra c k ing   perf o rm a nce   I n   o r d e r   to   p r o v id e  a n   o b jecti v e  an d   q u an titativ e  ev alu atio n   o f   th e  tr ajec to r y   tr ac k in g   p er f o r m an ce ,   ad d itio n al  er r o r - b ased   m etr ics   ar e  co n s id er ed   to   co m p lem e n t  th e  tim e - d o m ain   r esp o n s es  an d   q u alitativ e  p lo ts   p r esen ted   in   th e  p r ev io u s   s u b s ec tio n s .   T h ese  m etr ics  allo w  a  d ir ec t   co m p a r is o n   b etwe e n   th e  PS O - o p tim ized   PID   an d   th e  FP A - o p tim ized   P I D  co n tr o ller s   u n d er   i d en tical  s im u latio n   co n d itio n s .   L et  th e  p o s itio n   tr ac k i n g   er r o r   v ec to r   b e  d ef in e d   as:     [ ] = [ ( ) − ( ) ( ) − ( ) ( ) − ( ) ]   ( 1 3 )     wh er e  ( , , )   an d   ( , , )   d en o te  th e  d esire d   an d   ac tu al  q u ad r o to r   p o s itio n s ,   r esp ec tiv ely .   T h e  f o llo win g   q u a n titativ e  p er f o r m an ce   in d ices a r e  em p lo y e d   to   ev alu ate  t h e  3 D  tr ajec to r y   tr ac k in g   ( , , )   p er f o r m an ce   o f   th e  p r o p o s ed   co n tr o ller .   −   R o o t  m ea n   s q u ar e  e r r o r   ( R MSE ) :       = √ 1 ∫ ( ) 2  0   ( 1 4 )     wh ich   m ea s u r es  t h e  o v er all  t r ac k in g   ac cu r ac y   o v er   th e   en tire   tr ajec to r y   an d   is   s en s itiv e  to   lar g e  t r an s ien t   er r o r s .   −   Me an   ab s o lu te  er r o r   ( MA E ) :     = 1 ∫ | ( ) |  0   ( 1 5 )     wh ich   p r o v id es a n   av er ag e  m e asu r e  o f   th e  a b s o lu te  tr ac k in g   er r o r   o v er   t h e  f u ll si m u latio n   h o r izo n .   −   I n teg r al  o f   ab s o lu te  er r o r   ( I AE ) :     = ∫ | ( ) |  0   ( 1 6 )     wh ich   q u an tifie s   th e  c u m u lati v e  tr ac k in g   er r o r   an d   r ef lects th e  o v er all  d ev iatio n   f r o m   t h e  r ef er en ce   tr ajec to r y .   −   I n teg r al  o f   tim e - weig h ted   ab s o lu te  er r o r   ( I T AE ) :     = ∫ | ( ) |  0   ( 1 7 )     wh ich   p e n alize s   p er s is ten t  tr a ck in g   e r r o r s   o cc u r r in g   at  later   tim e  in s tan ts   an d   is   co n s is ten t  with   th e   o b jectiv e   f u n ctio n   u s ed   d u r in g   t h e  PID   tu n in g   p r o ce s s .   wh er e :  ( ) = √ 2 + 2 + 2   d en o tes  t h e  E u cli d e an   n o r m   o f   th e  3 D  p o s itio n   tr ac k in g   er r o r ,   an d     r ep r esen ts   th e  to tal  s im u latio n   tim e  with   ∈ [ 0 , ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 7 2 2 - 2 5 8 6   I AE S  I n t  J   R o b   &   A u to m ,  Vo l .   1 5 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 2 6 :   5 2 9 - 5 4 3   538   All  m etr ics  ar e  co m p u ted   f o r   ea ch   tr ajec to r y   s ce n ar i o   an d   s u m m ar ized   in   T ab le  4 .   