Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Validation of the energy consumption model for a quadrotor using Monte-Carlo simulation

Głębocki Robert, Żugaj Marcin, Jacewicz Mariusz

Archive of Mechanical Engineering

|

2023

|

LXX, nr 1

151–-178

EN

Unmanned, battery-powered quadrotors have a limited onboard energy resources. However, flight duration might be increased by reasonable energy expenditure. A reliable mathematical model of the drone is required to plan the optimum energy management during the mission. In this paper, the theoretical energy consumption model was proposed. A small, low-cost DJI MAVIC 2 Pro quadrotor was used as a test platform. Model parameters were obtained experimentally in laboratory conditions. Next, the model was implemented in MATLAB/Simulink and then validated using the data collected during real flight trials in outdoor conditions. Finally, the Monte-Carlo simulation was used to evaluate the model reliability in the presence of modeling uncertainties. It was obtained that the parameter uncertainties could affect the amount of total consumed energy by less than 8% of the nominal value. The presented model of energy consumption might be practically used to predict energy expenditure, battery state of charge, and voltage in a typical mission of a drone.

2

Non‐linear model‐based predictive control for trajectory tracking and control effort minimization in a smartphone‐based quadrotor

García Luis, Rosero Esteban

Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems

|

2022

|

Vol. 16, No. 4

13--18

EN

In this paper, the design and implementation of a nonlinear model‐based predictive controller (NMPC) for predefined trajectory tracking and to minimize the control effort of a smartphone‐based quadrotor are developed. The optimal control actions are calculated in each iteration by means of an optimal control algorithm based on the non‐linear model of the quadrotor, considering some aerodynamic effects. Control algorithm implementation and simulation tests are executed on a smartphone using the CasADi framework. In addition, a technique for estimating the energy consumed based on control signals is presented. NMPC controller performance was compared with other works developed towards the con‐ trol of quadrotors, based on an H∞ controller and an LQI controller, and using three predefined trajectories, where the NMPC average tracking error was around 50% lower, and average estimated power and energy consumption slightly higher, with respect to the H∞ and LQI controllers.

3

3D CAD model for a quadrotor system modeling and control

Raheemah Fatima A., Hussein Mustafa T.

Diagnostyka

|

2022

|

Vol. 23, No. 2

art. no. 2022203

EN

In this paper, the work focus on the advantages of several engineering software to present a case study for the quadrotor system by a used 3D CAD model. The CAD model initially generated using one of the CAD software and it can be accessed from MATLAB software and converted into a virtual physical model. Quadrotors are unmanned aerial vehicles capable of vertical takeoff, hovering, and landing. The quadrotor is distinguished by its small size, flexibility, and maneuverability. The small sensors and actuators used in these systems are effective enough in comparison with the larger systems. The CAD model for the quadrotor system in this study is used to show the capability of the 3D model implementation in modeling and control. These models echo on the real-time models to improve the behavior in the real world. The actual quadrotor device was converted from the real system to a 3D model. Also, the model is converted to SimMechanics for the sake of simulation. Two different control methods are used in this work to stable the motion of the quadrotor system. First the adaptive sliding mode controller with the adaptive controller. Second the adaptive sliding mode controller with the PID controller. The simulation results show the model works fine with the controllers and it preserves the desired position and attitude along the desired predefined path. The results shown when a comparison was made that the ratio of error for PID controller is better.

4

A mathematical model for controlling a quadrotor UAV

Kowalik Rafał, Łusiak Tomasz, Novak Andrej

Transactions on Aerospace Research

|

2021

|

Nr 3 (264)

58--70

EN

Given the recent surge in interest in UAVs and their potential applications, a great deal of work has lately been done in the field of UAV control. However, UAVs belong to a class of nonlinear systems that are inherently difficult to control. In this study we devised a mathematical model for a PID (proportional integral derivative) control system, designed to control a quadrotor UAV so that it follows a predefined trajectory. After first describing quadrotor flight dynamics, we present the control model adopted in our system (developed in MATLAB Simulink). We then present simulated results for the use of the control system to move a quadrotor UAV to desired locations and along desired trajectories. Positive results of these simulation support the conclusion that a quadrotor UAV spatial orientation control system based on this model will successfully fulfil its task also in real conditions.

PL

Wobec rosnącego zainteresowania bezzałogowymi statkami powietrznymi (BSP) i ich potencjalnymi zastosowaniami, w ostatnim czasie wykonano wiele prac w dziedzinie ich lepszego sterowania. BSP jednak należą do klasy nielinearnych systemów, które są z natury trudne do sterowania. W niniejszej pracy opracowano model matematyczny dla systemu sterowania opartego na metodzie PID (proportional integral derivative), zaprojektowanego do sterowania czterowirnikowym BSP tak, aby podążał on po wcześniej zdefiniowanej trajektorii. Opisano dynamiki lotu czterowirnikowym BSP i zaprezentowano model kontroli zastosowany w naszym systemie (opracowany w programie MATLAB Simulink). Przedstawione są wyniki symulacji użycia systemu do sterowania czterowirnikowym BSP w celu jego przemieszczenia się do pożądanej lokalizacji oraz wzdłuż pożądanej trajektorii. Wyniki tych symulacji potwierdzają wniosek, że oparty na tym modelu system sterowania dla czterowirnikowego BSP może z powodzeniem spełnić swoje zadanie również w warunkach rzeczywistych.

