Sistem Robotic de Tip Quadrocopter

Sistem Robotic de Tip Quadrocopter

Byadmin ianuarie 1, 2024

1. Introducere

SCOPUL

Prezenta lucrare are ca scop introducerea în lumea roboților, prezentarea unui sistem robotic de tip quadrocopter, modelul matematic al unui astfel de sistem, etapele construcției pas cu pas a acestuia și punerea în funcțiune pentru a executa mișcările de bază throttle, roll, pitch, yaw, cât și setarea unui controller PID pentru stabilizarea întregului sistem.

MOTIVAȚIA

Motivul alegerii prezentei teme a fost interesul față de lucrările practice, în special față de roboți, lucrări care la final au mobilitate, se pot mișca pe sol sau în aer. Un alt motiv a fost cererea de piață din orașul nostru pentru un astfel de sistem, folosit pentru filmări aeriene atât de posturile de televiziune locale cât și de fotografii și cameramanii profesioniști și amatori.

2. ROBOTICĂ

2.1 INTRODUCERE

Robotica este știința care studiază proiectarea, fabricarea și conducerea roboților, se afla la granița dintre mecanică, electronică și programare, iar persoanele care lucrează în acest domeniu se numesc roboticieni.

Termenul de „robotică”, „robotics”, a fost folosit prima dată de scriitorul și omul de știință american de origine rusă, Isaac Asimov, într-o povestioară numită “Runaround”, în anul 1942. În aceasta a formulat trei legi ale roboticii, sau ale existenței unui robot, iar ulterior a formulat și legea zero a roboticii, legea supremă ce modifică corespunzător celelalte trei legi ca urmare a acesteia. Cele patru legi sunt:

Legea zero: un robot nu are voie să provoace vreun rău umanității, sau prin inactivitate să permită vreun rău umanității;

Legea unu: un robot nu are voie să rănească o persoană umană, sau să permită ranireaunei personae umane prin inactivitatea acestuia, cu excepția cazului când aceasta legecontravine cu vreo lege anterioară;

Legea doi: un robot trebuie să respecte toate ordinele date de o persoană umană, cu excepția acelor reguli care intră în conflict cu vreo lege anterioară;

Legea trei: un robot trebuie să-și protejeze propria existență atâta timp cât această activitate nu intra în conflict cu legile anterioare.

Un aspect foarte important în evoluția umanității este folosirea diferitelor unelte care să ne ușureze munca, în special cea fizică, categorie în care putem înscrie și roboții, dar prin ocuparea unei poziții mai înalte datorită complexității acestora.

Termenul de„robot” apare pentru prima dată în 1921, în piesa scriitorului ceh Karel Capek, "Rossum's Universal Robots", "Robotul universal al lui Kossum", și provine din limba slavă, de la cuvântul „robota”, care înseamnă „muncă forțată”. Ideea piesei era că omul a construit robotul, după care robotul a ucis omul, idee care se ragasește în numeroase filme, menite să demonstreze că roboții sunt mașini dăunătoare, distrugătoare.

Revoluția informatică, marcând trecerea de la societatea industrializată la cea avansat informatizată, aducând înnoiri în tehnologie și educație, a facilitat construcția și dezvoltarea roboților.

Aceștia aduc beneficii mari în special muncitorilor, prin înlocuirea lor în spații și condiții periculoase sau dăunătoare omului.

Domeniile de utilizare a roboților se lărgesc zi de zi, aceștia fiind utilizați în industrie, transporturi, agricultură, în servicii, în cunoașterea și explorarea pământului, mărilor, oceanelor și chiar a spațiului cosmic, în cercetarea științifică, etc.

2.2 CLASIFICAREA ROBOȚILOR

După gradul de mobilitate, roboții se împart în două categorii:

Fixi;

Mobili.

După informația de intrare și metoda de instruire, roboții sunt:

Acționați de om;

Cu sistem de comandă cu relee, secvențial;

Cu sistem secvențial, cu program modificabil;

Repetitori, cu programare prininstruire;

Inteligenți.

După sistemul de coordonate utilizat, roboții se pot mișca:

În sistem de coordonate carteziene;

În sistem de coordonate cilindrice;

În sistem de coordonate sferice.

După sistemul de comandă sunt:

Comandă punct cu punct: unde nu interesează traiectoria propriu-zisă;

Comandă pe contur: implică coordonarea mișcării axelor;

Comandă pe întreaga traiectorie: implică toți parametrii de mișcare.

După sistemul de acționare sunt roboți:

Cu acționare hidraulică;

Cu acționare pneumatică;

Cu acționare electrică;

Cu acționare mixtă.

După tipul de programare, roboții pot fi:

Cu programare rigidă: fără posibilitate de corecție a programului;

Cu programare flexibilă: este posibilă modificarea programului;

Cu programare adaptivă: este posibilă adaptarea automată a programului în timpul funcționării.

2.3 ROBOȚI MOBILI

Din experiența multor universități de prestigiu din lume s-a confirmat faptul că roboții mobili, în special cei programabili, sunt sisteme mecatronice utilizate pentru a spori creativitatea și interesul studenților față de știință.

2.3.1 DEFINIȚIE

Roboții mobili sunt sisteme complexe ce se deplasează în anumite medii fără intervenția umană și pot realiza diverse activități în situații specifice lumii reale. Aceștia sunt de fapt dispozitive echipate cu servomotoare și senzori, controlate de un sistem ierarhic de calcul, care operează într-un spațiu real, marcat de o serie de proprietăți fizice, cum ar fi gravitația, ce influențează mișcările roboților ce acționează pe pământ și care are menirea de a planifica mișcarea robotului astfel încât să poată realiza sarcini în funtie de starea inițială a sistemului și în funcție de informația apriori existentă în mediul de lucru.

2.3.2 CARACTERISTICI

Principala caracteristică a roboților mobili este mobilitatea. Există o mare varietate de roboți mobili și o amplă paletă în utilizarea acestora.

După dimensiunile acestora există:

Macro-roboți;

Micro-roboți;

Nano-roboți.

După mediul în care acționează există:

Roboți tereștri: se deplasează pe sol;

Roboți subacvatici: se deplasează în apă;

Roboți zburători: se deplasează în aer;

Roboți extratereștri: se deplasează pe solul altor planete sau în spațiul cosmic.

Față de roboții industriali, roboții mobili întâmpina probleme legate de stabilitate, propulsie, comandă și control. Dacă robotul se deplasează singur există probleme legate de soft, alegerea traseului și ocolirea obstacolelor. Dacă acesta se deplasează prin telecomandare sau radioghidare există probleme la transmiterea și recepționarea informației de la și către robot.

Roboții mobili își găsește multiple întrebuințări datorită funcțiilor multiple pe care le pot realiza.

2.3.3 ROBOȚI MOBILI TELEOPERAȚI: APLICAȚII ÎN MEDII OSTILE

Detectarea minelor antipersonal

Detectarea și înlăturarea minelor antipersonal este o operațiune periculoasă și costisitoare, pentru aceasta existând numeroase proiecte ce încearcă rezolvarea problemei. Soluțiile constau de obicei într-un robot mobil, ca unitate de execuție, un algoritm de scanare a suprafețelor ce trebuie eliberate și un sistem de detonare sau dezamorsare a minelor. Scanarea se face în funcție de tipul minelor, folosind diverși senzori: senzor infraroru, senzor electro-optic, detector de metale, senzor spectral, dispozitive radar cu lungimi de undă diferite, detectarea de particule cu sarcini, senzori de unde acustice, senzori chimici și biologici, etc.

Fig. 2.1 – Robot mobil detector de mine antipersonal folosit în Afganistan [a]

Inspecția zonelor contaminate nuclear

Un astfel de robot trebuie să fie conceput astfel încât să facă față unor asemenea situații, să nu fie afectat de radiații ridicate, să depășească obstacole de diferite forme rezultate în urma unor explozii și să furnizeze date precise persoanei care îl operează.

