Řízení bezpilotního letounu se zavěšeným břemenem

Abstract

Tato práce se zabývá návrhem, implementacı́ a ověřenı́m řı́dicı́ho systému pro bezpilotnı́ letecký prostředek (UAV) se zavěšeným břemenem. Dynamika systému byla důkladně analyzována a byl odvozen nelineárnı́ a lineárnı́ matematický model systému. Za účelem odhadu neměřených stavových proměnných, včetně polohy břemene, byl navržen Kalmanův filtr a následně začleněn do řidı́cı́ smyčky. Uzavřená řidı́cı́ smyčka je zajištěna kvadratickým prediktivnı́m regulátorem (QP-MPC). Dále byl formulován generátor trajektorie jakožto kvadratický optimálnı́ problém řı́zenı́ (QP-OCP) za účelem plánovánı́ trajektorie bez kmitánı́. Výsledný systém byl pečlivě ověřen v robotickém simulátoru Gazebo a prokázal svou schopnost účinně tlumit kmitánı́ nákladu, sledovat požadovanou trajektorii UAV a odolávat vnějšı́m poruchám.

This thesis deals with the design, implementation, and validation of a control system for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a suspended payload. The dynamics of the system were thoroughly investigated, and both nonlinear and linear mathematical models were derived. To estimate unmeasured state variables, including the position of the load, a Kalman filter was designed and incorporated into the control loop. The closed-loop control was achieved using a Quadratic Programming Model Predictive Control (QP-MPC). Additionally, a trajectory generator was formulated as a Quadratic Programming Optimal Control Problem (QP-OCP) to plan a sway-free trajectory. The resulting system was rigorously evaluated using the Gazebo robotic simulator, demonstrating its capability in effectively dampening load oscillations, tracking the UAV’s target trajectory, and rejecting external disturbances.