Quadcopter Control System tervezése és modellezése L1 adaptív vezérléssel Akadémiai kutatási cikk az "Anyagtervezésről"

Az anyagmérnöki kutatási cikk kivonata, tudományos cikk szerzője - Kyaw Myat Thu, A.I. Gavrilov

Az absztrakt quadkopterek jelentős érdeklődést váltottak ki mind a vezérlő közösségben, mind bonyolult dinamikájuk és a kültéri alkalmazásokban rejlő sok lehetőség miatt, mivel előnyeik vannak a szokásos repülőgépekkel szemben. Ez a cikk bemutatja egy kvadrokopter tervezését és új vezérlési módszerét az L1 adaptív vezérlési tervezési folyamat segítségével, amelyben a vezérlő paramétereket szisztematikusan határozzák meg a tervező által beállított intuitívan kívánt teljesítmény és robusztussági mérőszámok alapján.

Az anyagmérnöki tudományos cikk hasonló témái, tudományos cikk szerzője - Kyaw Myat Thu, A.I. Gavrilov

Tudományos tanulmány a "Quadcopter Control System tervezése és modellezése L1 adaptív vezérléssel" témában

Elérhető online a www.sciencedirect.com címen

Procedía Computer Science 103 (2017) 528 - 535

XUth International Symposium «Intelligent Systems», INTELS'16, 2016. október 5-7., Moszkva,

Quadcopter vezérlőrendszer tervezése és modellezése az L1 alkalmazásával

A kvadrokopterek mind a vezérlő közösségben, mind a komplex dinamika, valamint a kültéri alkalmazásokban rejlő sok potenciál miatt jelentős érdeklődést váltottak ki, mivel előnyeik vannak a szokásos repülőgépekkel szemben. Ez a cikk bemutatja egy kvadrokopter tervezését és új vezérlési módszerét, az L1 adaptív vezérlési tervezési folyamatot felhasználva, amelyben a vezérlő paramétereket szisztematikusan határozzák meg a tervező által beállított intuitívan kívánt teljesítmény és robusztussági mérőszámok alapján.

Szakértői értékelés az "Intelligens rendszerek" XII. Nemzetközi Szimpózium tudományos bizottságának felelősségi körében Kulcsszavak: quadcopter; UAV; tervezés; modellezés; automatikus vezérlőrendszer; L1 adaptív vezérlés

A pilóta nélküli légi járművek (UAV) egyre inkább előtérbe kerülnek a különféle repülőgép-alkalmazásokban. Annak szükségessége, hogy ezeket a járműveket potenciálisan korlátozott körülmények között működtessék, és robosztussá tegyék a működtető meghibásodásaihoz és az üzemi variációkhoz, új érdeklődést váltott ki az adaptív vezérlési technikák iránt6. A modell-referencia adaptív vezérlést (MRAC) széles körben használták, de különösen érzékeny lehet az időbeli késésekre. Az MRAC szűrt változatát, az úgynevezett L1 adaptív vezérlést fejlesztették ki ezeknek a kérdéseknek a kezelésére és reálisabb adaptív megoldás kínálására1.

Az L1 adaptív vezérlés fő előnye más adaptív vezérlő algoritmusokkal, például az MRAC-mal szemben, hogy az L1 tisztán elválasztja a teljesítményt és a robusztusságot2. Aluláteresztő szűrő beépítése nemcsak a sávszélességre korlátozott vezérlőjelet garantálja, hanem önkényesen magas alkalmazkodási sebességet is lehetővé tesz, amelyet csak a rendelkezésre álló számítási

* Levelezési cím. E-mail cím: [email protected]

Szakértői értékelés az "Intelligens rendszerek" XII. Nemzetközi Szimpózium tudományos bizottságának felelősségével doi: 10.1016/j.procs.2017.01.046

Kyaw Myat Thua *, A.I. Gavrilova

a Bauman Moszkvai Állami Műszaki Egyetem, 5, 2-ya Baumanskaya ul., Moszkva105005, Oroszország

erőforrások. Ez az adaptív vezérlési problémát két nagyon reális korlátozásra paraméterezi: a működtető sávszélességére és a rendelkezésre álló számításra. Ebben a cikkben az L1 kimeneti visszacsatolási változatát vesszük figyelembe, amely a 3-ban van leírva. Ennek az egyetlen bemenetű, egyszeres kimenetű (SISO) megfogalmazásnak számos előnye van. Mindenekelőtt a belső rendszerállapotokat nem kell modellezni vagy mérni. Csak egy SISO bemeneti-kimeneti modellre van szükség, amely átfogja az egész zárt hurkú rendszert, és egyszerű rendszerazonosítási technikákkal megszerezhető. Így az adaptív vezérlő egy már stabil zárt hurkú rendszer köré lehet tekerni4, növelve a teljesítményt és a robusztusságot a növényi variációkkal szemben. Az idő-késleltetési margót is könnyű megjósolni standard lineáris rendszerelemzéssel, és ezt a margót kísérletileg megerősítették. Végül az L1 kimenet-visszacsatolás viszonylag könnyen megvalósítható a gyakorlatban, amint az a kísérleti szakaszokban is látható lesz5.