T h e  ta b le  p r esen ts   th e  q u a n titativ e  tr ac k in g   p er f o r m an ce   m etr ics  o b tain e d   f o r   th e  cir c u lar   a n d   lem n is ca te  tr ajec to r ies  u s in g   th e   PID   co n tr o ller s   t u n ed   v ia  FP A  an d   PS O.   Fo r   b o th   t r ajec to r ies,  th e  PID - FP A  co n tr o ller   c o n s is ten tly   ac h iev es  lo wer   R MSE   an d   MA E   v alu es  co m p ar ed   to   PID - PS O,   in d icatin g   im p r o v e d   o v er all  tr a ck in g   ac c u r ac y   an d   r ed u ce d   av e r ag e  er r o r   m ag n it u d e.   I n   p ar tic u lar ,   f o r   th e  lem n is ca te  tr ajec to r y ,   PID - FP A  e x h ib its   a  n o ticea b le  r ed u ctio n   in   R MSE   ( 0 . 1 3 7 2 0 4   v s   0 . 1 4 7 1 3 6 )   an d   MA E   ( 0 . 0 3 2 7 9 4   v s   0 . 0 4 3 1 1 6 ) ,   h ig h lig h tin g   its   s u p er io r   ab ilit y   to   h an d le  m o r e  co m p le x   an d   h ig h l y   n o n lin ea r   r ef er e n ce   p ath s .   Fu r t h er m o r e,   th e  i n teg r al  p er f o r m an ce   in d ices  ( I AE   an d   I T AE )   r ep o r ted   in   T a b le   4   c o n f ir m   th e  a d v an tag e  o f   t h e  FP A - b ased   t u n in g   s tr ateg y .   T h e  PID - FP A  co n tr o ller   y ield s   l o wer   I AE   v al u es  f o r   b o th   cir c u lar   an d   lem n is ca te  tr ajec to r ies ,   r ef lectin g   r ed u ce d   cu m u lativ e  tr ac k in g   er r o r   o v er   th e  f u ll  s im u latio n   h o r izo n .   Mo r e  im p o r tan tly ,   th e  I T AE   m etr ic,   wh ich   p en alize s   p er s is ten t  er r o r s   a t  later   tim e  in s tan ts   an d   is   co n s is ten t  with   th e   o p tim i za tio n   o b jectiv e,   is   s ig n if ican tly   s m aller   f o r   PID - FP A,   p ar ticu lar ly   in   th e  lem n is ca te  ca s e  ( 5 . 3 6 3 8 4 7   v s   6 . 1 8 3 6 8 3 ) .   T h is   in d icate s   f aster   er r o r   atten u atio n   a n d   im p r o v e d   s tead y - s tate  tr ac k in g   p er f o r m a n ce .   Ov er all,   t h e  r esu l ts   d em o n s tr ate  th at  th e  FP A - b ased   PID   co n tr o ller   p r o v id es  m o r e  ac cu r ate  an d   ef f icien t  3 D  tr ajec to r y   tr ac k in g   t h an   its   PS O - b ased   co u n ter p a r t,  esp ec ially   f o r   tr aj ec to r ies  with   h ig h e r   cu r v atu r e   an d   d y n am ic  co m p lex ity .   Ov er all,   th e  PID - FP A  co n tr o ller   ac h iev es  f aster   co n v er g en ce ,   s m o o th er   r esp o n s es,  an d   im p r o v e d   d am p i n g   ch ar a cter is tics   co m p ar ed   to   PID - PS O,   wh ich   is   co n s is ten t  with   th e  s u p er io r   q u an tit ativ e  tr ac k in g   m etr ics  an d   co n f ir m s   th e  h ig h er   ef f icien cy   o f   th e  f l o wer   p o llin atio n   alg o r ith m   f o r   PID   g ain   o p tim izatio n .       T ab le  4 .   Qu a n titativ e  tr ac k in g   p er f o r m an ce   m etr ics   M e t h o d   Tr a j e c t o r y   R M S E   M A E   I A E   I TA E   P I D - FPA   C i r c u l a r   0 . 