Fig. 2.2 – T-Hawk. Robot aerian folosit la inspecția dezastrului de la Fukushima [b]

Intervenții în cazul amenințărilor cu bombă și a munițiilor neexplodate

Acest gen de roboți pot urca și coborâ scări, deschide uși și pot ridica obiecte. În multe cazuri sunt echipați cu un sistem folosit pentru detonarea voită a explozibililor.

Fig. 2.3 – Robot mobil folosit pentru a detecta dispozitive explozive capcană [c]

Fig. 2.4 – Robot mobil echipat cu disruptor (dispozitiv pentru distrugerea bombelor) [d]

Roboți mobili utilizați în cercetări spațiale

Un foarte cunoscut robot mobil teleoperat este Sojourner, conceput de JPL (Jet Propulsion Laboratory), un laborator al NASA, în cadrul proiectului Mars Pathfinder. Sojourner are șase roti motoare atașate unui șasiu inovativ conceput de NASA pentru a face față solului planetei Marte, cunoscut pentru multitudinea de obstacole de diferite dimensiuni.

Fig. 2.5 – Robot mobil Sojourner [e]

2.3.4 ROBOȚI MOBILI TELEOPERAȚI: APLICAȚII ÎN ZONE INACCESIBILE OMULUI

Inspecția conductelor

Roboții mobili folosiți la inspecția conductelor sunt formați din mai multe părți: robotul mobil ce oferă platformă locomotorie, o cameră de filmat montată pe un sistem ce permite rotirea și înclinarea acesteia și unelte utilizate la reparații sau testare. Câteva teste ce pot fi realizate în conducte sunt: probe cu lichide penetrante, scanări ultrasonice, scanări cu raze X, etc.

Fig. 2.6 – Robot mobil folosit la inspecția conductelor liniare [f]

Inspectarea zonelor greu accesibile

Pentru a ajunge în zone inaccesibile oamenilor, roboții trebuie să aibă dimensiuni reduse, însă aceasta afectează calitatea teleprezenței, în special calitatea imaginilor surprinse care este scăzută din cauza distanței foarte mici la sol. Pentru a scăpa de aceste probleme au fost construiți roboți mobili care își modifica forma în timpul utilizării.

Aplicații importante ale acestor tipuri de roboți ar fi: descoperirea de victime în cazul unor cutremure sau explozii, inspecții ale clădirilor, în special ale fundațiilor, etc.

Fig. 2.7 – Robot mobil ce își modifică forma în timpul operării [g]

Roboți subacvatici

Sunt roboți care acționează la adâncimi foarte mari, până la 7000-8000 de metri adâncime. Printre principalele aplicații ale acestora se numără: detectarea de epave, cartografierea, scoaterea la suprafață a diverselor obiecte cum ar fi bucăți de epave, aparate de zbor scufundate, inspecția epavelor, salvarea scufundătorilor, etc.

Fig. 2.8 – Robot subacvatic de recunoaștere [h]

Roboți mobili militari

În cadrul armatei folosirea roboților mobili are numeroase avantaje spre exemplu: efectuarea operațiunilor de recunoaștere și spionaj fără riscul de pierderi omenești sau divulgare de informații la o eventuală capturare a acestora, suport logistic, transport de combustibil, muniție sau medicamente, operațiuni de căutare și salvare, evacuarea soldaților răniți, etc.

Fig. 2.9 – Robot mobil militar folosit la transport [i]

3. QUADROCOPTER

Acest capitol prezintă principiile de funcționare și modelul matematic al unui vehicul zburător inteligent cunoscut sub numele de quadrocopter, quadcopter sau quadrotor.

3.1. CE ESTE UN QUADROCOPTER?

Un quadrocopter este un elicopter cu patru motoare, cu diferența că designul mecanic este mai simplu la elicopter, iar quadrocopterul își schimbă direcția prin manipularea individuală a vitezei elicelor și nu necesită un control ciclic și colectiv pentru înclinarea vehiculului. Motoarele sunt direcționate în sus și sunt plasate într-o formă pătratică la distanțe egale față de centrul vehiculului.

Un quadrocopter este controlat prin ajustarea vitezei unghiulare a motoarelor. Acestea au un design tipic pentru vehiculele aeriene mici, fără pilot, din cauza structurii simple.

Utilitatea acestora se remarcă în aplicațiile de supraveghere, căutare și salvare, inspecții de construcții și multe altele.

Quadrocopterele au primit o atenție considerabilă din partea cercetătorilor și au generat mai multe puncte de interes. Modelul dinamic al acestora este punctul de plecare al tuturor studiilor, dar au fost introduse, de asemenea, și proprietăți aerodinamice mai complexe [1, 2].

Problema principală a quadrocopterelor este sistemul de echilibru și stabilitate. Cele mai multe dintre acestea sunt dezechilibrate și pierd stabilitatea în cazul în care există perturbări directe, cum ar fi vântul.

Au fost dezvoltate diferite metode de control, precum controlerele PID, controlul backstepping, controlul nonlinear H∞, controlere LQR și controlere nelineare cu saturație imbricată. [3, 4, 5, 6, 9, 10, 11] Metodele de control necesită informații corecte de la poziția și comportamentul măsurătorilor efectuate cu un giroscop, accelerometru și alte dispozitive de măsurare cum ar fi GPS, sau senzori cu sonar și laser [12, 13].

3.2. ISTORIC

Louis Breguet și Jacques Breguet, doi frați care lucrau sub supravegherea profesorului Charles Richet, au fost primii care au construit un quadrotor, pe care l-au numit „Breguet Richet Gyroplane No. 1”. Primul zbor demonstrativ al Giroplanului Nr. 1 a fost în data de 29 septembrie 1907, fiind primul elicopter care s-a ridicat de la sol. În imaginea de mai jos este prezentat gigantul quadrotor cu elice dublu stratificate, pregătit pentru primul zbor.

Fig. 3.2.1 – Breguet Richet Gyroplane No. 1 [j]

Mai târziu, două designuri asemănătoare au fost dezvoltate și au dus la realizarea unor zboruri experimentale. Primul, realizat de Georges de Bothezat și Ivan Jerome în 1922, avea elice cu șase lame așezate la capetele cadrului în formă de „X”. Acesta a fost ridicat de la sol în data de 18 decembrie 1922, urmând ca în următoarele zboruri din 19 ianuarie 1923 și 17 aprilie 1923 să ridice două, respectiv patru persoane de la sol și reușind să se mențină în aer timp de câteva minute. Până la sfârșitul anului 1923 acesta reușește să se desprindă de la sol de aproape 100 de ori.

Fig. 3.2.2 – Quadrotor realizat de George de Bothezat, 18 decembrie 1922 [k]

Al doilea, prezentat în Fig. 3.2.3, a fost construit de Etienne Oemichen în 1924 și a atins o distanță de zbor record în acea perioadă, zburând 1 Km.

Fig. 3.2.3 – Quadrotor realizat de Etienne Oemichen, 1924 [l]

În prezent, în afară de utilizările militare, vehiculele aeriene fără pilot sunt utilizate în numeroase aplicații comerciale și industriale, printre acestea făcându-se remarcate elicopterul fără pilot folosit la pulverizarea recoltelor, sistemul autonom pentru teledetecții geologice, STARMAC Waslander fiind un multi-agent autonom folosit pentru activități legate de securitate sau kitul autonom DraganFlyer Inc., care a devenit o alegere populară pentru cartografiere aeriană și cinematografie.

3.3. DETALII TEORETICE

Acest subcapitol conține înțelegerea structurii quadcopter-ului și modelarea matematică de bază a acestuia.

3.3.1 MECANISMUL DE MIȘCARE AL QUADROCOPTERULUI

Quadrocopterul poate fi descris ca un vehicul mic cu patru elice atașate de patru rotoare, localizate la capetele brațelor frame-ului. Vitezele acestor patru elice sunt independente, dar direcțiile de rotație ale acestora diferă, două dintre acestea rotindu-se în sensul acelor de ceasornic, respectiv 1 și 2 (CW = Clock Wise), iar celelalte două în sens contrar acelor de ceasornic, respectiv 3 și 4 (CCW = Counter Clock Wise). Acestea sunt evidențiate în figură de mai jos.

