Δυναμική, έλεγχος και προδιαγραφές εναέριων ρομπότ πολλών στροφείων

Abstract

Η εργασία αυτή έχει ως σκοπό την παρουσίαση της δυναμικής, του ελέγχου και των απαιτήσεων σχεδιασμού εναέριων ρομπότ πολλών στροφείων με έμφαση σε αυτά καθέτου απογειώσεως και προσγειώσεως (Vertical Take Off and Landing- VTOL). Σαν παράδειγμα επιλέγεται μία διάταξη τεσσάρων στροφείων γνωστή ως quad-rotor χωρίς να παραβιάζεται η γενίκευση για περισσότερα στροφεία. Το δυναμικό μοντέλο που παρουσιάζεται αρχικά, αποτελείται από απλές εξισώσεις που είναι έγκυρες μόνο για τη φάση της αιώρησης, ενώ επεκτείνεται στη συνέχεια σε ένα πιο πολύπλοκο μαθηματικό μοντέλο το οποίο λαμβάνει υπόψη ρεαλιστικούς αεροδυναμικούς συντελεστές καθώς επίσης τα μοντέλα των αισθητήρων και των επενεργητών. Οι σημαντικότερες εκτιμήσεις κατάστασης που απαιτούνται για τον έλεγχο ενός quad-rotor είναι το ύψος (απόσταση από το έδαφος), η γωνιακή ταχύτητα, η γραμμική ταχύτητα και η θέση. Λαμβάνοντας υπόψη τη χρησιμότητα των αισθητήρων που απαιτεί ένα ιπτάμενο όχημα και τις μετρήσεις που μπορούν να ληφθούν από αυτούς παρουσιάζονται τα μοντέλα τους και αναλύεται η δυνατότητα εκτίμησης του προσανατολισμού του οχήματος, της μεταφορικής ταχύτητας και της θέσης του βάσει των μετρήσεων που μπορούν να ληφθούν από τους αισθητήρες αυτούς. Το πρόβλημα του ελέγχου ενός εναέριου ρομπότ πολλών στροφείων προσεγγίζεται παραθέτοντας τους νόμους ελέγχου βάσει του δυναμικού μοντέλου και των εξισώσεων κατάστασης που προκύπτουν από το δυναμικό μοντέλο. Παρουσιάζεται ο έλεγχος των κινητήρων του οχήματος, ο έλεγχος του προσανατολισμού του, ο έλεγχος και ο σχεδιασμός τροχιάς. Τέλος, παρουσιάζονται αναλυτικά οι απαιτούμενες προδιαγραφές για το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός ιπτάμενου οχήματος πολλών στροφείων. Παρουσιάζονται οι απαιτήσεις σε αισθητήρες, υπολογιστική ισχύ, κινητήρες, μπαταρίες και έλικες παραθέτοντας πίνακες με ενδεικτικά στοιχεία για το κάθε ένα από τα παραπάνω όπου φαίνονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και οι διαστάσεις τους.

This thesis aims to present the dynamics, control and design requirements of multi-rotor aerial robots with emphasis on those Vertical Take-Off and Landing (VTOL). A device with four rotors is selected as an example, known as quad-rotor, without violating the generalization to more rotors. The dynamic model presented initially consists of simple equations that are valid only for hovering phase, and then is extended to a more complex mathematical model that takes into account realistic aerodynamic coefficients as well as models of sensors and actuators. The most significant state estimates needed to control a quad-rotor are the altitude, the angular velocity, linear velocity and position. Sensor models are presented down considering their usefulness for a flying vehicle. We also discuss the ability of estimating the attitude of the vehicle, the conveyor speed and position on the basis of measurements can be taken from these sensors. The problem of control of a multi rotor aerial vehicle is approached demonstrating the control laws based on the dynamic model and state equations resulting from it. Vehi-cle’s motor control, attitude control, trajectory control and trajectory planning are presented. Finally, the mandatory design and construction specifications for a multi rotor aerial vehicle are presented. The demand in sensors, computing power, motors, batteries and propellers, are presented in tables, showing their technical specifications.