Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός ελεγκτή, ο οποίος δύναται να διατηρήσει τον έλεγχο ενός ιπτάμενου ελικοπτέρου τεσσάρων ελίκων γνωστό και ως quadrotor, σε περίπτωση δυσλειτουργίας κάποιου κινητήρα. Η μοντελοποίηση και η προσομοίωση γίνεται με τη βοήθεια του προγράμματος Μatlab/Simulink.
Αναλυτικότερα, στο κεφάλαιο 1, γίνεται μια σύντομη παρουσίαση του quadrotor, αναφέροντας τον τρόπο λειτουργίας του και τους σημαντικότερους σταθμούς της ιστορίας του μέχρι σήμερα. Στη συνέχεια, επισημαίνεται η αναγκαιότητα ενσωμάτωσης συστημάτων αυτομάτου ελέγχου σε συστήματα που επηρεάζουν άμεσα ή έμμεσα την ανθρώπινη ζωή καθώς και η σπουδαιότητα βελτίωσης αυτών, κάνοντάς τα ανεχτικά σε σφάλματα και δυσλειτουργίες.
Στο κεφάλαιο 2, μελετώνται οι εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση και τον προσανατολισμό του quadrotor. Έτσι δημιουργείται το μοντέλο του συστήματος, τόσο με σταθερό όσο και με μεταβλητό κέντρο μάζας, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στις προσομοιώσεις για την αξιολόγηση των ελεγκτών. Τονίζεται πως η αντίσταση του αέρα δεν θεωρείται πλέον αμελητέα καθώς επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τη κατάσταση του οχήματος.
Στο κεφάλαιο 3, δίνεται το θεωρητικό υπόβαθρο στο όποιο θα στηριχτούν οι ελεγκτές που θα δημιουργηθούν. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται μια παρουσίαση του ελεγκτή PID, καθώς και πως επηρεάζουν οι μεταβλητές του ένα σύστημα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σημαντικές πληροφορίες για την μοντελοποίηση των σφαλμάτων και το κεφάλαιο κλείνει με τη παρουσίαση ελεγκτών με ανοχή σε σφάλματα.
Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζονται τα μοντέλα των ελεγκτών που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις. Πιο αναλυτικά, ξεκινώντας από ένα ελεγκτή ικανό υπό προϋποθέσεις, καταλήγουμε σε ένα εύρωστο ελεγκτή αξιοποιώντας τη μετακίνηση του κέντρου μάζας. Για κάθε ελεγκτή δίνονται οι παράμετροι καθώς και η σχηματική του απεικόνιση στο simulink.
Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζονται και σχολιάζονται αναλυτικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων. Δίνονται γραφήματα που αφορούν τη θέση και τον προσανατολισμό σε όλη τη διάρκεια της πτήσης αλλά και στο κρίσιμο μεταβατικό φαινόμενο. Τέλος, επισημαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα καθενός από τους υλοποιημένους ελεγκτές.
Στο κεφάλαιο 6, δίνονται τα συμπεράσματα, αναφέρονται παρόμοιοι ελεγκτές και επιτεύγματα στο τομέα αυτό καθώς και οι διαφορές των ήδη υπαρχόντων λύσεων με τη δική μας προσέγγιση. / In this thesis, a control system, capable of retaining the control of a quadrotor vehicle when one of its actuators fails, is studied and simulated. The software which was used for modeling and simulation is Matlab/Simulink.
Specifically, in Chapter 1, there is a brief presentation of quadrotor, stating how it operates and mentioning the most important historical cornerstones. Subsequently, we point to the necessity of integration of automatic control systems to systems that directly or indirectly affect human life and the importance of their improvement by making them tolerant to errors and malfunctions.
In Chapter 2, we study the equations that describe the movement and orientation of the quadrotor. Using these equations, the quadrotor model is created, both for fixed and movable center of mass, which will be used in this thesis’ simulations. It is important to mention that the air resistance is no longer considered negligible as it significantly affects the state of the vehicle.
In Chapter 3, the theoretical background is given upon which the controllers will be implemented. More specifically, the PID controller is presented, and its influence on the system’s performance. The modeling of quadrotor’s faults is presented and the chapter ends with the presentation of fault tolerant controllers.
Chapter 4 presents the controllers’ models which were used in the simulations. Specifically, starting from a controller designed around a nominal operating point, we arrive at a robust controller utilizing the movement of the center of mass. For each controller, its parameters are given as well as its model in Simulink.
In Chapter 5, the simulations’ results are presented and discussed in detail. Graphs are used to show the position and the orientation not only throughout the flight but also during the critical transition phenomenon. Finally, advantages and disadvantages of each of the implemented controllers are stated.
In Chapter 6, there is the conclusion of the thesis. Similar controllers or achievements are mentioned and how our approximation differs from the other existing solutions.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/8806 |
| Date | 10 March 2015 |
| Creators | Γκούντας, Κωνσταντίνος |
| Contributors | Τζες, Αντώνιος, Gkountas, Konstantinos |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 6 |
Page generated in 0.0031 seconds