Négyrotoros robothelikopter modellje és irányítása

Átírás

1 Dr. Meter Gyula é Dr. Rodć Alekandar Négyrotoro robothelkopter modellje é rányítáa Modelng and Control of Quad-Rotor Helopter Abtrat - Autonomou outdoor quad-rotor helopter nreangly attrat the attenton of potental reearher. Several truture and onfguraton have been developed to allow D movement. The autonomou quad-rotor arhteture ha been hoen for th reearh for t low dmenon, good manoeuvrablty, mple mehan and payload apablty. Th paper preent the modellng and ontrol of an autonomou outdoor quad-rotor helopter. Bevezeté Az elő négyrotoro helkoptert (. ábra), Gyroplane No. néven a Lou é Jaque Breguet 97-ben építették meg, képe volt.5 m magaban lebegn [].. ábra Gyroplane No. A négyrotoro robothelkopter (. ábra) helyben felzálló é lezálló plóta nélkül lég jármű, amely nem gényel képített repülőteret. Egy kebb zabad terület vagy a zállítójármű felülete elegendő a négyrotoro robothelkopter fel- é lezálláához. Dr. Meter Gyula, egyetem tanár, Szeged Tudományegyetem, Mérnök Kar, Robotka Laboratórum, Szeged Dr. Rodć Alekandar, Belgrád Egyetem, Mhajlo Pupn Kutatóntézet, Robotka Laboratórum, a Szeged Tudományegyetem vendégkutatója, Belgrád 69

2 Szállítójármű alkalmazáával jelentően megnövelhetjük a jármű mozgáterét.. ábra Négy rotoro robothelkopter Négyrotoro robothelkopterek felhaználá területe, a helyből való fel- é lezállá képeége, a lebegée matt folyamatoan bővül, így tehát alkalmazzuk: a hadázatban, mezőgazdaágban, tűzoltóágnál, lég megfgyelére, optka felderítére, nehezen hozzáférhető terepen egítégnyújtára (pl. íbaleetek), erdőtüzek felderítéére, tudományo kutatómunkára, tb. Négyrotoro robothelkopter modellje A négyrotoro robothelkopter több bemenetű é több kmenetű (Mult Input Mult Output) rendzer, modellje a. ábrán látható. A -e é -e rotorok forgázöge megegyezk az óramutató járáával, míg az -e é -a rotorok forgázöge ellentéte az óramutató járáával. A rotorok fx állázögűek. A robothelkopter tömegközéppontjához kötött oxyz mozgó koordnátarendzer (B-frame) módoított Euler zöge a földhöz kötött vonatkozá koordnátarendzerhez OXYZ vzonyítva (E-frame) a következők: (avará-roll), θ (bllenté-pth), ψ (forgatá-roll). 7

3 A robothelkopter függőlege mozgáát a négy robot zögebeégének együtte növeléével vagy ökkentéével rányítjuk [-].. ábra Négyrotoro robothelkopter modellje Az x,y,z tengelyek körül forgómozgáokat (avará, bllenté, forgatá) a. ábra zernt valóítjuk meg.. ábra a) Emelkedé, b) avará, ) bllenté, d) forgatá Az oldalrányú mozgát az egymá mellett lévő rotorok zögebeégének változtatáával lehet megvalóítan. A robothelkopter a következő elektronku modulokból van felépítve: repülé-rányító központ modul, motorvezérlő modul, grozkóp é gyorulámérő modul, elektronku ránytű modul, helyzet meghatá- 7

4 rozó é magaágmérő modul, barommetrku zenzor modul, vlágítá é helyzetjelző modul. Alkalma nagyfelbontáú vdeó ezközök megemeléére é a térben elhelyezkedő kválaztott éltárgyak eléréére. A navgáó rendzerek együtteét tartalmazó repülő zerkezet a kegézítő GPS é elektronku ránytű egítégével magától repülhet. A kéz rányítá folyamatában át lehet adn a repülé felügyeletét a fedélzeten elhelyezet GPS robot plótának. Négy rotoro robothelkopter knematka é dnamka modellje A merev tetnek tekntett hat zabadágfokú robothelkopter térbel mozgáát az 5. ábra zernt koordnátarendzerekben vzgáljuk: 5. ábra A robothelkopter tömegközéppontjához kötött oxyz mozgó- (B-frame) é a földhöz kötött OXYZ vonatkozá (E-frame) koordnátarendzerek A robothelkopter pozíóját é orentáóját a következő vektorral határozhatjuk meg [5-]: = [X Y Z θ ψ ] T () A mozgó koordnátarendzer orentáója a vonatkozá koordnátarendzerhez vzonyítva leírható a következő rotáó mátrxzal: R () a rendzer Jaob-féle mátrxa: R x J x T () ahol a T mátrx: 7

