Простой графический интерфейс беспроводного контроллера квадрокоптера

Список литературы

1. Ланген А.М., КрасникВ.В. Электрооборудование предприятий текстильной промышленности. Москва, 1991.

2. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные асинхронные двигатели с медной обмоткой ротора, отлитой под давлением (обзор зарубежных публикаций) // Электричество. № 8, 2014. С. 56-61.

3. Шумов Ю.Н., Сафонов А.С. Энергоэффективные электрические машины (обзор зарубежных разработок) // Электричество. № 4, 2015. С. 45-47.

4. Ларионов В.Н., Калинин А.Г. Энергоэффективность и энергосбережение в электроприводах с вентиляторной нагрузкой. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2012. № 1. С. 145.

5. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. М.: Энергия, 1980.

6. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990.

7. Беспалов В.Я. Электрические машины: Учебное пособие для вузов / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец. М.: Академия, 2006.

ПРОСТОЙ ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС БЕСПРОВОДНОГО

КОНТРОЛЛЕРА КВАДРОКОПТЕРА 1 2 Исмаилов А.О. , Нуркин С.А.

1Исмаилов Арман Оразалиевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра программного обеспечения;

2Нуркин Султанбек Акылбекович - магистрант, специальность: технологические машины и оборудование (по отраслям), Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова, г. Костанай, Республика Казахстан

Аннотация: в настоящее время исследования беспилотных летающих аппаратов (БПЛА) привлекают исследователей и ученых из-за широкого спектра применений. Одним видом БПЛА являются квадрокоптеры. Исследование, связанное с квадрокоптером, охватывает области проектирования, контроля, стабильности, систем связи и предотвращения столкновений.

Ключевые слова: квадрокоптер, GUI, беспроводной, Arduino Uno, PID-контроллер.

Широко используется GUI для управления квадрокоптером. Ссылка [5] изучалась при проектировании GUI -управления БПЛА на основе генетического алгоритма (ГА). Разработанный графический интерфейс - это многоуровневое управление и многопользовательская кнопка. В справочнике [6] было изучено управление графическим интерфейсом для тестирования. Графический интерфейс анализируется с использованием GA. Ссылка [7] исследовала графический интерфейс для удобного обнаружения и контроля оборудования, обнаружения утечки и встроенного в процессор ARM.

Ссылка [8] сфокусировала свое исследование на беспилотном летательном аппарате с управлением 3-DOF. Характеристика, которая сильно связана со входами и выходами, которые влияют на управление летающего транспорта. Ссылка [9] разработана для нелинейной модели и нелинейной стратегии управления для 4-DOF квадрокоптера. Нелинейная модель антенного квадрокоптера основана на формализме Ньютона-Эйлера. Модельный вывод включает в себя определение уравнений

движения четырехместного оператора в трех измерениях и стремление приблизить силу приведения в действие путем моделирования аэродинамических коэффициентов и динамики электродвигателя. Ссылка [10] - исследование контроля квадрокоптера визуальным отслеживанием с использованием стереокамеры. Движение квадрокоптера - это управление, основанное на визуальной обратной связи и измерении инерциального датчика. В этом исследовании активные маркеры были точно разработаны для улучшения видимости с разных точек зрения.

Ссылка [11] - квадрокоптер работала на интеллектуальном нечетком контроллере. Нечеткое управление спроектировано и реализовано для управления имитационной моделью. Входы - это требуемые значения высоты, крена, высоты тона и рыскания. Выходы представляют собой мощность каждого из четырех роторов, которые необходимы для достижения технических характеристик. Результаты моделирования подтверждают эффективность этой интеллектуальной стратегии управления. Ссылки [12,13] проводятся для анализа динамических характеристик и характеристик РГО-регулятора для квадрокоптера.

В этой статье описывается архитектура квадрокоптера и анализируется динамическая модель на ней. Кроме того, в этой статье также разработан контроллер, который предназначен для регулирования положения (положения и ориентации) 6-DOF квадрокоптера.

