The maneuverability and freedom provided by unmanned aerial vehicles (UAVs) make these an interesting choice for transporting objects in settings such as search and rescue operations, construction, and smart factories. A commonly proposed method of transport is by using cables attached between each UAV and the payload. However, the geometrical constraints posed by these attachments typically result in a system with highly complex dynamics. Although not an issue for conventional PID control schemes, these complex dynamics make the direct application of model predictive controllers (MPCs) infeasible for real-time usage. For this reason, much of the previous work has focused on treating the payload as a disturbance, thereby losing the ability to predict its effect on the UAVs. Contrary to this, this thesis presents an MPC that both captures the dynamics of the payload, and is capable of real-time usage. This is made possible by a parametrized linearization of the original system, and results in greatly improved performance compared to the disturbance model approach. The controller is derived for a system with two UAVs that transport a bar-like payload and verified both in simulations and physical experiments. The resulting control system is able track a multitude of setpoints, including rotations of both payload and UAVs, as well as lateral translations. Furthermore, it is able to attenuate external disturbances well, and dampens and prevents oscillations more efficiently when compared to the disturbance based approach. The resulting MPC solving time is on the order of milliseconds. Additionally, an initial attempt to decentralize the system is made, and the resulting controller experimentally tested on the UAV–bar system, resulting in a lower MPC solving time (2:5 times faster on average), but worsened performance in terms of position tracking of the bar. / Den manövrerbarhet och frihet som möjliggörs av användandet utav obemannade luftfarkoster (drönare) gör dessa till tämligen intressanta kandidater för lasttransport inom områden såsom sök- och räddningsuppdrag, byggnadskonstruktion och s.k. smarta fabriker. En vanligen förespråkad transportmetod består utav att förse systemet med kablar som fästs mellan last och drönare. De geometriska restriktioner som denna lastkoppling innebär resulterar emellertid ofta i system med väldigt komplicerad dynamik och interaktionskrafter. Även om detta inte innebär något problem för konventionella PID reglersystem så omöjliggör detta det direkta applicerandet utav modellprediktiv reglering (MPC) för realtidsbruk. Av denna anledning har tidigare verk fokuserat på att behandla lasten och dess inverkan på drönarna som en störning, men med detta därmed förlorat möjligheten att förutspå dess effekt på drönarna. I kontrast till detta, kommer det i detta verk att presenteras en MPC som både fångar lastens dynamik och är snabb nog för realtidsanvändning. Detta görs möjligt utav en parametriserad linjärisering utav originalsystemet och ger märkbart bättre resultat än den störningbaserade modellen. Reglersystemet appliceras på ett system bestående utav två drönare och en stång-liknande last och resultatet verifieras både i form av numeriska simuleringar och fysiska experiment. Det resulterande systemet klarar av både rotationer utav last och drönare samt translationer i alla riktningar. Dessutom är systemet kapabelt att hantera externa störningar och både dämpar och förhindrar oscillationer bättre i jämförelse med reglersystem baserat på störningsmodeller. Lösningstiden för MPC-regulatorn är i storleksordningen millisekunder. Utöver detta görs ett initialt försök i att decentralisera tidigare nämnda MPC och det resulterande reglersystemet utvärderas experimentellt på samma drönarsystem som tidigare. Detta resulterar i en lägre lösningstid (2.5 ggr snabbare i genomsnitt), men även i försämrad prestanda med avseende på reglering av stångens position.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-305008 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Castro Sundin, Roberto |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2021:692 |
Page generated in 0.0029 seconds