设置控制问题|无人机仿真和控制,第1部分
从系列:无人机仿真和控制
布莱恩•道格拉斯
四轴飞行器和其他类型的无人机非常受欢迎,部分原因是他们有复杂的程序控制系统,允许他们是稳定的和自主飞行,只有很少的人工干预。他们四个螺旋桨旋转的精确的方法来控制四轴飞行器的六种不同的自由度。这是第一个视频在一系列我们走过的过程设计一个控制系统,将无人驾驶飞机悬停在一个固定的高度。
这一节描述了Mambo的传感器,一只鹦鹉®minidrone与MATLAB接口®和仿真软金宝app件®。以后的视频将展示如何使用这些传感器来估计系统的状态像高度和速度。
这个视频还描述了四个螺旋桨可以配置和旋转在特定的方式允许无人机独立辊,音高,偏航和推力。
知识的传感器、执行器、无人机本身的动态,我们将准备开发控制系统在本系列的其余部分。
四轴飞行器和其他类型的无人机非常受欢迎。甚至很多入门级汽车复杂的控制系统设定,允许他们是稳定的和自主飞行,只有很少的人工干预。他们四个螺旋桨旋转以精确的方式来控制四轴飞行器六自由度的不同。在本系列中,我们将遍历的过程,设计一个控制系统,将无人驾驶飞机悬停在一个固定的高度。
即使你不打算编写自己的无人机控制器,值得理解的过程,因为我们要遵循的工作流程是类似于你需要的工作流程几乎任何控制项目。
说,本系列使用无人驾驶飞机,而不是其他一些平台的访问硬件和现有基础设施用于编程和建模无人机。此外,他们只是很有趣。
所以考虑到这一点,让我们在黑板上,建立我们的问题。我是布莱恩,欢迎来到MATLAB技术说话。
在本系列中,我们专注于四轴飞行器的控制策略、命名,因为他们的四个旋转的螺旋桨。类似地,您可以添加更多的转子和hexacopter和octocopter他们的名字。但所有这些无人驾驶风格的飞行机器都是整个家庭的一部分旋转机翼飞机称为旋翼飞机。这包括熟悉的直升机和不太熟悉的旋翼飞机以及其他飞行器,它使用一个旋转机翼而不是一个固定的风产生升力。尽管这些都是旋转翼车辆,它们有不同的动力学,因此不同的控制策略。本系列中,我们将设计一个四轴飞行器的控制系统,鹦鹉Minidrone。
现在,为了设置控制问题,我们需要花点时间了解我们的硬件。在这种情况下,硬件已经存在,所以我不能够轻易改变传感器或执行器在任何有意义的方式。如果你四轴飞行器的控制工程师发展项目,情况就不会这样。你可能会引导和影响设计过程,以便适当的硬件设计来满足您的控制需求。
因为我们的硬件已经建成,我们必须处理给我们什么。让我们看看Minidrone,看看我们有什么。我们将从传感器。在底部,有两个传感器,你可以看到。的网格是一个超声波传感器用于测量垂直距离。听起来发出高频脉冲和措施需要多长时间,脉冲反弹,并返回到传感器的地板上。从测量时间,距离地上,无人机可以计算。至少高达13英尺的高度。之后,反射的声音太软传感器拾取。
另一个传感器的相机。采取以每秒60帧图像,利用图像处理技术称为光学流来确定对象是移动一帧到下一个。从这个视运动,Minidrone可以估计水平运动和速度。
minidrone内部有一个压力传感器间接测量高度。随着无人机爬海拔空气压力略有下降。压力我们可以用这个细微的变化来估计minidrone的高度是如何改变——上升或下降吗?
最后一个传感器是一个惯性测量单元,或简称为IMU。这是由使用硬件加速计衡量线性加速度和硬件陀螺仪的措施
角速率。乌兹别克斯坦伊斯兰运动,重力加速度的知识,我们可以估计Minidrone的态度相对于重力和它的旋转速度。
这是它的传感器。我们有这四个传感器。我们可以用超声波和压力来确定高度和乌兹别克斯坦伊斯兰运动和相机来确定旋转与平移运动。
传感器覆盖,让我们来谈谈我们的执行机构。我们有四个汽车,每个都有自己的螺旋桨。前面两个是白色的,后面两个是黑色的,但是颜色只是显示给操作员的无人机飞行时面临它。最重要的识别与这些汽车是他们的配置和旋转方向。这四个汽车以X配置,而不是+配置。这两个之间唯一的区别是你汽车发送命令来当俯仰和滚minidrone。一般而言,底层的概念都是相同的。
最巧妙的四轴飞行器的发动机配置的自旋方向。反对马达旋转彼此在同一个方向,但另一对相反的方向。这是必要的,以确保推力,滚,音高,偏航可以相互独立地吩咐。这意味着我们可以命令一个运动而不影响他人。我们将会看到为什么配置使得这个事实,至少一阶,只是一点点。在现实中,复杂的流体动力学在无人机意味着所有运动耦合在一些小方法,但是对于我们的目的,我们可以忽略这些细节,最终让我们的反馈控制系统纠正的错误。
好了,现在我们可以谈谈控制问题的概述。我们有自己的工厂,无人机本身,我们有四个执行机构系统注入力量和扭矩。所以问题是,我们如何注入正确的输入系统,输出是我们想要的结果。也就是说,我们可以找出如何操纵这四个汽车,无人机可以非常精确地旋转和机动在3维空间?