В этой статье рама квадрокоптера строится с использованием алюминиевой пластины. Это двухслойная алюминиевая пластина формы и соединяется вместе с болтами и гайками, поскольку это сделает раму квадрокоптера жесткой и легкой. Вес квадрокоптера пропорционален способности наведения. Меньший вес будет увеличивать его способность с минимальным потреблением энергии. Рамка квадрокоптера минимальной площади, достаточной для размещения всех деталей, таких как мотор, плата контроллера и батареи.

Чтобы обеспечить оптимальную производительность квадрокоптера, вес и тяговое усилие каждого используемого двигателя рассчитываются с использованием программного обеспечения для расчета двигателя, предоставленного МойоШу. Они получены с помощью ключа в параметрах двигателя, источника питания и размера гребного винта.

Математическая модель квадрокоптера.

Схематическая динамика квадрокоптера представлена на рисунке 1 и основана на этой математической модели динамики [14, 15].

Где И! - сумма тяги каждого двигателя. Т^, ТИ2, ТИ3 и Т^ - это тяга, создаваемая передним, задним, левым и правым двигателями соответственно. т - масса квадрокоптера, g - ускорение силы тяжести 1 которая представляет собой половину длины квадрокоптера. х, у и z - оси. 9, ф и ¥ - три угла Эйлера, представляющие высота, крен и отклонение.

Формула динамики квадрокоптера, перемещающаяся с места посадки до фиксированной точки в пространстве, задается как

СфСф — ЗфСу С^дСу + ¿¡^¿у

СД -СА

Сф СфСщ

где Я - матричное преобразование.

Применяя законы баланса силы и момента, составы движения квадрокоптера даются, как в уравнениях

х = щ

y = u, fSinpSiné'Cos^/ + Cos^íS in y) — K2yjm

где Ki - коэффициент сопротивления (принимаем нуль, так как сопротивление на малой скорости пренебрежимо мало).

Угол фа и V-F,i определяется следующим образом:

¿ = tan"] ^Zl

Квадрокоптер имеет четыре входа контроллера, иь U2 U3 и и4. Каждое из них влияет на отношение, поворот угла крена, поворот угла тангажа и угла отклонения соответственно. И их уравнение указано ниже:

где Т^ - тяга, генерируемая четырьмя двигателями, 1 - коэффициент масштабирования силы к моменту. Тогда вторые производные каждого угла:

0 = 0,-1^9/1,

y=u,-iK,éfi2

ф =

Движением по высоте квадрокоптера управляет PID - регулятор. PID-регулятор был разработан и встроен в ArduinoUno. PID-регулирование будет поддерживать дистанцию движения квадрокоптера на основе входа ультразвукового датчика. Ультразвуковой датчик будет ощущать расстояние между Quadcopter и землей, а затем отправлять выходной сигнал на плату ArduinoUno для управления дроссельной заслонкой. На рисунке 1 показана блок-схема управления высотой квадрокоптера.

Рис. 1. Контроллер квадрокоптера: 1 - GUI; 2 - передатчик; 3 - приемник; 4 - контроллер;

5 - квадрокоптер; 6 - датчик Графический пользовательский интерфейс (GUI) - это тип пользовательского интерфейса, который позволяет пользователям взаимодействовать с электронными

устройствами, используя изображения, а не текстовые команды [16]. В этой работе графический интерфейс представляет собой конструкцию для обмена командами между человеком как оператором и движением квадрокоптера. Команда в качестве входа контроллера квадрокоптера будет вводиться оператором через GUI.

Входные данные для управления отправляются через систему беспроводной связи. Используется модуль беспроводной связи XBee. Данные вводятся с использованием графического интерфейса пользователя. Из графического интерфейса данные передаются передатчику на компьютере и принимаются приемником в квадрокоптер. На основе этого контроллера данных посылаются командные сигналы на пропеллер с использованием ультразвукового датчика и гироскопа для обеспечения достижения целей контроллера.

PID-регулятор был применен, поскольку он является одним из широко используемых контроллеров [17]. PID-регулятор является наиболее распространенной формой обратной связи. PID-регуляторы сегодня находятся во всех областях, где используется элемент управления. Их полезные функции достаточны для большого числа приложений процесса, а прозрачность функций приводит к широкому восприятию пользователями. С другой стороны, можно показать, что структура управления внутренним режимом (IMC) приводит к PID-контроллерам практически для всех моделей, общих на практике [17, 18]. PID-регулирование является важным компонентом распределенной системы управления.

