Modeling and system identification of a multirotor UAV using simulation data

Ηλιοπούλου, Αντουανέττα; Iliopoulou, Antouanetta

dc.contributor.author	Ηλιοπούλου, Αντουανέττα	el
dc.contributor.author	Iliopoulou, Antouanetta	en
dc.date.accessioned	2022-06-24T10:51:03Z
dc.date.available	2022-06-24T10:51:03Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55337
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23035
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	UAV	en
dc.subject	Octorotor	en
dc.subject	Quadrotor	en
dc.subject	System identification	en
dc.subject	Multirotor model	en
dc.subject	Οκτακόπτερο	el
dc.subject	Τετρακόπτερο	el
dc.subject	Αναγνώριση συστήματος	el
dc.subject	Μη επανδρωμένο ενάριο όχημα	el
dc.subject	Μοντελοποίηση εναέριου οχήματος	el
dc.title	Modeling and system identification of a multirotor UAV using simulation data	en
dc.title	Μοντελοποίηση και Αναγνώριση Συστήματος μη επανδρωμένου εναέριου οχήματος πολλαπλών ελίκων με χρήση δεδομένων προσομοίωσης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Mechanical engineering	en
heal.classification	Automatic control	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-03
heal.abstract	Multirotor aerial vehicles have drawn a lot of attention in the recent years and their development has met great growth. The tasks that they are desired to complete are getting more and more complicated alongside, and the development of precise controllers is demanded. The design of such controllers requires accurate dynamic models with determined parameter values. This diploma thesis is concerned with the modeling of a multirotor UAV and the estimation of the model parameters using System Identification methods. A detailed model is derived, that can describe the kinematic and dynamic behaviour of a multirotor vehicle, regardless of the number of rotors or their arrangement. Two specific types of platforms, an octorotor in X-configuration and a quadrotor in X-configuration, are then examined in more detail, and their simulation environments are presented. The linear least squares method is used for the identification of the parameters appearing in their models. Initially, the octorotor system is identified, using data collected from a simple MATLAB model, where no controller is implemented. The results are satisfactory, since all parameters are precisely estimated. Following, an attempt to identify the parameters of the ROS model of a quadrotor is made. The process here is more challenging, since an autopilot system interferes with the openloop model, limiting the commands' capabilities, and the collection of data is affected by the simulated sensors' qualities. Sinusoidal signals of varying frequencies and amplitudes are designed and sent to the autopilot, in order to obtain frequency rich data from the simulated flights and estimate the parameters. A validation method is also specified as a way to test the accuracy of the estimated parameters. An acceptable estimation of most of the parameters is achieved, although some of the values may be suitable only for specific operating areas. Overall, the results are promising and provide a good first description of the model. However, there is certainly room for improvement, regarding the procedure and the techniques, aiming for an ever more accurate estimation of the parameters.	en
heal.abstract	Τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAVs) έχουν προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια και μεγάλη εξέλιξη έχει σημειωθεί γύρω από τη μελέτη και κατασκευή τους. Ταυτόχρονα, οι αποστολές που καλούνται να φέρουν εις πέρας γίνονται όλο και πιο περίπλοκες και η ενσωμάτωση ελεγκτών μεγαλύτερης ακρίβειας κρίνεται απαραίτητη. Ο σχεδιασμός τέτοιων ελεγκτών απαιτεί την γνώση των δυναμικών μοντέλων και των ακριβών τιμών των παραμέτρων τους. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μοντελοποίηση ενός UAV πολλαπλών ελίκων και την εκτίμηση των παραμέτρων του μοντέλου με τη χρήση μεθόδων αναγνώρισης συστήματος. Παρουσιάζεται, αρχικά, ένα λεπτομερές μοντέλο, το οποίο μπορεί να περιγράψει την κινηματική και δυναμική συμπεριφορά ενός οχήματος πολλαπλών ελίκων, ανεξάρτητα από τον αριθμό ή τη διάταξή τους. Στη συνέχεια, εξετάζονται λεπτομερέστερα δύο συγκεκριμένοι τύποι εναέριων οχημάτων, ένα οκτακόπτερο σε διάταξη Χ και ένα τετρακόπτερο σε διάταξη Χ, και παρουσιάζονται τα περιβάλλοντα προσομοίωσής τους. Η μέθοδος των γραμμικών ελαχίστων τετραγώνων χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των παραμέτρων που εμφανίζονται στα μοντέλα των διαφορικών εξισώσεων. Αρχικά, γίνεται αναγνώριση του συστήματος του οκτακοπτέρου, χρησιμοποιώντας δεδομένα που συλλέχθηκαν από ένα απλό μοντέλο υλοποιημένο στην MATLAB, χωρίς την χρήση ελεγκτή. Τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά, καθώς όλες οι παράμετροι εκτιμώνται με ακρίβεια. Στη συνέχεια, γίνεται προσπάθεια αναγνώρισης των παραμέτρων του μοντέλου ενός τετρακοπτέρου, όπως αυτό έχει υλοποιηθεί με χρήση του ROS. Η διαδικασία σε αυτή την περίπτωση είναι πιο απαιτητική, καθώς ένα σύστημα αυτόματου πιλότου παρεμβαίνει στο μοντέλο ανοικτού βρόχου, περιορίζοντας τις δυνατότητες των εντολών, και επιπλέον, η συλλογή δεδομένων επηρεάζεται από τις ιδιότητες των προσομοιωμένων αισθητήρων. Ημιτονοειδή σήματα διαφορετικού πλάτους και συχνοτήτων σχεδιάζονται και στέλνονται στον αυτόματο πιλότο, προκειμένου να ληφθούν δεδομένα ποικίλων συχνοτήτων από τις προσομοιωμένες πτήσεις και να εκτιμηθούν οι παράμετροι. Ορίζεται επίσης μια μέθοδος επαλήθευσης και ελέγχου της ακρίβειας των εκτιμώμενων παραμέτρων. Μια καλή εκτίμηση των περισσότερων παραμέτρων πράγματι επιτυγχάνεται, αν και ορισμένες από τις τιμές φαίνεται να αντιστοιχούν σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας. Συνολικά, τα αποτελέσματα είναι αισιόδοξα και παρέχουν μια καλή πρώτη περιγραφή του μοντέλου. Ωστόσο, υπάρχουν σίγουρα περιθώρια βελτίωσης, όσον αφορά τη διαδικασία και τις τεχνικές που ακολουθήθηκαν, και μια ακόμη πιο ακριβής εκτίμηση των παραμέτρων μπορεί να τεθεί ως νέος στόχος.	el
heal.advisorName	Kyriakopoulos, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Provatidis, Christopher	en
heal.committeeMemberName	Antoniadis, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Papadopoulos, Evangelos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	77 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false