5

Quadrotor UAV control for transportation of cable suspended payload

Kusznir Tom, Smoczek Jarosław

Journal of KONES

|

2019

|

Vol. 26, No. 2

77--84

EN

Payload transportation with UAV’s (Unmanned Aerial Vehicles) has become a topic of interest in research with possibilities for a wide range of applications such as transporting emergency equipment to otherwise inaccessible areas. In general, the problem of transporting cable suspended loads lies in the under actuation, which causes oscillations during horizontal transport of the payload. Excessive oscillations increase both the time required to accurately position the payload and may be detrimental to the objects in the workspace or the payload itself. In this article, we present a method to control a quadrotor with a cable suspended payload. While the quadrotor itself is a nonlinear system, the problem of payload transportation with a quadrotor adds additional complexities due to both input coupling and additional under actuation of the system. For simplicity, we fix the quadrotor to a planar motion, giving it a total of 4 degrees of freedom. The quadrotor with the cable suspended payload is modelled using the Euler-Lagrange equations of motion and then partitioned into translation and attitude dynamics. The design methodology is based on simplifying the system by using a variable transformation to decouple the inputs, after which sliding mode control is used for the translational and pendulum dynamics while a feedback linearizing controller is used for the rotational dynamics of the quadrotor. The sliding mode parameters are chosen so stability is guaranteed within a certain region of attraction. Lastly, the results of the numerical simulations created in MATLAB/Simulink are presented to verify the effectiveness of the proposed control strategy.

6

Decentralized PID control by using GA optimization applied to a quadrotor

Hasseni S. E. I., Abdou L.

Journal of Automation Mobile Robotics and Intelligent Systems

|

2018

|

Vol. 12, No. 2

33--44

EN

Quadrotors represent an effective class of aerial robots because of their abilities to work in small areas. We suggested in this research paper to develop an algorithm to control a quadrotor, which is a nonlinear MIMO system and strongly coupled, by a linear control technique (PID), while the parameters are tuned by the Genetic Algorithm (GA). The suggested technique allows a decentralized control by decoupling the linked interactions to effect angles on both altitude and translation position. Moreover, the using a meta-heuristic technique enables a certain ability of the system controllers design without being limited by working on just the small angles and stabilizing just the full actuated subsystem. The simulations were implemented in MATLAB/Simulink tool to evaluate the control technique in terms of dynamic performance and stability. Although the controllers design (PID) is simple, it shows the effect of the proposed technique in terms of tracking errors and stability, even with large angles, subsequently, high velocity response and high dynamic performances with practically acceptable rotors speed.

7

Modelowanie dynamiki oraz synteza układu sterowania czterowirnikowcem

Pęczkowski M., Kopecki G., Rogalski T.

Autobusy : technika, eksploatacja, systemy transportowe

|

2017

|

R. 18, nr 6

1024--1028, CD

PL

W pierwszej części pracy omówiono model matematyczny czterowirnikowca, zlinearyzowany w punkcie pracy jakim jest stan ustalony zawisu, oraz metoda identyfikacji współczynników tego modelu. W drugiej części opisano syntezę podstawowego układu sterowania orientacją przestrzenną czterowirnikowca, którą przeprowadzono, wykorzystując teorię układów liniowych i regulatory PI. Zaprojektowany układ sterowania poddano testom symulacyjnym, weryfikującym jego działanie.

EN

Paper describes mathematical model of a quadrotor, identification of its parameters and linearization around hover state. Attitude control algorithms were developed using linear control theory and PI controllers. The results were validated through various simulation tests.

8

Zastosowanie metody gradientów sprzężonych w algorytmie sterowania optymalnego wysokością lotu czterowirnikowego bezzałogowego statku powietrznego

Brzozowski B., Kowaleczko G.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2015

|

Nr 4 (241)

7--18

PL

Artykuł przedstawia wyniki przeprowadzonych badań teoretycznych dotyczących zastosowania metody gradientów sprzężonych do rozwiązywania problemu sterowania optymalnego wysokością lotu czterowirnikowego bezzałogowego statku powietrznego (BSP). Ze względu na różnice w strategii sterowania mające wpływ na postać minimalizowanego funkcjonału jakości, problem rozdzielono na dwa zagadnienia – zmianę wysokości oraz stabilizację wysokości. Przeprowadzone analizy pozwoliły na określenie wpływu zmian postaci funkcjonału jakości, jego parametrów czasowych oraz współczynników wagowych na wyznaczoną za pomocą metody gradientów sprzężonych optymalną trajektorię stanu i sterowanie czterowirnikowego BSP podczas zmiany wysokości lotu oraz jej stabilizacji.

