Quadrotor UAV: Design av styresystem og simulator

Abstract

I denne oppgaven er det utviklet et simuleringsprogram som gir en fremstilling av bevegelsen til et autonomt mini-helikopter, også populært kalt <>. Quadrotoren er utstyrt med fire rotorer i en symmetrisk konfigurasjon, hvor bevegelsen blir styrt ved å endre på hastigheten til de fire propellene. Dette medfører at ikke alle tilstandene kan styres direkte. Siden det er 9 lineært uavhengige tilstander og kun 4 kontrollinnganger, blir quadrotoren karakterisert som et underaktuert og ustabilt system. Det er vanskelig å styre den med tradisjonelle regulatorer. Av den grunn er det lagt vekt på ulineære reguleringsmetoder for å stabilisere systemet. Modellen som er utviklet for systemet og ytelsen til regulatoren er testet gjennom simuleringer ved bruk av numeriske integrasjonsalgoritmer. Regulatoren er testet på både en full modell og en approksimert, redusert modell. Simuleringsresultatene viser at quadrotorens tilstander blir regulert inn til ønskede verdier, både for den reduserte- og den fulle systemmodellen. Global asymptotisk stabilitet kan likevel ikke påvises analytisk for det tilbakekoplede systemet ved bruk av den fulle modellen. Selv om den fungerer fint med de parametrene som er brukt på systemet, viser simuleringen tegn til ustabilitet når det endres på parametrene. I grafikkdelen blir quadrotorsystemet fremstilt visuelt i 3 dimensjoner, og det blir vist hvordan den beveger seg langs en bane i rommet. Det blir også gitt et grafisk bilde av hvordan de tre Eulervinklene (<>, <>, <>) endrer seg etter hvert som quadrotoren beveger seg. De viktigste tilstandene som posisjon og orientering er altså vist ved bruk av grafikk. Animasjonen er basert på tidsstyrte oppdateringer av grafiske objekter. Simuleringsprogrammet er i tillegg utstyrt med et grafisk brukergrensesnitt, der et kontrollpanel gjør det mulig for brukeren å kommunisere med programmet. Grafikkdelen utgjør en integrert del av simulatoren, og totalt sett blir det et effektfullt, grafisk simuleringsprogram. Oppgaven er bygget opp av to deler. Det er jobbet parallelt med både den grafiske delen og selve simuleringen av quadrotorens GNC (Guidance, Navigation and Control). Siden den grafiske implementasjonen har vært tidkrevende, er det ikke gitt en fullstendig analytisk beskrivelse av regulatorens stabilitetsegenskaper utover det simuleringene viser. Hovedvekten av oppgaven er lagt på å utarbeide en god matematisk beskrivelse av quadrotorens dynamikk, samt å implementere grafikkdelen i Matlab. Det grafiske simuleringsprogrammet gir en god visuell fremstilling av en quadrotors viktigste tilstander. Programmet gir også en indikasjon på at modellen og den innebygde regulatoren er en god beskrivelse av det fysiske systemet. En analytisk vurdering av det tilbakekoplede systemet kan være en mulig videreføring av oppgaven.