Fig. 3.3.1.1

În mod independent, pitch-ul, roll-ul și yaw-ul pot fi controlate ușor. Acestea sunt evidențiate în figurile 3.3.1.2, 3.3.1.3 și 3.3.1.4 prin săgețile verzi din fiecare figură.

Fig. 3.3.1.2 – Pitch

Fig. 3.3.1.3 – Roll

Fig. 3.3.1.4 – Yaw

Quadcopterul are patru cupluri de rotatie. Mișcarea Quadcopterului poate fi controlată prin intermediul forței de tracțiune produsă (ca rezultanta a celor 4 cupluri de rotatie). Această forță de tracțiune poate fi controlată de viteza de rotatie a fiecărei elice.

3.3.2 MECANISMUL DE DECOLARE ȘI ATERIZARE

Decolarea este mișcarea quadcopter-ului prin care acesta se ridică de la sol și ajunge în poziția de planare, iar aterizarea este acțiunea inversă decolării.

Decolarea (aterizarea) este controlată prin creșterea (scăderea) simultană a vitezei celor patru elice, ceea ce înseamnă schimbarea mișcării verticale. În figură 3.3.2.1 este ilustrată decolarea quadrocopterului.

Fig. 3.3.2.1

3.3.3 MIȘCAREA ÎNAINTE ȘI ÎNAPOI

Mișcarea înainte (înapoi) este controlată prin creșterea (scăderea) vitezei elicelor din spate (din față). Scăderea (creșterea) vitezei simultană atât a elicelor din față cât și a celor din spate va afecta unghiul mișcării de pitch al quadcopterului. Mișcarea înainte a quadrocopterului este reprezentată în figura de mai jos prin săgețile roșii și albastre din interiorul fiecărui motor.

Fig. 3.3.3.1

3.3.4 MIȘCAREA LA STÂNGA ȘI LA DREAPTA ÎN JURUL PROPRIEI AXE

Mișcarea la strângă sau la dreapta în jurul propriei axe, poate fi controlată prin schimbarea unghiului de girație al quadcopterului. Unghiul de girație poate fi controlat prin creșterea (scăderea) vitezei elicelor în sensul opus acelor de ceasornic (elicele 1 și 2), în timp ce are loc și scăderea (creșterea) vitezei elicelor în sensul acelor de ceasornic (elicele 3 și 4). Mișcarea spre dreapta este evidențiata în figură de mai jos prin creșterea vitezei elicelor 1 și 2.

Fig. 3.3.4.1

3.3.5 MIȘCAREA „STATICĂ” SAU MENȚINEREA ALTITUDINII

Mișcarea „statică” sau menținerea altitudinii a quadcopter-ului este realizată prin mișcarea unei perechi de elice în sensul acelor de ceasornic și a celeilalte perechi în sensul invers al acelor de ceasornic cu aceeași viteză. Prin rotirea a doua elice într-un sens și a celorlalte două în sens invers, suma totală a cuplului de reacție este zero, acest lucru permițându-i quadrocopter-ului să ajungă în poziție statică sau de menținere a altitudinii.

3.3.6 MODELUL MATEMATIC AL QUADROCOPTER-ULUI

Mișcarea schematică a quadrocopterului este prezentată în figura 3.3.6.1, iar pe baza acestei scheme modelul matematic al quadrocopter-ului este prezentat mai jos.

Fig. 3.3.6.1

Unde,

u1 = suma forței de tracțiune a fiecărei elice

Th1 = forța de tracțiune generată de elicea frontală -dreapta

Th2 = forța de tracțiune generată de elicea spate – stânga

Th3 = forța de tracțiune generată de elicea frontală – stânga

Th4 = forța de tracțiune generată de elicea spate – dreapta

m = masa quadrocopter-ului

g = accelerația gravitațională

l = jumătate din lungimea quadrocopter-ului

x,y,z = trei poziții

φ, θ, ψ = trei unghiuri Euler reprezentând pitch, roll și yaw

Formularea dinamică a mișcării quadrocopter-ului trecând de la poziția de aterizare la un punct fix în spațiu este:

Rxyz=

Unde,

R= matricea de rotație a frame-ului

Sθ=Sin(θ), Sφ=Sin(φ), Sψ=Sin(ψ) (3.1)

Cθ=Cos(θ), Cφ=Cos(φ), Cψ=Cos(ψ)

Figura 3.3.6.2 – Mișcarea unghiulară a quadrocopterului

Unghiurile φd și ψd din figura 3.3.6.2 sunt determinate folosind ecuațiile 3.2 și 3.3.

φd= tan-1( (3.2)

ψd=tan-1 (3.3)

Quadrocopter-ul are patru cupluri de intrare, U1,U2,U3 și U4 care influențează o anumită parte a quadrocopter-ului. U1 afectează altitudinea quadcopterului, în timp ce U2,U3 și U4 afectează unghiurile roll, pitch și respectiv yaw. Pentru a controla quadrocopter-ul, mișcarea acestuia este realizată prin controlul fiecărei variabile de intrare.

4. CONSTRUCȚIA QUADROCOPTERULUI

4.1 COMPONENTE NECESARE

Pentru realizarea practică a quadrocopter-ului am folosit componentele specificate în lista de mai jos:

1. 4 x Brațe din aluminiu;

2. 2 x Placi rotunde din fibră de sticlă reprezentând plăcile centrale de prindere a brațelor;

3. 4 x Distanțori din plastic;

4. 8 x Distanțori metalici;

5. 1 x Placă din fibră de sticlă pentru fixarea capacului;

6. 4 x Picioare din fibră de sticlă (înlocuite ulterior);

7. 4 x Picioare din aluminiu (înlocuite ulterior);

8. 4 x Picioare din polipropilen expandat;

9. 4 x Motoare fără perii, outrunnere, 880 kv ( kv = rotații/volt );

10. 4 x Drivere pentru motoare/ESC-uri de 20 A ( ESC = Electronic Speed Control );

11. 12 x Mufe tip bullets pentru conectarea motoarelor la ESC-uri;

12. 1 x Placă de distribuție;

13. 1 x Controller ArduCopter APM 2.6;

14. 1 x Modul GPS Compas;

15. 4 x Pensete + piulițe pentru prinderea elicelor;

16. 4 x Elice – două elice CW și două CCW;

17. 1 x Cutie din plastic folosită pe post de carcasa pentru controller;

18. 4 x Suporți din fibră de sticlă pentru prinderea motoarelor pe brațe ( înlocuite ulterior );

19. 4 x Suporți din aluminiu pentru prinderea motoarelor pe brațe;

20. 1 x Telecomanda + module de transmisie/recepție;

21. 1 x Baterie pentru alimentarea întregului sistem;

22. Alte componente: fire pentru conectare, banda izoliera, coliere de plastic tip șoricei, banda dublă adezivă, șuruburi M3 și M4, tub termocontractibil, benzi de cauciuc.

4.1.1 BRAȚE DIN ALUMINIU

Pentru brațele quadrocopter-ului am folosit patru bare pătrate din aluminiu, cu latura de 13 mm, o grosime a țevii de 0,5 mm și 255 mm lungime fiecare. Am folosit bare din aluminiu datorită greutății foarte scăzute și a rezistenței datorată formei pătrate. Acestea sunt vopsite în două culori, respectiv roșii și negre, pentru a se evidenția mai ușor fața și spatele quadrocopter-ului atât în zbor cât și la sol.

4.1.2 PLĂCILE CENTRALE DIN FIBRĂ DE STICLĂ

Am folosit placi rotunde din fibră de sticlă pentru cuplarea brațelor și crearea părții centrale a quadrocopterului în vederea montării ulterioare a celorlalte componente. Plăcile au un diametru de 100 mm și 1,5 mm grosime, sunt prevăzute în partea centrala cu un orificiu de 17 mm în diametru pentru trecerea cu ușurință a cablurilor, 8 găuri pentru șuruburi M4 cu care sunt prinse brațele și patru găuri pentru șuruburi M3 în vederea montării altor componente.