EN

This paper presents results of studies on the usage of conjugate gradient method for solving optimal control problem of flight altitude control of a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV). Due to the differences in the control strategy affecting the character of minimized quality functional, the problem was resolved on two issues: changing the flight altitude and altitude stabilization. Conducted researches allowed to determine the impact of changes in the form of a quality functional as well as of its timing and weighting factors on the designated optimal control and state trajectory of a quadrotor UAV using conjugate gradient method during changing and stabilizing flight altitude.

9

Simulation and implementation of alternative attitude control algorithms for a micro multirotor flying platform

Gąsior P., Gąsior M.

Measurement Automation Monitoring

|

2015

|

Vol. 61, No. 7

346--348

EN

The most popular control algorithm in attitude stabilization of multirotor aerial vehicles is a PID controller. It is used so frequently because of low computational requirements and simplicity of implementation and tuning. However, there are many other control algorithms suitable for this task, for example fuzzy logic or neural networks controllers. These algorithms are more complex than PID, but with appropriate knowledge and hardware it is possible to implement them in the on-board controller. This paper presents the comparison of the mentioned algorithms during simulation experiments. The construction process of a micro multirotor flying platform NeuroQuad and the implementation of the tested algorithms on this platform are described.

10

Robust quasi-LPV model reference FTC of a quadrotor UAV subject to actuator faults

Rotondo D., Nejjari F., Puig V.

International Journal of Applied Mathematics and Computer Science

|

2015

|

Vol. 25, no. 1

7--22

EN

A solution for fault tolerant control (FTC) of a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) is proposed. It relies on model reference-based control, where a reference model generates the desired trajectory. Depending on the type of reference model used for generating the reference trajectory, and on the assumptions about the availability and uncertainty of fault estimation, different error models are obtained. These error models are suitable for passive FTC, active FTC and hybrid FTC, the latter being able to merge the benefits of active and passive FTC while reducing their respective drawbacks. The controller is generated using results from the robust linear parameter varying (LPV) polytopic framework, where the vector of varying parameters is used to schedule between uncertain linear time invariant (LTI) systems. The design procedure relies on solving a set of linear matrix inequalities (LMIs) in order to achieve regional pole placement and H∞ norm bounding constraints. Simulation results are used to compare the different FTC strategies.

11

Szybkie prototypowanie elementów układu sterowania dla platformy latającej typu quadrotor

Czyba R., Szafrański G.

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika

|

2011

|

z. 83(279), nr 3

5-14

PL

W artykule przedstawiono strukturę układu regulacji opartego na dyskretnej realizacji algorytmu PID oraz etapy projektowania poszczególnych elementów układu sterowania dla platformy latającej VTOL (ang. Vertical Take Off and Landing) typu quadrotor. Przedstawiono również koncepcję budowy układu pomiarowego orientacji przestrzennej opartą na zintegrowanym czujniku AHRS (ang. Attitude and Heading Reference System). W procesie projektowania wykorzystano środowisko Matlab/Simulink wraz z systemem mikroprocesorowym opartym na mikrokontrolerze z rodziny PowerPC. Rozwiązanie w takiej konfiguracji umożliwia szybkie prototypowanie (ang. Fast/Rapid Prototyping) układu sterowania dla zadania sformułowanego jako podukład stabilizacji kątowej. Prezentowane podejście umożliwia również efektywną weryfikację poprawnego działania pojedynczych podukładow warstwy sprzętowej, wchodzących w skład całego systemu sterowania platformy latającej. Istotą komputerowo wspomaganego projektowania układów sterowania (ang. Embedded System) jest możliwość wielokrotnej modyfikacji wirtualnego prototypu, z zagwarantowaniem poprawności kodu wykonywalnego przy jednoczesnym zachowaniu elementów składowych, takich jak: elementy napędowe, czujniki wraz z układami pomiarowymi. Co więcej, możliwa jest rozbudowa systemu wbudowanego w bardziej złożony, pełniący funkcję sterowania, nie tylko w warstwie bezpośredniej, ale również w warstwie nadrzędnej, dla bezzałogowych obiektów latających.