1 4 3 8 6 5   0 . 0 5 0 9 8 3   1 . 5 2 2 9 3 4   1 2 . 7 0 0 3 4 4   Le mn i sc a t e   0 . 1 3 7 2 0 4   0 . 0 3 2 7 9 4   0 . 9 7 7 1 5 4   5 . 3 6 3 8 4 7   P I D - PSO   C i r c u l a r   0 . 1 4 9 2 9 4   0 . 0 5 8 1 7 2   1 . 7 3 8 6 5 3   1 2 . 9 3 7 6 5 1   Le mn i sc a t e   0 . 1 4 7 1 3 6   0 . 0 4 3 1 1 6   1 . 2 8 6 9 0 9   6 . 1 8 3 6 8 3       Fro m   a  co m p u tatio n al  p er s p e ctiv e,   b o th   PS O  an d   FP A  b elo n g   to   p o p u latio n - b ased   m et ah eu r is tic   o p tim izatio n   alg o r it h m s .   PS O  u p d ates  p ar ticle  v elo cities  an d   p o s itio n s   u s in g   lo ca l  an d   g l o b al  b est  s o lu tio n s ,   wh ile  FP A  r elies  o n   g lo b al  p o llin atio n   b ased   o n   L év y   f lig h ts   an d   lo ca l   p o llin atio n   m ec h an is m s .   Alth o u g h   b o th   al g o r ith m s   h av e   co m p a r ab le  co m p u tatio n al   co m p lex ity   d ep e n d in g   o n   p o p u latio n   s ize  an d   iter atio n   n u m b er ,   FP A  o f ten   r eq u ir es  f ewe r   iter atio n s   to   co n v er g e  to war d   h ig h - q u ality   s o lu tio n s   d u e  to   its   b alan ce   b etwe en   g lo b al  e x p lo r atio n   an d   lo ca l e x p l o itatio n .     4 . 5 .     Ro bu s t nes s   t est  un der  wind   di s t urba nce s   A  win d   p r o f ile  is   i n tr o d u ce d   as  an   ex ter n al  d is tu r b an ce   t o   ass ess   th e  r o b u s tn ess   o f   th e   q u a d r o to r   co n tr o l  s y s tem .   I n   ac c o r d an ce   with   th e  r esu lts   o f   th e  p r ev io u s   s u b s ec tio n ,   wh er e  t h e  FP A - tu n ed   PID   co n tr o ller   was  s elec ted   d u e  to   its   s u p er io r   p er f o r m an ce   co m p ar ed   to   th e  PS O - b ased   ap p r o ac h ,   th e  r o b u s tn ess   an aly s is   is   co n d u cte d   u s in g   t h e  FP A - PID   co n tr o ller .   T h e  o b jectiv e  is   to   ev alu ate   its   ca p ab ilit y   to   m ain tain   ac cu r ate  tr ajec to r y   tr ac k in g   u n d er   en v i r o n m e n tal  p er tu r b atio n s .   T h e  win d   v el o city   co m p o n e n ts   alo n g   th e  h o r izo n tal  ax es a r e   d ef in ed   as:     { ( )   =   [ 1   +    ( 0 . 7 )   +   0 . 5  ( 0 . 5 ) ]   + ( )   ( )   =   [ 1   +   1 . 2  ( 0 . 7   +   / 3 ) ]   +   ( )   ( 1 8 )     T h e  tu r b u len t c o m p o n e n ts   ev o lv e  ac co r d in g   to   th e   f o llo win g   s to ch asti c  d if f er en ce   eq u atio n s :     { ( ) = ( −  ) + √ 1   −   ² ( )   ,   = −  ( ) = ( −  ) + √ 1   −   ² ( )   ,   = −    ( 1 9 )     T h e  ef f ec t  o f   win d   o n   t h e  q u a d r o to r   is   th en   m o d eled   t h r o u g h   ae r o d y n am ic  d r ag   f o r ce s   ac tin g   alo n g   ea c h   ax is ,   ex p r ess ed   u s in g   th e  class ical  q u ad r atic  d r a g   f o r m u latio n :     { = 1 2 2 = 1 2 2            ( 2 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.