Παραμετρικός σχεδιασμός και βελτιστοποίηση εναέριων Ρομπότ Πολλών Στροφείων

Abstract

Ο σκοπός της εργασίας αυτής ήταν η ανάπτυξη ενός προγράμματος, το οποίο υπολογίζει το βέλτιστο συνδυασμό των συνιστωσών από τις οποίες αποτελείται ένα ιπτάμενο όχημα πολλών στροφείων (Multi rotor Aerial Vehicle - MRAV), για δεδομένο ωφέλιμο φορτίο και διάρκεια πτήσης. Θεωρώντας ότι οι συνιστώσες αυτές είναι ο ηλεκτροκινητήρας, ο ελεγκτής στροφών (ESC), η μπαταρία και η έλικα, έγινε αρχικά η μοντελοποίηση τους με χρήση απλοποιημένων μοντέλων. Τα επιμέρους μοντέλα των συνιστωσών συνδυάστηκαν σε ένα ενιαίο, το οποίο περιγράφει τις επιδόσεις του οχήματος στη φάση της αιώρησης και σε αυτήν της μέγιστης ώσης. Έπειτα, βάση τεχνικών χαρακτηριστικών της μπαταρίας, του ηλεκτροκινητήρα και των ESC διαθέσιμων στο εμπόριο, εκφράστηκαν μέσω κατάλληλων συναρτήσεων οι παράμετροι λειτουργίας των συνιστωσών αυτών συναρτήσει του μήκους τους. Το ίδιο έγινε και για τις έλικες, μόνο που εκεί χρησιμοποιήθηκαν διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις. Επίσης, αναπτύχθηκαν εξισώσεις που συσχετίζουν τις διαστάσεις του σκελετού του οχήματος συναρτήσει της διαμέτρου της έλικας, του αριθμού των κινητήρων και της μέγιστη ώσης. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα σε Matlab, όπου με τη χρήση της συνάρτησης ‘fmincon’ υπολογίζει το βέλτιστο διάνυσμα σχεδιασμού. Ως αντικειμενικές συναρτήσεις χρησιμοποιήσαμε την συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια και τη διάμετρο του οχήματος. Τέλος, με χρήση του προγράμματος είδαμε τη μεταβολή του διανύσματος σχεδιασμού συναρτήσει της μεταβολής του αριθμού των κινητήρων για δεδομένο ωφέλιμο φορτίο, συναρτήσει της μεταβολής του ωφέλιμου φορτίου για δεδομένο αριθμό κινητήρων, και συναρτήσει της μεταβολής του αριθμού των κινητήρων και του ωφέλιμου φορτίου. Επιπροσθέτως, συγκρίναμε τα αποτελέσματα του προγράμματος με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά και επιδόσεις πραγματικών MRAV.

The goal of this thesis was to develop a program to calculate the optimal components combination for a multi rotor Aerial Vehicle (MRAV), for a given payload and flight duration. Considering that the main components are the motor, electronic speed controller (ESC), battery and propeller, modeling was conducted for each component using simplified models. Combining each component model into one total model we were able to describe the whole system’s performance at hovering and at maximum thrust. Additionally, based on technical specifications of batteries, motors and ESC which are commercially available, we expressed component functional parameters as a function of component length. We did the same with propellers using available experimental measurements. Furthermore, we developed equations which correlate airframe dimensions as a function of propeller diameter, number of rotors and maximum thrust. We also developed a Matlab program which calculates the optimal design vector using Matlab’s ‘fmincon’ function. As objective functions, we considered the total energy consumption and the vehicle’s diameter. Finally, using the program, we were able to correlate the change in the design vector to the change in number of rotors for a given payload, to the change in payload for a given number of rotors, and to the change in number of rotors and in payload. Additionally, program results were compared with the functional parameters and performance of real MRAVs.