EN

In this paper we focus on the fast prototyping of the attitude stabilization control subsystem of an indoor unmanned aerial vehicle (UAV), known as a quadrotor. The attitude measurement circuit is based on the ADIS16400 sensor, which is a complete inertial system that includes a triaxial gyroscope, a triaxial accelerometer, and a triaxial magnetometer. The design and the initial realization of the control system on an experimental aerial platform have been described. The practical realization of the attitude stabilization system is an important step in the development process of a more advanced capabilities of autonomous flying vehicles. Thus, we use the fast prototyping method together with the Matlab/Simulink software and rapid prototyping kit based on the PowerPC microcontroller. User can manage the peripherals of the microcontroller and implement various of control and data processing algorithms by means of the Simulink block diagrams. The controller can be tuned in real-time simulations jointly with the real plant or its phenomenological model.

12

QUADROTOR - od pomysłu do realizacji

Tomasik P., Okarma M., Marchewka D.

Pomiary Automatyka Robotyka

|

2011

|

R. 15, nr 9

88-92

PL

Tematem artykułu jest realizacja projektu bezzałogowego czterośmigłowca. Konstrukcja pojazdu oparta jest na aluminiowym szkielecie w kształcie krzyża, z elektroniką umieszczoną w jego środku. Cztery trójfazowe silniki elektryczne i zamocowane na nich śmigła o stałym kącie natarcia są jedynymi ruchomymi częściami pojazdu. Zasilanie zapewnia akumulator litowo-polimerowy. Prosta konstrukcja mechaniczna, zwrotność i niewielkie gabaryty sprawiają, że roboty tego typu świetnie nadają się do inspekcji trudno dostępnych miejsc, przez co cieszą się zainteresowaniem nie tylko wśród modelarzy. Zasadniczym problemem przy projektowaniu tego typu urządzeń jest stabilizacja położenia i orientacji w powietrzu. Temu zagadnieniu w dużej mierze poświęcony jest niniejszy artykuł. Stworzony model matematyczny czterośmigłowca, po zaimplementowaniu w środowisku MATLAB Simulink, umożliwiał symulowanie zachowania rzeczywistego obiektu. Aby wyniki tych symulacji były użyteczne, przeprowadzono identyikację parametrów urządzenia. W wyniku szeregu eksperymentów zmierzono m.in. momenty bezwładności całej konstrukcji i śmigieł oraz wyznaczono charakterystyki statyczne i dynamiczne silników. Następnym krokiem było dobranie regulatora, który sprostałby zadaniu stabilizacji lotu omawianej konstrukcji. Analizie poddano regulator PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) oraz LQ (liniowo-kwadratowy). Artykuł porusza również zagadnienie filtrowania odczytów z czujników inercyjnych, przy użyciu iltrów Czebyszewa i Kalmana. Na potrzeby projektu stworzono aplikację kontrolną umożliwiającą m.in. akwizycję danych z czterośmigłowca, symulację z wykorzystaniem modelu matematycznego oraz testowanie nastaw regulatorów. Projekt finansowany jest z grantu rektorskiego w Katedrze Automatyki Wydziału EAIiE Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

EN

Article is dedicated to realization of project of unmanned quadrotor. Construction consists of two crossing aluminium rods with electronic boards in the centre. Four 3-phase motors and propellers with constant angle of attack are the only movable parts of whole construction. Power is provided by Li-Pol battery. Simple mechanical construction, agility and small size make quadrotors greatly adjusted to inspection tasks. As a result of that, they become point of interests not only for modellers. Major problem which had to be solved was issue of keeping quadrotor's position and attitude in the air. This is the main issue of following article as well. The mathematical model was de signed and implemented in MATLAB Simulink environment. Hence it was possible to simulate the behaviour of real object. To make results of those simulations reliable, an identification process was performed. Several experiments were carried out in order to identify moments of inertia (for entire construction and propelers). Static and dynamic characteristics of motors were determined as well. The next step was to choose controller able to stabilize flight of the quadrotor. Two sorts of algorithms were put into analysis: PID (proportional-integral-derivative), and LQ (linear-quadratic). The article concerns issue of filtering data derived from inertial sensors. Chebyshev and Kalman filters are briefly described. For this project sake, a control application was created. Its functionality includes data acquisition, simulation with mathematical model usage and testing controller presets. Project is founded by rectorial grand and realized on faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Electronics at AGH University of Science and Technology.

13

Robust nonlinear PI for attitude stabilization of a four-rotor mini-aircraft: From theory to experiment

Bouchoucha M., Tadjine M., Tayebi A., Mullhaupt P., Bouabdallah S.

Archives of Control Sciences

|

2008

|

Vol. 18, no. 1

99-120

EN

Based on the Euler angles parametrization, a new method for the attitude control of a vertical take-off and landing (VTOL) quadrotor aircraft is proposed. It relies on the combination of the backstepping technique and a nonlinear robust PI controller. The integral action gain is nonlinear and based on a switching function that allows a robust behavior for the overall control law. One of the strengths of the proposed approach is its robustness with respect to plant parameters uncertainties. The proposed approach has been tested in simulation and in real time and shows good performance.