QUADROTOR - od pomysłu do realizacji

pol Artykuł w języku polskim DOI:

Paweł Tomasik, Marcin Okarma, wyślij Dariusz Marchewka Studenckie Koło Naukowe INTEGRA, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza

Pobierz Artykuł

Streszczenie

Tematem artykułu jest realizacja projektu bezzałogowego czterośmigłowca. Konstrukcja pojazdu oparta jest na aluminiowym szkielecie w kształcie krzyża, z elektroniką umieszczoną w jego środku. Cztery trójfazowe silniki elektryczne i zamocowane na nich śmigła o stałym kącie natarcia są jedynymi ruchomymi częściami pojazdu. Zasilanie zapewnia akumulator litowo-polimerowy. Prosta konstrukcja mechaniczna, zwrotność i niewielkie gabaryty sprawiają, że roboty tego typu świetnie nadają się do inspekcji trudno dostępnych miejsc, przez co cieszą się zainteresowaniem nie tylko wśród modelarzy. Zasadniczym problemem przy projektowaniu tego typu urządzeń jest stabilizacja położenia i orientacji w powietrzu. Temu zagadnieniu w dużej mierze poświęcony jest niniejszy artykuł. Stworzony model matematyczny czterośmigłowca, po zaimplementowaniu w środowisku MATLAB Simulink, umożliwiał symulowanie zachowania rzeczywistego obiektu. Aby wyniki tych symulacji były użyteczne, przeprowadzono identyfikację parametrów urządzenia. W wyniku szeregu eksperymentów zmierzono m.in. momenty bezwładności całej konstrukcji i śmigieł oraz wyznaczono charakterystyki statyczne i dynamiczne silników. Następnym krokiem było dobranie regulatora, który sprostałby zadaniu stabilizacji lotu omawianej konstrukcji. Analizie poddano regulator PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) oraz LQ (liniowo-kwadratowy). Artykuł porusza również zagadnienie filtrowania odczytów z czujników inercyjnych, przy użyciu filtrów Czebyszewa i Kalmana. Na potrzeby projektu stworzono aplikację kontrolną umożliwiającą m.in. akwizycję danych z czterośmigłowca, symulację z wykorzystaniem modelu matematycznego oraz testowanie nastaw regulatorów. Projekt finansowany jest z grantu rektorskiego w Katedrze Automatyki Wydziału EAIiE Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Słowa kluczowe

czterośmigłowiec, filtr Kalmana, LQ, pid, quadrocopter, quadrotor, stabilizacja

QUADROTOR - from idea to its realization

Abstract

Article is dedicated to realization of project of unmanned quadrotor. Construction consists of two crossing aluminium rods with electronic boards in the centre. Four 3-phase motors and propellers with constant angle of attack are the only movable parts of whole construction. Power is provided by Li-Pol battery. Simple mechanical construction, agility and small size make quadrotors greatly adjusted to inspection tasks. As a result of that, they become point of interests not only for modellers. Major problem which had to be solved was issue of keeping quadrotor's position and attitude in the air. This is the main issue of following article as well. The mathematical model was designed and implemented in MATLAB Simulink environment. Hence it was possible to simulate the behaviour of real object. To make results of those simulations reliable, an identification process was performed. Several experiments were carried out in order to identify moments of inertia (for entire construction and propelers). Static and dynamic characteristics of motors were determined as well. The next step was to choose controller able to stabilize flight of the quadrotor. Two sorts of algorithms were put into analysis: PID (proportional-integral-derivative), and LQ (linear-quadratic). The article concerns issue of filtering data derived from inertial sensors. Chebyshev and Kalman filters are briefly described. For this project sake, a control application was created. Its functionality includes data acquisition, simulation with mathematical model usage and testing controller presets. Project is founded by rectorial grand and realized on faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics at AGH University of Science and Technology.

Keywords

Kalman filter, LQ, pid, quadrocopter, quadrotor, stabilization

Bibliografia

  1. [www.aviastar.org/helicopters eng/bothezat.php] - De Bothezat helicopter - development history, photos, technical data.
  2. Mellinger D., Michael N., Kumar V.: Trajectory Generation and Control for Precise Aggressive Maneuvers with Quadrotors. Proceedings of the International Symposium on Experimental Robotics, GRASP Laboratory, University of Pennsylvania, Philadelphia, 2010.
  3. [www.idsc.ethz.ch/Research DAndrea/FMA] - Flying Machine Arena, ETH, Institute for Dynamic Systems and Control.
  4. Wierema M.: Design, implementation and flight test of indoor navigation and controlsystem for a quadrotor UAV, 2008.
  5. Mitkowski W.: Stabilizacja systemów dynamicznych, Kraków, AGH, 1984.
  6. Zieliński T.: Od teorii do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Kraków, AGH, 2002.
  7. Grega W.: Metody i algorytmy sterowania cyfrowego w układach scentralizowanych i rozproszonych. Kraków, AGH, 2004.