4.1.3 DISTANȚORI DIN PLASTIC

Am folosit patru distanțori din plastic, de 9 mm înălțime, cu filet interior la un capăt și filet exterior la capătul opus, conectați pe placa centrală cu șuruburi M3, pentru susținerea plăcii de distribuție deoarece aceasta prezintă lipituri în partea de jos și nu ar fi putut fi prinsă direct pe placa centrală.

4.1.4 DISTANȚORI METALICI

Patru distanțori metalici au fost folosiți pentru fixarea plăcii de distribuție și sutinerea capacului din plastic și a plăcii de fibră de sticlă de deasupra acestuia, având filet interior la ambele capete și o înălțime de 8 mm.

Am folosit alți patru distantori metalici, cu filet la ambele capete și o înălțime de 12 mm, pentru sustinerea controllerului.

4.1.5 PLACĂ DIN FIBRĂ DE STICLĂ

O altă plăcuță din fibră de sticlă a fost folosită pentru fixarea capacului din plastic, deoarece este destul de subțire și ar fi produs foarte multe vibrații și pentru o mai bună sustinere a controllerului.

4.1.6 PICIOARE DIN FIBRĂ DE STICLĂ

Prima variantă de picioare a fost confecționată din fibră de sticlă, având o greutate aproximativă de 40 grame, 70 mm înălțime și un diametru de 10 mm, prinderea de braț făcându-se cu șuruburi M3. Motivul pentru care au fost înlocuite este detaliat în subcapitolul 4.2 PARTEA PRACTICĂ.

4.1.7 PICIOARE DIN ALUMINIU

A doua variantă de picioare a fost confecționată din aluminiu, cu greutatea de 120 grame, o suprafață de prindere pe braț de 40 mm lungime, adică de patru ori mai mare decât la cele anterioare, o înălțime de 69 mm, iar prinderea făcându-se cu două șuruburi M3. Motivul pentru care au fost înlocuite este detaliat în subcapitolul 4.2 PARTEA PRACTICĂ.

4.1.8 PICIOARE DIN POLIPROPILEN EXPANDAT

Având nevoie de patru picioare cu o greutate foarte redusă, o suprafață mai mare de prindere pe braț pentru atenuarea șocurilor și în de-ajuns de rezistente, am ales în final să le confecționez din polipropilen expandat cu grosimea de 28 mm pe care l-am tăiat în bucăți cu înălțimea de 80 mm și aceiași dimensiune la prinderea pe braț, greutatea totală a acestora fiind de aproape 10 grame.

4.1.9 MOTOARE BRUSHLESS OUTRUNNERE

Pentru partea de acționare a elicelor am ales patru motoare brushless (fără perii), outrunnere (rotorul este carcasa motorului, aceasta conținând magneții și este partea motorului care se învârte, bobina aflându-se pe stator), având 880 kv (rotații / volt), o putere maximă de 243W și cântărind aproximativ 70 grame.

Fig. 4.1.9.1 – Motor Brushless Outrunner 880 kv [m]

Fig. 4.1.9.2 – Dimensiunile motorului [m]

Motoarele outrunnere sunt mult mai fiabile, curentul electric intrând direct în bobina statorului. Aceasta fiind fixă nu mai există contacte imperfecte și dau un randament mult mai bun. Raportul curentului consumat / forța dezvoltată de acestea este mult mai bună ca cea a motoarelor cu perii și greutatea este de asemenea mai mică. De asemenea, rotorul fiind în exterior, răcirea se face mult mai bine.

Spre deosebire de cele cu perii, motoarele fără perii nu pot fi conectate direct la o baterie în vederea pornirii. Acestea au nevoie de un controller de viteză pentru a putea fi pornite.

O altă caracteristică importantă a motoarelor fără perii este kv (rotații / volt), care indică numărul de rotații, ale acelui motor, pe volt, fără elice. Motoarele folosite de mine în proiect au 880 kv, ceea ce înseamnă că la o tensiune de 10 volți un motor va avea 8800 rotații pe minut.

4.1.9.1 PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL MOTORULUI BRUSHLESS

Motorul brushless are trei fire care duc la înfășurările statorului. Cel mai simplu model are trei înfășurări și patru magneți, modelele mai avansate fiind multipli acestora. Când se aplică curent pe o fază, ea crează un câmp magnetic care atrage un magnet, după care se trece la următoarea fază. Dacă fazele sunt ABC, ca să se miște în sesn orar, secventa fazelor este ABC ABC ABC etc., iar în sens trigonometric fazele sunt invers.

Controllerul trebuie să activeze unul sau două canale secvențial, astfel încât, cu cât secvența este mai rapidă, cu atât crește turația motorului.

4.1.10 DRIVERE PENTRU MOTOARE / ESC-URI

Cum am specificat și în subcapitolul anterior, motoarele fără perii nu pot fi conectate direct la o baterie în vederea pornirii, acestea având nevoie de un controller de viteză. Pentru cele patru motoare am folosit patru drivere de 20 amperi. Motivul pentru care am ales drivere de 20 A reiese din următorul calcul:

P (W) = U (V) * I (A) – Puterea este egală cu tensiunea înmulțită cu intensitatea curentului.

P = puterea motorului, măsurată în Wați;

U = tensiunea aplicată, măsurată în Volți;

I = intensitatea curentului, măsurată în Amperi.

Din această formulă trebuie să aflăm intensitatea curentului, adică numărul de amperi necesari pentru funcționarea optimă a unui motor.

Bateria folosită va fi LiPo 3S, adică va fi Lithium Polimer și va avea trei celule. Încărcată 100%, o baterie LiPo are o tensiune de 4,2 V/celulă, de unde rezultă că tensiunea unei baterii cu 3 celule este 4,2 V * 3 = 12,6 V, încărcată 100%.

P = 243W (valoare furnizată de firma producătoare a motorului)

P = U * I => 243W = 12,6V * I => I = 243W / 12,6V => I = 19,2 A

Din acest calcul a rezultat folosirea driverelor cu o intensitate a curentului de 20 amperi.

4.1.11 MUFE CONECTOARE TIP BULLETS

Am folosit 12 mufe mama/tata tip bullets pentru conectarea motoarelor la drivere. Am folosit acest tip de mufe deoarece au o dimensiune mică și sunt ușor atât de montat cât și de utilizat.

4.1.12 PLACĂ DE DISTRIBUȚIE

Pentru conectarea tuturor driverelor la baterie am evitat crearea de lipituri între cele opt fire, patru de la fiecare driver, fiind greu de prins și există riscul desprinderii firelor. Pentru aceasta am utilizat o placă de distribuție, având două circuite, unul pentru + și unul pentru – și o mufă de conectare a bateriei.

Fig. 4.1.12.1 – Placa de distribuție [s]

4.1.13 CONTROLLER ARDUCOPTER APM 2.6

4.1.13.1 CE ESTE ARDUCOPTER APM 2.6?

ArduCopter este o platformă ușor de configurat pentru multirotoare și elicoptere. Caracteristicile sale merg dincolo de cele de bază ale controlului manual al multicopterelor de pe piață. Spre deosebire de platformele obișnuite, ArduCopter este o soluție completă, oferind atât control de la distanță cât și zbor autonom, inclusiv planificarea de zboruri prin puncte de referință și transmisia telemetriei către o stație de sol puternică.

Pilotul automat al platformei se bazează pe APM 2 (ArduPilotMega 2), cel mai sofisticat open source IMU (Inerțial Measurement Unit) de pe piață, creat de comunitatea DIY Drone.

Caracteristicile includ:

– Compatibilitatea cu Arduino.

– Include senzorii pe 3 axe: giroscop, accelerometru și barometru de înaltă performanță.

– Comandă wireless și telemetrie pentru comunicația pe distanțe lungi.

– Interfață grafică pentru configurarea controllerului, parametrilor PID și a altor parametrii de zbor.

– Cipuri ATMEGA 2560 și ATMEGA32U-2 pentru procesare și respectiv funcție USB.

– Autolevel de înaltă calitate și control automat al înălțimii.

– Puncte de referință GPS nelimitate. Se setează punctele intermediere pe hartă din Mission Planer, iar acesta va zbura între acele puncte.

