Mathematical modeling of unmanned movement aircraft – four-rotor

• Autorzy: Kisilowski Jerzy , Kowalik Rafał , Parszutowicz Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24136/tren.2020.012

Warianty tytułu

PL

Modelowanie matematyczne ruchu bezzałogowego statku powietrznego - czterowirnikowca

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents an analytical approach to building a mathematical model of a quadrocopter. The main purpose of building the model was to design an appropriate facility control system and analyze its behavior in various situations. The assumption was made to build a model, control system and all accompanying algorithms in an open programming environment, which will allow their subsequent implementation in a real facility, without the need to use expensive software. The quadrocopter is controlled by the operator by means of hand movements that are read by the camera and properly interpreted using advanced image processing methods. The entire system is visualized and embedded in a three-dimensional simulation environment. The model study was conducted using a DC motor as an input data source. The operation of the model was checked with a controller when a disturbance was introduced into the model. The four-rotor model with a selected regulator was tested by analyzing the angular velocity and position of the object in a rectangular coordinate system. At the end of the article, the results of the simulations made are presented and the resulting conclusions are presented.

PL

W artykule przedstawiono analityczne podejście do budowy modelu matematycznego czterowirnikowca. Głównym celem budowy modelu było zaprojektowanie odpowiedniego systemu sterowania obiektem oraz analiza jego zachowania w różnych sytuacjach. Przyjęto założenie, aby model, system sterowania oraz wszystkie towarzyszące im algorytmy zbudować w otwartym środowisku programistycznym, co pozwoli na ich późniejszą implementację w rzeczywistym obiekcie, bez konieczności stosowania drogiego oprogramowania. Sterowanie czterowirnikowcem przez operatora odbywa się za pomocą ruchów ręki, które są odczytywane przez kamerę i odpowiednio interpretowane przy użyciu zaawansowanych metod przetwarzania obrazu. Cały system jest wizualizowany i osadzony w trójwymiarowym środowisku symulacyjnym. Badania modelowe przeprowadzono z wykorzystaniem silnika prądu stałego jako źródła danych wejściowych. Działanie modelu zostało sprawdzone za pomocą kontrolera po wprowadzeniu do modelu zakłócenia. Model czterowirnikowca z wybranym regulatorem testowano analizując prędkość kątową i położenie obiektu w prostokątnym układzie współrzędnych. Na końcu artykułu zaprezentowano wyniki przeprowadzonych symulacji oraz przedstawiono wynikające z nich wnioski.

Słowa kluczowe

EN

quadrocopter; drone; dynamics system; UAV; modelling

PL

czterowirnikowiec; model matematyczny; dynamika; sterowanie; bezzałogowy statek powietrzny

• Wydawca: Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu
• Czasopismo: Journal of civil engineering and transport
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 2, No. 3
• Strony: 149--163
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Kisilowski Jerzy

• University of Technology and Humanities, Faculty of Transport, Electrical Engineering and Computer Science, Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland

autor

Kowalik Rafał

• Department of Avionics and Control Systems, Military University of Aviation, 08-521 Deblin, Poland

autor

Parszutowicz Łukasz

• University of Technology and Humanities, Faculty of Transport, Electrical Engineering and Computer Science, Malczewskiego 29, 26-600 Radom, Poland

Bibliografia

• [1] Leishman J.G. (2000) Principles of Helicopter Aerosynamics. New York, NY: Cambridge University Press; 2nd edition (December 15, 2016), ISBN 1107013356
• [2] Alexis K., Nikolakopoulos G. Tzes A., (2012) “Model Predictive quadrotor control: attitude, altitude and position experimental studies”. IET Control Theory Appl., 12, pp. 1–16. https://doi.org/10.1049/iet-cta.2011.0348
• [3] Phillips, W. F. (2004) Mechanics of Flight, J. Wiley&Sons, ISBN 9780470539750
• [4] Schmidt, D. (2012) Modern Flight Dynamics. McGraw-Hill, ISBN 007339811X
• [5] Kisilowski J. (1978) Dynamics of the track-vehicle system. ITPW Studies, Issue 15, Warsaw
• [6] Kisilowski J. (ed.) (1991) Dynamics of the Mechanical System, Rail Vehicle-Track, PWN, Warsaw
• [7] Bouadi H., Tadjine M. (2007) “Nonlinear observer design and sliding mode control of four rotors helicopter”. Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 25, pp. 225–230. https://doi.org/10.5281/zenodo.1055781
• [8] Leonov G.A., Kuznetsov N.V. (2007) “Time-Varying Linearization and the Perron effects”. International Journal of Bifurcation and Chaos, 17(3). https://doi.org/10.1142/S0218127407017732
• [9] Mathworks, Simulink Getting Started Tutorial
• [10] Maryniak J. (ed.) (1992) Mechanics in aviation. Polish Society of Theoretical and Applied Mechanics
• [11] Maryniak J. (ed.) (2006) Mechanics in Aviation ML-XII 2006, Polish Society of Theoretical and Applied Mechanics, ISBN 83-902194-6-8
• [12] Bouabdallah S., Siegwart R. (2007) “Full control of a Quadrotor”. Intelligent Robots and Systems. https://doi.org/10.1109/IROS.2007.4399042
• [13] Bouabdallah S., P. Murrieri P., Siegwart R. (2004) “Design and control of an indoor micro quadrotor”. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Proceedings. ICRA '04.2004, New Orleans, LA, USA. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2004.1302409
• [14] https://en.wikibooks.org/wiki/Control_Systems/Controllability_and_Observability (access date: 14/09/2020)
• [15] Defence Research and Development Organisation. Dynamic Modelling of DC Motor and Simulation, Chandipur, India.
• [16] Cook M. (2007) Flight Dynamics Principles. Elsevier, ISBN 9780080982427
• [17] Ashley, H. (1974) Engineering Analysis of Flight Vehicles. Addison-Wesley, ISBN 9780486672137
• [18] http://ritzel.siu.edu/courses/302s/vehicle/vehicledynamics.html (access date: 17/09/2020)
• [19] Huang H., Hoffmann G. M., Waslander S. L., Tomlin C. J. (2009) “Aerodynamics and control of autonomous quadrotor helicopters in aggressive maneuvering”. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3277–3282. https://doi.org/10.1109/ROBOT.2009.5152561
• [20] Beard R. (2008) “Quadrotor dynamics and control rev 0.1”
• [21] Ažaltovič, V., Škvareková, I., Pecho, P., Kandera, B. (2020) “Calculation of the ground casualty risk during aerial work of unmanned aerial vehicles in the urban environment”. Transportation Research Procedia, 44, pp. 271-275. https://doi.org/doi:10.1016/j.trpro.2020.02.043
• [22] Pecho, P., Ažaltovič, V., Kandera, B., & Bugaj, M. (2019) “Introduction study of design and layout of UAVs 3D printed wings in relation to optimal lightweight and load distribution”. Transportation Research Procedia, 40, pp. 861-868. https://doi.org/doi:10.1016/j.trpro.2019.07.121