来帮助我们,我们的传感器,我们可以使用它来直接或间接地估计minidrone的状态。系统的状态是角位置和速度,高度,速度和水平。美国,我们估计依赖于控制架构和我们试图完成什么。我们将在本系列中更详细地冲出来的。
最后,知识系统的状态和理解我们想要minidrone做什么,我们可以开发一个控制器,基本上一个算法在软件运行,这需要在我们的设置点和估计状态和计算这些精确的运动命令,将注入必要的力和力矩。这是整个问题,但你可能会想象,提出算法不是直接四轴飞行器。
首先我们应该注意的是,这是一个欠驱动系统。我们只有4个驱动器,但是我们有6个自由度——三个平移方向,上和下,左和右,向前,向后,和三个转动方向,滚,俯仰和偏航。因为我们没有一个致动器为每一个动作,然后我们已经知道一些方向无法控制的在任何给定的时间。作为一个例子,我们的minidrone不是的离开,至少没有第一旋转方向。向前和向后运动也是一样。
我们会在这个underactuation夫妻问题,开发一种控制系统,旋转和推力实现总体目标。
现在让我们走过我们如何产生推力,滚,音高,和偏航只有4汽车,为什么自旋方向让我们解耦运动从另一个。
由旋转的螺旋桨发动机产生推力推动空气,导致反应力。如果电机放置在一个位置的力是应用通过一个物体的重心,那么该对象将在纯翻译,没有旋转。如果推力的力量相等和相反的重力对象将徘徊。
一个力距离重心产生平移运动和转矩,在重心或旋转的时刻。如果我们的电机连接到酒吧,旋转,扭矩将保持不变,因为力和重心之间的距离保持不变,但力量不再总是重力方向相反,因此我们的酒吧将开始离开,从天上掉下来。现在,如果有一个反力,重心的另一侧,并且每个力是重力的一半,然后再物体将保持静止,因为力矩和力会彼此抵消。
但是我们的致动器不产生纯粹的力量产生推力。因为它完成了由旋转和扭转的螺旋桨推力质量,我们的驱动器也产生了反作用扭矩是相反的方向。如果我们的汽车都是在同一个方向旋转,扭矩是翻了一倍,我们的酒吧将开始旋转。
应对这样的扭矩,我们可以两个电机相反的方向旋转。在两个维度,将工作的很好,但一个酒吧只有两个马达将无法产生力矩在第三维度,这是我们不能把这个酒吧。所以我们添加第二个酒吧与两个汽车来创建我们的四轴飞行器。
在这个配置中,我们可以通过加速盘旋每个电动机,直到他们产生一个1/4的重力。只要我们有两个计数器旋转发动机,螺旋桨旋转的力矩平衡和无人机不会旋转。没关系,你把计数器旋转马达,只要有一分之二的方向和两个。
但是四轴飞行器开发人员选定了一个配置与反对汽车旋转方向相同,所以必须有一个原因。还有。这是因为偏航,或平面旋转运动,与横滚和俯仰。
要理解为什么这是真的,让我们看看如何命令偏航。
我们有反向旋转电机专门这样没有偏航力矩系统上的所有汽车以相同的速度旋转。它是有意义的,如果我们想对纵轴旋转无人机,或者我们想要车辆偏航,那么我们需要创建一个偏航力矩通过减缓两电机运行相同的方向和速度的其他两个。由两个下来,加速两个适当放缓,我们可以保持相同的总力通过操作,这样我们仍然徘徊和抵消重力,但电机力矩的总和是零和车辆将自旋。所以我们可以偏航而不影响推力。
现在让我们看看偏航影响横滚和俯仰。如果旋转电机双连在一起的,然后一对放缓下来,增加了另一对将导致不平衡力的重心和车辆将音高或辊根据电动机对哪一边。然而,如果我们把两个汽车并将其两侧的无人机,
部队将相互抵消。这就是为什么汽车配置和自旋方向非常重要。我们现在可以发送命令的四个汽车,车辆将偏航,但不滚,球场上,或改变其推力。
同样的,我们可以看看横滚和俯仰。滚,我们会减少对左/右和增加另一个导致轧制扭矩,并推销我们减少前/后双和增加另一个导致俯仰力矩。这两个动作不会影响偏航因为我们反旋转电机在同一方向移动,和偏航力矩将继续彼此抵消。
改变推力,我们需要增加或减少同时所有四个汽车。这样,滚,音高,偏航,推力方向4直接控制。和命令的汽车将是一个混合的推力,滚,俯仰和偏航。
我们现在知道,我们可以通过设置四个命令推力发动机相同的速度。然后我们可以创建通过增加两个偏航电机旋转方向相同,减少其他两个。沥青是由增加或减少前面运动副,然后指挥后面一对相反的方向。辊是相同的,但一双左/右。这是我们简单的电动机混合算法,可以直观的轧辊之间的转换,音高,偏航,少和推力,直观的运动速度。
如前所述,前进,后退,左,右unactuated运动。我们绕过的方法是首先旋转成一个态度:重力方向的推力矢量部分和部分旅行的方向加速无人机在那个方向。如果我们想保持高度,那么我们就会增加推力,垂直分量还取消了向下的重力。
所以知道我们知道操作的四个汽车以特定的方式将使我们能够控制无人机在三维空间中,我们有一组传感器,我们可以用它来估计系统的状态,我们有机载处理器可以运行我们的控制器逻辑。
完成控制系统的发展最终将在仿真软件中,我们将构建和模拟四轴飞行器模型,优化控制器,闭环仿真测试它,最后自动生成飞行代金宝app码,我们将加载鹦鹉minidrone机载微型控制器。下一个步骤是找出我们想建立控制系统体系结构。
如果你不想错过下一个科技视频说话,别忘了订阅这个通道。同样,如果你想看看我的通道,控制系统讲座,我覆盖更多的控制理论主题。谢谢收看,下次再见。
你也可以从下面的列表中选择一个网站
表现最好的网站怎么走吗
选择中国网站(中文或英文)最佳站点的性能。其他MathWorks国家网站不优化的访问你的位置。
欧洲