– Nu există limită de distanță.

– „Loiter” (staționare) oriunde. Se acționează butonul și quadrocopterul va rămâne pe poziție folosing GPS-ul și senzorul de altitudine.

– Întoarcerea la punctul de lansare. Se setează punctul de pornire oriunde, iar prin acționarea butonului quadrocopterul se va întoarce automat la punctul de plecare.

– Decolare și aterizare automată. Prin activarea comutatorului quadrocopterul va executa misiunea complet autonom, se va întoarce la punctul de plecare și va ateriza.

Fig. 4.1.13.1 Placă ArduCopter

Semnificația LED-urilor de pe placă este descrisă mai jos:

4.1.13.2 CE ESTE ARDUINO?

Arduino este o platformă de procesare open source, cu software și hardware flexibile și ușor de folosit, construită în jurul unui procesor de semnal, fiind capabilă să preia date din mediul înconjurător printr-o serie de senzori și să efectueze acțiuni asupra mediului prin intermediul dispozitivelor mecanice cum sunt, motoarele, servomotoarele, etc. Procesorul rulează cod scris într-un limbaj similar cu limbajul C++.

4.1.13.3 CONTROLLER PID

Un controller PID (proportional-integrator-derivativ) este un sistem de control bazat pe reacție/feedback. Acesta calculează o valoare de eroare ca diferență dintre o variabilă de proces măsurată și o valoare de referință dorită. Regulatorul încearcă minimizarea erorii prin ajustarea ieșirii de control a procesului.

Algoritmul de control PID implică trei parametrii constanți separați: proporțional, integrator și derivativ. Aceste valori pot fi interpretate în timp:

– P depinde de eroarea prezentă;

– I depinde de acumularea erorilor trecute;

– D este o predicție a erorii viitoare.

Suma acestor trei acțiuni este folosită pentru ajustarea procesului prin controlarea elementelor cum ar fi poziția unei valve de control, a unui motor, a unei surse de putere, sau în cazul de față, al stabilității quadrocopter-ului în aer.

Fig. 4.1.13.3 Algoritmul unui controller PID

4.1.14 MODUL GPS CU COMPAS

Datorită interferentelor magnetice create în special de baterie și drivere, am ales un modul extern GPS cu busola/compas, pentru a-l putea poziționa la distanță față de acestea, deoarece busola/compasul captează foarte ușor interferențele magnetice care produc erori mari în funcționarea corectă a acestuia. Câteva caracteristici ale modulului ar fi:

– Modul GPS cu busola inclusă;

– Cip principal: Ublox-6H;

– Flash și compensare a temperaturii;

– Înalta precizie și viteză foarte mare de căutare a sateliților;

– Compatibil cu portul I2C al controllerului.

Semnificația ledurilor modulului este descrisă mai jos:

4.1.15 PENSETE ȘI PIULIȚE

Pentru fixarea elicelor pe axul motor am folosit pensete și piulițe anti-desfacere, pentru fixarea sigură a acestora și evitarea deșurubării în timpul zborului.

Fig. 4.1.15.1 – Pensete [r]

4.1.16 ELICE

După consultarea mai multor astfel de proiecte și forumuri am ajuns la concluzia că elicele necesare unei funcționari corecte pentru motoarele din proiect ar fi de 10 inch, două CW și două CCW, în concluzie am folosit elicele din imaginea de mai jos, având următoarele specificații:

– Echilibru static și dinamic;

– Rezistența la impact;

– Dimensiuni: 10 x 4,7’’;

– Greutatea pentru două elice: 17,6 grame;

– Motor recomandat: 650kv – 1150 kv.

4.1.17 CUTIE DIN PLASTIC

Am folosit cutia din plastic pentru alimente pe post de carcasa pentru controller, o idee proprie, pentru a proteja partea de comandă de factorii exteriori cum sunt curenții de aer care s-ar fi format în jurul plăcii de comandă și care ar fi distorsionat foarte ușor barometrul, acesta fiind sensibil la schimbările de presiune atmosferică, cât și de razele directe ale soarelui care ar fi perturbat același senzor.

4.1.18 SUPORȚI DIN FIBRĂ DE STICLĂ PENTRU FIXAREA MOTOARELOR

Primul model de suporți pentru prinderea motoarelor a fost achiziționat odată cu acestea, fiind confecționați din fibră de sticlă, prinderea acestora pe brațe cât și a motoarelor făcându-se cu șuruburi M3. Au fost schimbate ulterior din cauza materialului destul de subțire și a elasticității acestuia, motoarele oscilând în timpul zborului și creând vibrații foarte mari în sistem.

4.1.19 SUPORȚI DIN ALUMINIU PENTRU FIXAREA MOTOARELOR

După ce am renunțat la vechii suporți, am construit unii din tablă de aluminiu cu grosimea de 2 mm, fiind mult mai solizi, cu o greutate relativ mică datorată materialului și o elasticitate foarte scăzută.

4.1.20 TELECOMANDĂ ȘI MODULE TRANSMISIE /RECEPȚIE

Modelul de telecomandă folosit este JR-8103A, prezentată în imaginea de mai jos, având 8 canale și modulele aferente de transmisie (cel montat la telecomandă) și recepție (cel montat pe quadrocopter).

4.1.21 BATERIE

După cum am specificat și in subcapitolul anterior legat de drivere, bateria este LiPo, cu o capacitate de 2200mAh, 3S (cu trei celule), de la firma Turnigy. Aceasta precum și specificațiile tehnice sunt detaliate mai jos.

Fig. – 4.1.21.1 Baterie [n]

Specificații:

Capacitate minimă: 2200mAh (încărcată 100%)

Configurație: 3S / 11.1v / 3 Celule

Descărcare constantă: 20C

Descărcare de vârf (10 sec.): 30C

Greutate: 188g

Dimensiuni: 103 x 33 x 24mm

Mufă de conectare la încărcător: JST-XH

Mufă de conectare la baterie: XT60

4.1.22 ALTE COMPONENTE

În această categorie ar intra restul de component care mi-au fost de folos la partea practică a proiectului cum ar fi: șuruburi M3 și M4, bandă izolieră pentru izolarea și fixarea firelor, fire pentru conexiunile dintre plăci, tub termocontractibil pe care l-am folosit la izolarea bullets-urilor, bandă dublă adezivă pentru fixarea bureților din partea de jos a frame-ului, coliere din plastic tip șoricei.

4.2 PARTEA PRACTICĂ

Construcția quadrocopterului a început prin montarea frame-ului, adică a celor patru brațe, de cele două placi centrale de, pe care sunt susținute. Inițial au fost montați patru distantori pe placa de sus pentru montajul ulterior al unei plăci de distribuție. Brațe sunt țevi pătrate fabricate din aluminiu, cu latura de 13 mm și o grosime a țevii de 0,5 mm, fiecare braț având o lungime de 255 mm. Cele două placi centrale sunt rotunde, cu un diametru de 100 mm, grosimea de 1,5 mm fiecare și sunt confecționate din fibră de sticlă. Acestea sunt prevăzute cu câte o gaură de 17 mm în centrul fiecărei placi pentru trecerea cablurilor, opt găuri pentru șuruburi M4 cu care sunt prinse brațele și patru găuri pentru șuruburi M3, pentru alte montaje.

După montarea frame-ului s-a continuat cu montarea celor patru motoare. Acestea au fost montate cu ajutorul plăcutelor de prindere incluse, confecționate din fibră de sticlă, prinderea acestora pe brațe cât și a motoarelor făcându-se cu șuruburi M3.

Pentru montajul driverelor a fost nevoie în prima fază de montarea unor mufe mama de tip bullets la capătul de conectare a motoarelor, nu înainte ca și acestea din urmă să primească mufe tată de același tip. Am ales această variantă deoarece se pot cupla și dcupla foarte ușor, ne fiind nevoie de lipirea permanentă a driverelor de motoare. După realizarea lipiturilor fiecare mufă a fost izolată cu tub termocontractibil. Fixarea finală a driverelor de brațele frame-ului s-a făcut cu coliere de plastic, tip șoricei.

