کوادروتور به‌عنوان یکی از پرکاربردترین سامانه‌های پروازی بدون سرنشین در سال‌های اخیر، به دلیل مانورپذیری بالا، ساختار ساده و توانایی پرواز در محیط‌های محدود، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده است. با این حال، چالش‌های متعددی از جمله پایداری در حضور اغتشاشات محیطی، اجتناب از برخورد با موانع و تحمل‌پذیری در برابر خطاهای عملگرها، همچنان مانع بهره‌برداری ایمن و پایدار از این سامانه در کاربردهای عملی می‌شود. هدف اصلی این پژوهش، ارائه چارچوبی یکپارچه برای مدل‌سازی، طراحی مسیر و کنترل تحمل‌پذیر خطا در کوادروتور است که بتواند در شرایط واقعی شامل وجود موانع و جریان باد درهم ، عملکرد مناسب و قابل اطمینانی داشته باشد.

در گام نخست، مدل‌سازی ریاضی کوادروتور بر اساس معادلات نیوتن- اویلر از منابع معتبر استخراج گردید. در این مدل، دینامیک انتقالی و دورانی در قالب یک سامانه شش درجه آزادی تدوین شد و اثرات نیروهای رانش موتورها، گرانش و اغتشاشات محیطی در آن لحاظ گردید. سپس، برای حل مسئله اجتناب از موانع، الگوریتمی مبتنی بر هندسه فضایی توسعه داده شد. در این الگوریتم، موانع به‌صورت کره‌ای مدل‌سازی شدند و با ترسیم خطوط مماس از نقاط شروع و هدف به سطح مانع، مسیرهای جایگزین ایمن محاسبه گردید. در نهایت، کوتاه‌ترین مسیر به عنوان مسیر بهینه انتخاب شد. این روش علاوه بر سادگی محاسباتی، توانست با حداقل انحراف از مسیر مستقیم، پرواز ایمن را تضمین نماید.

در ادامه، اثر جریان باد درهم با بهره‌گیری از مدل آماری درایدن شبیه‌سازی شد. نتایج نشان دادند که مؤلفه‌های باد در راستاهای طولی و عرضی بیشترین اثر را بر مسیر پروازی دارند و می‌توانند موجب انحراف قابل توجهی شوند. بنابراین، طراحی کنترل‌کننده‌ی مقاوم در برابر این اغتشاشات ضروری به نظر می‌رسد. برای این منظور، یک کنترل‌کننده مود لغزشی انتگرالی (ISMC)   طراحی گردید. این کنترل‌کننده با بهره‌گیری از سطح مود لغزش انتگرالی، علاوه بر کاهش نوسان ، خاصیت مقاومتی کنترل مود لغزشی را حفظ کرده و از طریق مکانیزم تطبیق، قادر به جبران خطاهای ناشی از تغییر راندمان یا خاموشی نسبی موتورها است.

برای ارزیابی عملکرد سامانه، شبیه‌سازی‌ها در دو حالت نرمال (بدون خطا) و بحرانی (با خطای همزمان موتورها) انجام شد. نتایج نشان دادند که در حالت بدون خطا، مسیر واقعی کوادروتور تطابق بسیار نزدیکی با مسیر مرجع داشت و پایداری پروازی به‌خوبی تضمین شد. در حالت با خطا، اگرچه انحراف‌ها و نوسانات بیشتری مشاهده گردید، اما کنترل‌کننده توانست خطا را در محدوده‌ای کوچک نگاه داشته و پایداری سامانه را حفظ نماید. تحلیل زاویه‌های اویلر، سرعت موتورها و ورودی‌های کنترلی نیز نشان داد که حتی در بدترین حالت خطای عملگرها، کنترل‌کننده با اعمال اصلاحات تطبیقی توانسته است پرنده را از خطر ناپایداری و سقوط محافظت کند.

به‌طور کلی، یافته‌های این پژوهش نشان دادند که ترکیب الگوریتم هندسه فضایی برای طراحی مسیر و کنترل‌کننده ISMC برای تحمل‌پذیری خطای عملگرها، چارچوبی ایمن، مقاوم و قابل‌اطمینان برای پرواز کوادروتور فراهم می‌سازد که این را به عنوان نوآوری مشخص این پزوهش می توانیم محسوب کنیم. این چارچوب نه تنها توانایی اجتناب از موانع و مقابله با اغتشاشات باد را دارد، بلکه حتی در شرایط بروز خطای همزمان موتورها نیز قادر است پایداری و ایمنی پرواز را تضمین نماید. نتایج به‌دست‌آمده می‌تواند به‌عنوان مبنای توسعه سامانه‌های هوشمند پروازی در کاربردهای حساس از جمله عملیات امداد و نجات، پایش محیطی و مأموریت‌های نظامی مورد استفاده قرار گیرد.