Autonóm kvadrokopter trajektória követő szabályozási módszerei

OData támogatás
Konzulens:
Dr. Stumpf Péter Pál
Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

A szakdolgozat egy autonóm quadcopter trajektória követő szabályzásának tervezését mutatja

be. A motiváció a quadcopter használata ipari környezetben, ahol a repülési feladatok

megbízható, gyors és pontos kivitelezése elengedhetetlen. A cél ebből kifolyólag egy olyan

szabályzó architektúra tervezése, ami kielégíti ezen szigorú követelményeket. A control

architektúra magába foglalja a trajektória tervező és a control software-t is.

Kétféle trajektória tervező algoritmus kerül bemutatásra, melyek a 3D térben előre megadott

pontokra illesztenek pályát. Az elkészült trajektóriáknak teljesíthetőeknek kell lenniük a

quadcopter által, ennek feltételeit a quadcopter dinamikája valamint a rotor és motor

tulajdonságai határozzák meg.

Az első trajektória tervező megoldás egy harmadfokú spline-t illeszt a meghatározott pontokra.

A quadcopter a pálya elején felgyorsul egy konstans sebességre, amivel biztonságosan

kivitelezhető a teljes repülés. Az utolsó pont előtt pedig lelassul nulla sebességre és

egy helyben lebeg. A sebességprofil úgy kerül megtervezésre, hogy a pálya teljesítési ideje

a lehető legrövidebb legyen miközben az aktuátor és a rendszer által felállított korlátok

nem sérülnek.

A második megoldás egyenes vonalakkal köti össze a meghatározott pontokat a térben.

A trajektória kellő simaságát és így teljesíthetőségét a megfelelően választott sebességprofillal

lehet elérni. A sebességprofil megtervezésénél ebben az esetben a szempont az előbb

említetteken kívül, hogy a pálya egy előre meghatározott idő alatt legyen teljesítve.

Ebben a dokumentumban háromféle szabályzó van bemutatva, amelyek működését és

teljesítményét numerikus szimulációval elemeztem a quadcopter nagy részletességű modelljén.

A három szabályozót a következőképpen lehet röviden jellemezni:

Több lépéses input/output linearizáció: Ez a módszer egy két szintű szabályzási

stratégiát mutat be amelynek alapja egy több lépéses linearizálás és az így kapott

rendszerre alkalmazott két szintű LQR típusú szabályzó. A módszer Hernandez 2015-ben megjelent cikkén alapul.

Jacobi linearizálás és LQG szabályzás: A quadcopter egy trim-pont körüli linearizált

modelljére LQG szabályzó alkalmazható. Az így kapott szabályzó tovább fejleszthető

a trajektória követő képesség elérése érdekében.

Feedback linearizáció: A bemeneti változók megfelelő megváltoztatásával elérhető egy

rendszer amit feedback linearizálni lehet. Az ilyenképpen linearizált rendszerre LQR

szabályzót lehet alkalmazni, így elérve a kívánt trajektória követő képességet.

A szabályzók teljesítményét numerikus szimulációval elemeztem a MATLAB-Simulink

környezetben. Ezekben a szimulációkban a szabályzókat teszteltem a korábban említett

trajektória változatokon, különböző sebességekkel is. Ezen kívül a szabályzók robusztussági

tulajdonságait vizsgáltam megváltoztatott tömegű és inerciájú quadcopter modelleken.

A 3D vizualizációt V-REP illetve MATLAB-figure segítségével oldottam meg.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.