Pentru alimentarea driverelor de la baterie s-a folosit o placă de distribuție prevăzută cu o mufă mama XT60 pentru conectarea bateriei și găuri pentru lipirea firelor driverelor la circuitul de alimentare. Placa de distribuție a fost așezată pe distantorii montați inițial pe placa centrală a frame-ului.

Pentru prinderea următoarelor componente am montat distantori pe placa de distribuție, așa cum reiese și din imaginea de mai sus, pentru o mai bună fixare și pentru a nu afecta firele și lipiturile de pe placa de distribuție. Pe aceștia, în prima fază, a fost așezat capacul de plastic al cutiei în care o să fie introdusă placă de comandă și cablurile atașate acesteia, iar apoi o placă din fibră de sticlă pentru o mai bună fiaxare, deoarece capacul cutiei este confecționat dintr-un plastic destul de moale ce ar fi împiedicat prinderea și fixarea următoarelor componente. Atât capacul cutiei cât și placa de fibră de sticlă au fost fixate cu șuruburi de distantorii montați pe placa de distribuție, nu înainte de a crea orificii pentru introducerea cablurilor de la drivere în cutie, acestea fiind poziționate chiar în centrul capacului și al plăcii din fibră de sticlă.

După cum reiese și din imaginea anterioară, s-a continuat cu montarea plăcii de control Ardupilot care a fost așezată pe patru distantori montați pe placa din fibră de sticlă, pentru trecerea cu ușurință a cablurilor driverelor pe sub aceasta și evitarea eventualelor perturbații create de vibrațiile transmise de la motoare către frame. Fixarea acesteia a necesitat alegerea exactă a direcției de zbor a quadrocopter-ului (săgeata din mijlocul plăcii arată direcția de zbor), ca urmare am ales că brațele negre ale frame-ului să reprezinte partea din față.

După fixarea plăcii Ardupilot și conectarea firelor driverelor la ieșirile destinate acestora pe placa am continuat cu montajul modulului GPS cu compas. Montajul acestuia s-a făcut cu ajutorul unei bare din fibră de sticlă, în vârful căreia a fost fixat modulul. S-a folosit această metodă deoarece compasul este foarte sensibil la câmpurile electromagnetice emise de alte circuite și se recomandă montarea lui la distanță, unde să nu interfereze cu restul circuitelor electrice. Ca și placa Ardupilot și acesta trebuie montat în direcția corectă după cum este indicat pe carcasa acestuia, direcție care trebuie să fie identică cu cea a plăcii Ardupilot. Ulterior s-au dat găuri în cutie pentru trecerea firelor GPS-ului și a barei de fibră care îl susține.

Am folosit cutia de alimente din plastic, o idee proprie, pentru a proteja partea de comandă de factorii exteriori cum sunt curenții de aer care s-ar fi format în jurul plăcii de comandă și care ar fi distorsionat foarte ușor barometrul, acesta fiind sensibil la schimbările de presiune atmosferică, cât și de razele directe ale soarelui care ar fi perturbat același senzor. Aceasta a căpătat mai multe orificii pentru trecerea cablurilor și fixarea în șuruburi.

Deoarece modulul GPS trebuia fixat permanent în acea poziție, pentru a se evita viitoarele demontări și deplasări ale acestuia (din cauza nevoii deschiderii cutiei pentru a ajunge la placă de control), după mai multe încercări am găsit o poziționare mai bună a acestuia în afara cutiei, prins pe o mică placă de fibră de sticlă atașată plăcii centrale din partea de jos a frame-ului.

Construcția unor picioare pe care să poată ateriza a fost un proces care a durat câteva săptămâni deoarece s-au schimbat de mai multe ori atât formă cât și materialul din care au fost confecționate. Primele picioare au fost construite din bare de fibră de sticlă, având înălțimea de 70 mm și o grosime de 10 mm, prinderea făcându-se cu șuruburi M3 pe fiecare braț, în apropierea motoarelor.

Deoarece aterizările nu sunt mereu lente, întregul sistem suferă șocuri la fiecare aterizare. Problema primului model de picioare era suprafața de prindere pe braț, aceasta fiind foarte mică și prinderea într-un singur șurub ar fi cauzat aproape la fiecare aterizare șocuri în punctul de prindere, șocuri care ar fi dus la strâmbarea brațelor și efectiv la dezechilibrul întregului sistem. Singurul avantaj al acestora ar fi fost greutatea mică datorată materialului, toate cele patru picioare având sub 40 grame. Pentru a doua variantă de picioare materialul folosit a fost aluminiul, acestea fiind mult mai solide, cu o suprafață de prindere pe braț de 40 mm lungime, adică de patru ori mai mare decât la cele anterioare, o înălțime de 69 mm, iar prinderea făcându-se cu două șuruburi M3. Pe vârful acestora au fost lipite bucăți de cauciuc cu o elasticitate mai mare pentru amortizarea sistemului la impactul cu solul.

Cu toate că stabilitatea este mai bună și sunt mult mai rigide, un mare dezavantaj al acestora îl constituia greutatea destul de mare, aceasta fiind de 120 grame pentru cele patru picioare, fapt ce a condus la construirea unui nou model de picioare, dintr-un material mult mai ușor.

Pentru acestea am ales polipropilenul expandat, având o greutat foarte mică, toate cele patru picioare având până în 10 grame, și o rezistență în de-ajuns de mare pentru a susține întregul sistem la aterizare. Acestea au fost tăiate în cuburi cu latura de 80 mm, având grosimea de 28 mm, cu o suprafață de prindere pe braț de aproximativ 80 mm, adică dublu față de cele anterioare, fixarea acestora facându-se cu coliere din plastic tip șoricei.

Pentru montarea elicelor am folosit pensete și piulițe antidesfacere pentru a evita eventualele vibrații datorate piulițelor obișnuite și pentru a nu avea surpriză că în aer acestea s-ar fi deșurubat.

În continuare a fost conectat modulul RX pentru receptarea semnalului de la telecomandă, acesta fiind așezat în interiorul cutiei de plastic și conectat la pinii de intrare ai controller-ului prin trei fire cu mufe la capete.

Ultimul pas înainte de introducerea codului și ajustarea setărilor necesare ale controllerului pentru frame-ul și componentele din proiect a fost conectarea bateriei. Aceasta a fost așezată la baza frame-ului, pe placa centrală de jos, fiind fixată cu o bandă cu scai și conectată la placă de distribuție printr-o mufă XT60.

Fig. 4.2.1 – Mission Planner [o]

Pentru partea de programare și setare a controller-ului am folosit codul open source al platformei ArduCopter APM 2.6, pentru multicoptere, iar setările necesare s-au realizat cu programul Mission Planner, prezentat în imaginea de mai sus.

Acesta a fost creat de Michael Oborne, iar funcționalitatea sa este mult mai vastă decât numele propriu-zis. Câteva dintre funcțiile acestuia ar fi:

– Setarea cu ajutorul Google Maps a punctelor de referință între care quadrocopterul poate zbura automat.

– Stație de sol completă pentru monitorizarea misiunilor și trimiterea de comenzi în timpul zborului.

– Selectarea de comenzi pentru misiune dintr-un meniu drop-down.

– Descărcarea jurnalului misiunii și analizarea acestuia.

– Configurarea setărilor APM-ului pentru diferite frame-uri.

– Poate citi ieșirea unui terminal serial al APM-ului.

– Oferă aces rapid la setările parametrilor PID și a altor parametri din sitem.

Fig. 4.2.2 – Mission Planner [o]

La conectarea bateriei, inițial se vor calibra driverele, etapă care va fi sesizată print-o scurtă melodie făcută de acestea. Această etapă se reia de fiecare dată când bateria este reconectată.

La conectarea controller-ului la PC și deschiderea programului Mission Planner, acesta verifică automat toate datele din controller, instalează ultima versiune de firmware în cazul în care acesta nu este updatat și oferă control asupra tuturor parametrilor de zbor, inclusiv a parametrilor PID în vederea ajustării acestora în cazul în care sistemul necesită acest lucru.

