Návrh lineárního letového ovladače pro kvadrokoptéru s EDF motory

Abstract

Kontrola translačních pohybů u klasických kvadrokoptér s vrtulemi je dosažena „nakloněním“, nebo-li vychýlením celého prostředku z vodorovné roviny. Cílem této práce bylo navrhnout lineární řídící jednotku schopnou stabilizovat kvadrokoptéru s elektrickými kanálovými ventilátory ve vodorovné rovině při vznášivém letu na místě, při jednoduchých translačních pohybech po hlavních osách prostředku. Kvadrokoptéra, která je schopna udržet svou rovnovážnou polohu během translačních pohybu by mohla nalézt své využití při osazení sensory, či stroji, které vyžadují zachování vodorovné polohy. Pro účely návrhu PID kontroléru, kterým byla vodorovná poloha prostředku stabilizována, byl vytvořen nelineární dynamický matematický model kvadrokoptéry. Matematický model byl linearizován okolo návrhářského bodu pro snazší implementaci PID kontroléru. Vzhledem k charakteristice systému byla zavedena metoda alokace řízení. Ladění PID kontroléru bylo dosaženo několika metodami a výsledky z nich dosažené byly mezi sebou porovnány. Klíčovou veličinou pro posuzování výsledků byla kromě vodorovné stability prostředku při jednotlivých pohybech také přesnost jednotlivých pohybů. Letový ovládač byl verifikován pomocí teoretických simulací v numerické výpočetní platformě, za předpokladu, že všechny stavy prostředku byli známé. Sada PID kontrolérů byla schopna dosáhnout očekávaného cíle práce.

The control of translational movements in traditional quadcopters with propellers is achieved by "tilting", or deflecting the entire vehicle out of the horizontal plane. The objective of this work was to design a linear controller capable of stabilizing a quadcopter with electric ducted fans in the horizontal plane during hover in place and during simple translational motions along the main axes of the vehicle. A quadcopter that is capable of maintaining its equilibrium position during translational motions could find its use when fitted with sensors or machines that require maintaining equilibrium horizontal position. A nonlinear dynamic mathematical model of the quadcopter was developed to design a PID controller that stabilized the equilibrium position of the vehicle. The mathematical model was linearized around the design point to facilitate the implementation of the PID controller. Due to the characteristics of the system, a control allocation method was introduced. The tuning of the PID controller was achieved by several methods and the results obtained from them were compared with each other. In addition to the horizontal stability of the resource during the individual movements, the accuracy of the individual movements was also a key variable for the evaluation of the results. The flight controller was verified using theoretical simulations in a numerical computing platform, assuming that all states of the vehicle were known. The set of PID controllers was able to achieve the expected goal of the work.