2. A quadcopter dinamikájának modellezése

A kvadrokopter egy alul működtetett repülőgép, rögzített szögű négy rotorral, az 1. ábrán látható módon. A jármű, például a kvadrokopter modellezése összetett szerkezete miatt nem könnyű feladat. A cél a lehető legreálisabban kifejleszteni a jármű modelljét.

Egy tipikus kvadrokopter négy rögzített szögű rotorral rendelkezik, és így a kvadrokopter négy bemeneti erővel rendelkezik, amelyek alapvetően az egyes légcsavarok által kifejtett tolóerőt jelentik, amint az 1. ábrán látható. A kvadrokopterek többségének kétféle konfigurációja lehetséges: . Egy X konfigurációjú kvadrokopter stabilabbnak tekinthető a + konfigurációhoz képest, ami egy akrobatikusabb konfiguráció. Az 1. és 3. légcsavar az óramutató járásával ellentétes irányban (CW), a 2. és 4. légcsavar az óramutató járásával ellentétes irányban (CCW) forog. Annak érdekében, hogy a quadcopter fenntartsa az előre (hátra) mozgást az első (hátsó) rotorok sebességének növelésével (csökkentésével), miközben a hátsó (első) rotor sebességének egyidejű csökkentésével (növelésével) jár, ami azt jelenti, hogy megváltoztatja a dőlésszöget. Erre a folyamatra szükség van az akció/reakció hatásának kompenzálására (harmadik Newton-törvény). Az 1. és 3. légcsavarok ellentétes magasságúak a 2. és a 4. ponthoz képest, ezért minden tolóerőnek ugyanaz az iránya7.

'+ "Konfiguráció" X "Konfiguráció

1. ábra. A quadrocopter konfigurációjának két fő típusa.

Két referenciarendszert kell definiálni referenciaként, ezek az inerciális referenciarendszerek (Earth frame - XE, YE, ZE) és a quadrotor referenciarendszerek (Body frame - XB, YB, ZB). A referenciarendszer kereteit a 2. ábra mutatja. A quadcopter dinamikája sokféle módon leírható, például kvaterner, Euler szög és iránymátrix. A helyzet stabilizálásának tervezésénél azonban szükség van a tengelyszögben történő referenciára, így a tervezett vezérlő stabil repülést tud elérni. A helyzetstabilizálás vezérlésében minden tengely összes szögreferenciájának megközelítőleg nulla kell lennie, különösen felszállás, leszállás vagy lebegés esetén. Biztosítja, hogy a quadcopter teste mindig vízszintes állapotban legyen, amikor rá külső erők hatnak8. A quadcopter tájolását három Euler-szög határozhatja meg: gördülési szög (O), dőlésszög (0) és ferde szög (9). A 2. ábrán ®j, ffl2, ffl3, ffl4 - a légcsavarok forgási sebessége (szögsebesség); Tp T2, T3, T4: a légcsavarok által generált erők; F ^ ®.2: a propeller alakja, a légsűrűség stb. Alapján; m: a kvadrokopter tömege; mg: a kvadrokopter súlya; (¡>, 9, y: roll, pitch and yaw angels.

A quadcopter helyzetét az x, y, z- tengelyek inerciális képkocka határozza meg. Az attitűdöt, vagyis a szöghelyzetet az inerciális keret három Euler r \ szöggel határozza meg. A 0-os szög meghatározza a kvadrokopter forgását az y tengely körül. A q> gördülési szög meghatározza az x tengely körüli elfordulást, az y ferde szög pedig a z tengely körül. A q vektor tartalmazza a lineáris és szögletes vektorokat,

2. ábra A kvadrokopter erői, nyomatékai és vonatkoztatási rendszerei.

A testreferencia (testkeret) eredete a quadcopter tömegközéppontjában található. A testkeretben a lineáris sebességeket JB, a szögsebességeket pedig a> határozza meg.

A test keretétől az inerciális keretig terjedő forgási mátrix

amelyben Sx = sin (x) és Cx = cos (x). Az R forgási mátrix merőleges, így R 1 = RT, amely az inerciakeret és a testkeret közötti forgásmátrix.

Háromféle szögsebesség létezik, amelyek a (cp, 0, if /) deriváltaként írhatók le az idő függvényében,

(f) = gördülési sebesség, 0 = raszter sebesség, y/= dőlési sebesség.

A quadcopter lebegő állapotát figyelembe véve 4 erőegyenlet, irány, momentum és forgási sebességegyenlet adódik. Ezeket a következők írják le,

Erők egyensúlya: ^ 4 = 1 Tt = - m g Irányegyensúly: Tl234 11 g Pillanategyensúly: ^ 4 = 1 M i = 0

A forgási sebesség egyensúlya: (^ + &> 3) - (^ 2 + co4) = 0, a következmény pedig: ^ = 0, 0 = 0, y/= 0 .

Az összes légcsavar forgási sebességének növelésével/csökkentésével a quadcopter fel és le tud repülni,