La prima conectare, programul îndruma operatorul să calibreze accelerometrul compasul și telecomanda. Aceastea se fac printr-o serie de mișcări prin care controllerul își setează puncte de orientare în spațiu, folosite apoi pentru stabilitatea în timpul zborului, pentru calibrarea accelerometrului si compasului, iar pentru calibrarea telecomenzii este nevoie de mișcarea tuturor butoanelor până la limitele acestora pentru a fi recunoscute de controller. Această procedură este evidențiată în imaginile de mai jos, primele două reprezentând calibrarea accelerometrului și a compasului, iar a treia poză înfățișează calibrarea telecomenzii.

Fig. 4.2.3 – Mission Planner [o]

După ce calibrarea a fost efectuată cu succes se pot realiza primele teste de zbor în vederea eventualelor ajustări.

După realizarea primelor teste am constatat o problemă la motoare, acestea producând oscilații foarte mari, oscilații care la rândul lor produceau vibrații în întregul sistem. Această problemă a fost cauzată de plăcuțele din fibră de sticlă pe care erau prinse motoarele, problemă datorată grosimii scăzute a acestora și elasticității materialului, acestea necesitând schimbarea imediată deoarece exista riscul fisurării acestora și inevitabil la fiecare zbor controllerul ar fi fost bruiat de vibrații. În locul acestora am realizat din tablă de aluminiu cu grosimea de 2 mm noi prinderi pentru motoare, fiind ușoare și cu o elasticitate foarte scăzută față de cele anterioare, ajungând astfel la un sistem stabil care realizează funcțiile throttle, roll, pitch și yaw propuse la începutul proiectului și pe lângă acestea având funția de menținere a altitudinii, menținerea poziției și revenirea la punctul de plecare sau un punct de întoarcere setat.

Funcțiile throttle, roll, pitch și yaw (urcarea în altitudine, mișcarea stânga-dreapta, față-spate și rotirea în jurul axei Z) sunt practic comenzile de ghidare manuală a quadrocopter-ului efectuate de utilizator din telecomandă, iar restul funcțiilor se realizează cu ajutorul butoanelor suplimentare ale telecomenzii, prin acționarea acestora quadrocopterul își realizeaza funcțiile complet automat, cu ajutorul controllerului și a GPS-ului.

Parametrii PID sunt utilizați în toate funcțiile autonome pe care acesta le realizează. Pentru o mai bună înțelegere a acestora este detaliată în continuare folosirea lor.

Rata componentelor PID în funcția de Roll:

P – Rata prea mare a componentei proporționale va produce oscilații rapide în sistem și va cauza un sunet mai agresiv al motoarelor la semnalele de intrare ale stick-urilor (butoanelor de ghidare manuala ale telecomenzii), producând mai mult balansări decat un zbor lin în urma intrărilor. Se va balansa, de asemenea, la 100% throttle și la întoarceri mai grele. O rată prea mică a acesteia se va simți, de asemenea, în controlul sitemului, producându-se întârzieri în preluarea intrărilor.

I – O rată prea mare a componentei integratoare va produce oscilații la înălțimi mai mari, dar înainte de acestea va exercita alte efecte secundare asupra performanței de zbor, având tendințe de răsturnare la aterizare sau întregul sistem devenind mai lent. O rată prea mică a acesteia va lăsa sitemul să fie dirijat de o adiere de vânt constantă, apoi se va împotrivi acesteia folosind doar componenta proporțională.

D – O rată prea mare a componentei derivative va provoca oscilații rapide în sistem. O rată prea mică a acesteia va duce la incapabilitatea sistemului de a furniza o rată în de-ajuns de mare a componentei proporționale, efectul acesteia ducand la o componentă proporțională prea mică.

Rata componentelor PID în funcția de Pitch:

P – Rata prea mare a componentei proporționale va produce oscilații rapide în sistem și va cauza un sunet mai agresiv al motoarelor la semnalele de intrare ale stick-urilor (butoanelor de ghidare manuala ale telecomenzii), producând mai mult balansări decat un zbor lin în urma intrărilor. Se va balansa, de asemenea, la 100% throttle și la întoarceri mai grele. O rată prea mică a acesteia se va simți, de asemenea, în controlul sitemului, producându-se întârzieri în preluarea intrărilor.

I – O rată prea mare a componentei integratoare va produce oscilații la înălțimi mai mari, dar înainte de acestea va exercita alte efecte secundare asupra performanței de zbor, având tendințe de răsturnare la aterizare sau întregul sistem devenind mai lent. O rată prea mică a acesteia va lăsa sitemul să fie dirijat de o adiere de vânt constantă, apoi se va împotrivi acesteia folosind doar componenta proporțională.

D – O rată prea mare a componentei derivative provoacă oscilații rapide, iar o rată prea mică a acesteia va duce la incapabilitatea sistemului de a furniza o rată în de-ajuns de mare a componentei proporționale, efectul acesteia ducand la o componentă proporțională prea mică.

Rata componentelor PID în funcția de Yaw:

P – O componentă proportională mai mare duce la un control mai rapid al sistemului, în timp ce o valoare mai mică scade timpul de reacție.

Stabilizare Roll:

P – Componenta proporțională reprezintă rata dorită la care quadrocopterul va reveni la nivelul de roll dorit. Dacă valoarea este prea mare, va produce o oscilație.

I – Componenta integratoare actionează ca o contragreutate pentru a depăși un eventual dezechilibru al quadrocopterului. Definește timpul necesar pentru atingerea valorii maxime. O valoare mai mare înseamnă un sistem mai rapid.

Stabilizare Pitch:

P – Componenta proporțională reprezintă rata dorită la care quadrocopterul va reveni la nivelul de pitch dorit, înainte sau înapoi. Dacă valoarea este prea mare, va produce o oscilație.

I – Componenta integratoare actionează ca o contragreutate pentru a depăși un eventual dezechilibru al quadrocopterului. Definește timpul necesar pentru atingerea valorii maxime. O valoare mai mare înseamnă un sistem mai rapid.

Stabilizare Yaw:

P – Componenta proporțională reprezintă rata dorită la care quadrocopterul va reveni la obiectivul fixat. Dacă valoarea este prea mare, va produce o oscilație.

I – Componenta integratoare actionează ca o contragreutate pentru a depăși un eventual dezechilibru al quadrocopterului. Definește timpul necesar pentru atingerea valorii maxime. O valoare mai mare înseamnă un sistem mai rapid.

Viteza de menținere a poziției:

P – O componentă proporțională prea mică va duce la depăși punctului de poziție.

I – Componenta integratoare ajută la menținerea altitudinii în cazul vântului puternic (se setează 0 în cazul în care nu există vânt)

Rata componentelor PID în funcția de menținere a poziției:

P – Componenta proporțională reprezintă rata cu care quadrocopterul se va apropia de punctul țintă. Dacă aceasta nu este suficient de mare, quadrocopterul nu va fi capabil sa opună rezistență vântului puternic și va devia de la traseu. Dacă în schimb este prea mare, acesta va oscila în jurul punctului țintă.

I – Componenta integratoare va ajuta quadrocopterul în lupta cu vântul daca eroarea va fi zero. Se recomandă utilizarea acesteia cu prudență, deoarece o valoare prea mare va produce, de asemenea, o oscilatie.

Rata de accelerație:

P – Componenta proporțională reprezintă valoarea accelerației folosită pentru a schimba rata de urcare.

I – Componenta integratoare compensează eroarea în atingerea ratei de urcare dorită.

Menținerea altitudinii (ALT HOLD):

Dacă sunt probleme în ajustarea componentelor PI ale funcției de menținere a altitudinii trebuie mai întâi să avem în vedere eventualele vibrații produse de quadrocopter. Această problemă a fost întâlnită la primele teste când placuțele de prindere ale motoarelor produceau vibrații mari în sistem.

P – Componenta proporțională este folosită pentru convertirea erorii de altitudine în centimetri, pentru o rată de urcare dorită în centimetri/secundă. Cu cât aceasta este mai mare, cu atât rata de urcare este mai rapidă.