5 7 t t / / T () A x nulla mátrx, tovább jelöléek: = o, = n tb. Négyrotoro robothelkopter ebeégvektora a mozgó koordnátarendzerben: T z y x v (5) Így a négyrotoro robothelkopter knematka modellje felírható a következőképpen: v J (6) A dnamka modell felíráánál fgyelembe vezük a négyrotoro robothelkopter tömegét m é az átló nera mátrxát J. A rotorok négy felhajtóerőt:,,, é nyomatékot: M, M, M, M bztoítanak. Így négy bemenet é hat kmenet nagyágról bezélhetünk (x, y, z,,, ). A Newton törvények alkalmazáával felírhatjuk a robothelkopter dnamka modelljét []: m x K x x (7) m y K y y (8) m G z K z z (9) J x K l ()

6 () K l J y M M M J z M K () A fent kfejezéekben a következő jelöléek: K x, K y, K z, K, K, K kíérlettel meghatározható légellenállá tényezőket jelentenek. Négyrotoro robothelkopter rányítáa Az rányítának az a feladata, hogy a tömegközépponthoz kötött mozgó koordnátarendzer orgójának a ebeége é a tengelyek zögebeége a repülé feladatnak megfelelően változzon a vonatkozá koordnátarendzerhez képet. A több bemenetű:,,,, é több kmenetű: x, y, z,,,, négyrotoro robothelkopter rányítá blokkvázlatát a 6. ábrán mutatjuk be []. A robothelkopter rányítá eljáráa a következők: PID rányítá, Bakteppng rányítá é uzzy rányítá. A három rányítá eljárá eredményet a robothelkopter pályaköveté feladata eetében a 7. ábrán mutatjuk be []. 6. ábra A négyrotoro robothelkopter rányítá blokkvázlata 7

7 Refferene Bakteppng - - PID uzzy ábra Három rányítá eljárá alkalmazáa pályaköveté feladat eetében Özegzé A közlemény több bemenetű é több kmenetű négy rotoro robothelkopter modelljével é rányítáával foglalkozk. Áttekntettük a négy rotoro robothelkopter felépítéét, knematkáját é dnamkáját. Mozgáát a tömegközéppontjához kötött mozgóé a földhöz kötött vonatkozá koordnátarendzerben vzgáltuk. Bemutattuk egyre bővülő alkalmazá területet. elhaznált rodalom:. Alekandar Rodć, Gyula Meter, Ivan Stojkovć, Qualtatve Evaluaton of lght Controller Performane for Autonomou Quadrotor, n Intellgent Sytem: Model and Applaton, Endre Pap (Ed.), Top n Intellgent Engneerng and Informat, Vol., Part., ISSN 9-9, e- ISSN 9-9X, ISBN , e-isbn , DOI.7/ _7, Sprnger,, pp Alekandar Rodć, Gyula Meter, The Modelng and Smulaton of an Autonomou Quad-Rotor Mroopter n a Vrtual Outdoor Senaro, Ata 75

8 Polytehna Hungara, Journal of Appled Sene, Vol. 8, Iue No., Budapet, Hungary,, pp Alekandar Rodć, Gyula Meter, "Ambentally Aware B- untonal Ground-Aeral Robot-Senor Networked Sytem for Remote Envronmental Survellane and Montorng Tak", Proeedng of the 55th ETRAN Conferene, Seton Robot, Vol. RO.5, pp -, ISBN , Banja Vruća, Bona and Herzegovna,.. Alekandar Rodć, Gyula Meter, "Modelng and Smulaton of Quad-rotor Dynam and Spatal Navgaton", Proeedng of the SISY, 9th IEEE Internatonal Sympoum on Intellgent Sytem and Informat, pp -8, ISBN: , DOI:.9/SISY..65, Subota, Serba,. 5. C. Lebre, V. Santo, N. M. onea errera and J. A. Tenrero Mahado, Applaton of ratonal Controller for Quad Rotor, Nonlnear Sene and Complexty, Part 6, DOI:.7/ _5, Sprnger,, pp J. Coelho, R. Neto, C. Lebre, V. Santo: Applaton of ratonal Algorthm n Control of a Quad Rotor lght, Proeedng of the nd Conferene on Nonlnear Seneand Complexty, Porto, Portugal, July 8-, 8, pp Tommao Brean, Modellng, Identfaton and Control of a Quadrotor Helopter, Department of Automat Control, Lund Unverty, ISSN 8-56, ISRN LUTD/TRT/58.SE, Otober B. Slano, O. Khatb, Ed., Handbook of Robot, Sprnger, ISBN: , 8, pp Barne W., MCormk, W., Aerodynam Aeronaut and lght Mehan. New York: Wley, Gordon Lehman, J., Prnple of Helopter Aerodynam, Seond Edton, Cambrdge Unverty Pre, Etkn, B., Red L. R., Dynam of lght- Stablty and Control. JohnWley & Son. New York, Catllo, P. Dzul, A. Lozano, R. Stablzaton of a Mn Rotorraft Havng our Rotor, Control Sytem Magazne, Vol. 5, No. 6, 5, pp Benallegue A, Mter V, M Srd NK, Exat lnearzaton and nonnteratng ontrol of a rotor helopter va dynam feedbak. IEEE Internatonal Workhop on Robot and Human Interatve Communaton,, pp Arraft X65 Quad-rotor, raftx65-quadopterquadrotor/ 76