I – Componenta integratoare este folosită pentru copterele care au probleme în menținerea altitudinii, de obicei din cauza unei baterii cu un voltaj scăzut.

Aceștia sunt toți pașii care trebuie urmați și toate componentele necesare pentru construcția unui sistem de tip quadrocopter comandat ataât manual cât și autonom, printr-un controller PID si un GPS reușind să își ducă la bun sfârșit funcțiile.

4.3 TESTAREA SISTEMULUI

După finalizarea tuturor modificarilor, atât de natură mecanică, cât și pe partea de setare a controllerului am reușit să obțin un zbor stabil al întregului sistem, reușind să realizeze toate funcțiile propuse de throttle, yaw, pitch și roll în parametri corespunzători.

După mai multe manevre în care acesta a reusit să își mențină controlul au fost testate funcțiile de zbor autonom care i-au fost setate și care se comportau la fel de bine, reușind să își mențină atât altitudinea, cât si poziția. O altă funcție testată a fost cea de revenire la un punct de plecare, și aceasta reușind să se comporte în parametrii normali.

Pentru final a rămas de testat funcția de aterizare automată și mai multe încercări de aterizare manuală, deoarece este destul de grea realizarea unei aterizări line, aceasta necesitând mai multe teste de îndemânare din partea mea.

5. Concluzii

În zilele noastre roboții au un rol din ce în ce mai important în toate domeniile de activitate, începând de la mijloace de transport, până la exploatarea spațiului cosmic. Cu cât tehnologia se va dezvolta, cu atât o gamă mult mai variată de roboți își vor face apariția astfel încât umanitatea va cunoaște o îmbunătățire semnificativă.

Din punctul meu de vedere, folosirea roboților mobili aerieni fără pilot a adus facilități în numeroase domenii, în special pentru folosirea în zone greu accesibile sau chiar inaccesibile omului, cum sunt dezastrele nucleare, un astfel de robot fiind ușor de manevrat până în acele zone, reușind să capteze informații și imagini foarte utile cercetătorilor. De asemenea, un domeniu în care s-au raspândit și în țara noastră este cel al cinematografiei și fotografiei, acestea fiind destul de utilizate în prezent sub forma quadrocopter-elor și nu numai.

Prin prezentul proiect am vrut să scot in evidentă funcționalități ale unui sistem mecatronic de tip quadrocopter, pașii parcurși pentru dezvoltarea și controlul unui astfel de sistem și îmbunătățiri care s-ar putea aduce pentru a fi utilizat și în alte domenii decât cele cunoscute. Prin cele prezentate sper că am reușit să stârnesc curiozități despre acest gen de roboți în vederea viitoarelor cercetări, așa cum și eu am fost atras în dezvoltarea acestuia.

Pot spune că după finalizarea acestui proiect am reușit să îmi însușesc cunoștințe legate de sitemele mecatronice și robotice, să îmi fixez anumite cunoștințe pe partea de reglare automată și chiar și abilități practice de lucru cu controllere, plăci electronice, motoare și diverse aparate și ustensile foarte utilizate în viitoarea carieră de inginer.

Bibliografie

[1] G. M. Hoffmann, H. Huang, S. L. Waslander, and C. J. Tomlin, “Quadrotor, helicopter flight dynamics and control: Theory and experiment,” Proceedings of the AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, August 2007.

[2] H. Huang, G. M. Hoffmann, S. L. Waslander, and C. J. Tomlin, “Aerodynamics and control of autonomous quadrotor helicopters in aggressive maneuvering,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 3277–3282, Mai 2009.

[3] A. Tayebi and S. McGilvray, “Attitude stabilization of a four-rotor aerial robot,” 43rd IEEE Conference on Decision and Control, vol. 2, pg. 1216–1221, 2004.

[4] ˙ I. C. Dikmen, A. Arısoy, and H. Temelta¸s, “Attitude control of a quadrotor,” 4th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, pg. 722 – 727, 2009.

[5] Z. Zuo, “Trajectory tracking control design with command-filtered compensation for a quadrotor,” IET Control Theory Appl., vol. 4, no. 11, pg. 2343–2355, 2010.

[6] S. Bouabdallah, A. Noth, and R. Siegwart, “PID vs LQ control techniques applied to an indoor micro quadrotor,” IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, vol. 3, pg. 2451–2456, 2004.

[7] T. Madani and A. Benallegue, “Backstepping control for a quadrotor helicopter”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 3255–3260, 2006.

[8] K. M. Zemalache, L. Beji, and H. Marref, “Control of an under-actuated system: Application to a four rotors rotorcraft,” IEEE International Conference on Robotic and Biomimetics, pg. 404–409, 2005.

[9] G. V. Raffo, M. G. Ortega, and F. R. Rubio, “An integral predictive/nonlinear H1 control structure for a quadrotor helicopter,” Automatica, vol. 46, no. 1, pg. 29–39, 2010.

[10] P. Castillo, R. Lozano, and A. Dzul, “Stabilisation of a mini rotorcraft with four rotors,” IEEE Control Systems Magazine, pg. 45–55, Dec. 2005.

[11] J. Escare˜no, C. Salazar-Cruz, and R. Lozano, “Embedded control of a four-rotor UAV,” American Control Conference, vol. 4, no. 11, pg. 3936–3941, 2006.

[12] P. Martin and E. Sala¨un, “The true role of acceleromter feedback in quadrotor control,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 1623–1629, May 2010.

[13] R. He, S. Prentice, and N. Roy, “Planning in information space for a quadrotor helicopter in a GPS-denied environment,” IEEE International Conference on Robotics and Automation, pg. 1814–1820, 2008.

Referințe web

[a] Fig. 2.1 – Robot detector de mine

http://www.wired.com/dangerroom/2008/12/new-mine-detect/

[b] Fig. 2.2 – Robot mobil pentru dezastre nucleare

http://www.engadget.com/2011/04/21/t-hawk-uav-enters-fukushima-danger-zone-returns-with-video/

[c] Fig. 2.3 – Robot cu detector de dispositive explozive

http://www.rumaniamilitary.ro/category/armata-romana-dotare-2/page/25

[d] Fig. 2.4 – Robot mobil cu disruptor

http://cjonline.com/news/2012-02-22/demo-offers-insight-bomb-squads

[e] Fig. 2.5 – Robot mobil Sojourner

http://www-k12.atmos.washington.edu/k12/modules/Virtual_Sojourner/

[f] Fig. 2.6 – Robot mobil verificare conducte

http://utilajutcb.ro/facultate/evenimente/150-Echipamentemoderne.html

[g] Fig. 2.8 – Robot subacvtic

http://www.zoom-biz.ro/produs/robot-subacvatic-constanta_468-7499

[h] Fig. 2.9 – Robot mobil militar de transport

http://www.militaryfactory.com/armor/detail.asp?armor_id=314

[i] Fig. 3.1 – Breguet Gyroplane No1

http://flyingmachines.ru/Site2/Crafts/Craft28966.htm

[j] Fig. 3.2 – Quad de Bothezat

http://www.aviastar.org/helicopters_eng/bothezat.php

[k] Fig. 3.3 – Quad realizat de Etienne Oemichen

http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=1386110

[m] Fig 4.1.9.2 – Dimensiunile motorului

http://www.goodluckbuy.com/d2836-rc-750-880-1120-1500kv-outrunner-brushless-motor.html

[n] Fig. – 4.1.21.1 Baterie

http://www.hobbyking.com

[o] Fig. 4.2.1 – Mission Planner, Fig. 4.2.2 – Mission Planner, Fig. 4.2.3 – Mission Planner

http://www.copter.ardupilot.com

[p] 4.2. PARTEA PRACTICĂ

http://www.copter.ardupilot.com

[q] 2. ROBOTICĂ

http://ro.scribd.com/doc/130108481/Cap2-Generalitati-Privind-Robotii

[r] Fig. 4.1.15.1 – Pensete

http://www.goodluckbuy.com/

[s] Fig. 4.1.12.1 – Placa de distribuție

http://www.goodluckbuy.com/

CD / DVD