PID-алгоритм описывается как

(id

где y - измеренная переменная процесса, r - эталонная переменная, u -управляющий сигнал, e - управляющая ошибка (e = ysp - y). Эталонная переменная часто называется заданной точкой (ysp).

Таким образом, управляющий сигнал представляет собой сумму трех членов: P-член (который пропорционален ошибке), I-член (который пропорционален интегралу от ошибки) и D-член (который пропорционален производная от ошибки). Параметры контроллера - это пропорциональное усиление K, интегральное время Ti и время производной Td. В общем виде алгоритм PID может быть представлен передаточной функцией ниже:

G(s) = K(i+]/sTi+sTil/asTd +1) (12).

где а обычно принимает значение 1/10. Этот тип контроллера называется взаимодействующим контроллером, и его легче настраивать вручную [17]. На рисунке 2 показан блок PID-регулятора, связанный с предыдущим уравнением.

Рис. 2. Блок-схема ПИД-регулятора: 1 - ошибка; 2 - PID; 3 - привод; 4 - квадроптер;

5 - обратная связь

Результат и анализ

Чтобы проверить возможности квадрокоптера, были проведены два теста. Это диссоциация оси квадрокопчатоговала и нарушение оси шага.

Квадрокоптер может поддерживать баланс и стабильность до 200 г, как показано на рисунке 3. Несмотря на то, что некоторые выходные данные не находятся на прямой линии, но большая часть данных находится в диапазоне.

В) Г)

Рис. 3. Испытание квадрокоптера: а) без нагрузки, б) нагрузка 100 грамм, в) нагрузка 150 грамм, г) нагрузка 200 грамм

Для нагрузки 250 г и выше Quadcopter не может сбалансировать себя, как показано на рисунке 4. Ответы распространяются и не собираются по прямой. Quadcopter не может сбалансировать себя и потерять стабильность. Это означает, что максимальный объем нагрузки Quadcopter, рассчитанный на наклон оси валка, составляет 200 г.

Рис. 4. Испытания квадрокоптера: а) нагрузка 250 грамм, б) нагрузка 300 грамм

Испытание на шум шага оси

Второй тест - это испытание на погрешность оси тангажа. Тест проводится тем же методом, как и предыдущий тест. Мы изменяли вес нагрузки, в то время как квадрокоптер делает шаг оси.

Результаты испытаний описаны таблице 1, приведено краткое изложение величины нагрузки в качестве результата теста помех для поворота оси и оси шага.

Таблица 1. Результаты теста помех

Нагрузка (грамм) Крен Наклон

Устойчивое парение

100 Да Да

150 Да Да

200 Да Да

250 Нет Да

300 Нет Нет

Делая выводы по приведенной выше таблице, - квадрокоптер может поддерживать

стабильность при нагрузке до 200 г при крене оси и до 250 г при наклоне оси шага.

Это означает, что квадрокоптер рассчитан на работу в балансе и стабильном

состоянии до нагрузки 200 г.

Список литературы

1. Ryan А. and Hedrick J.K. A Mode-Switching Path Planner for UAV-Assisted Search and Rescue. Proceeding of the 44th IEEE Conference on Decision and Controland the European Control. Seville, 12-15 December 2005. Р. 1471-1476. DOI:10.1109/CDC.2005.1582366.

2. Salih A.L., Moghavvemil М., Mohamed H.A.F. and Gaeid K.S. Flight PID Controller Design for a UAV Quadcopter. Scientific Research and Essays. Vol. 5. № 23, 2010. P. 3660-3667.

3. Azfar A.Z. and Hazry D. Simple GUI Design for Moni- toring of a Remotely Operated Quadcopter Unmanned Aerial Vehicle. Proceeding of the 7th International Colloquium on Signal Processing and its Applications (CSPA). Penang. 4-6 Mach, 2011. P. 23-27.

4. Weng K. W. Quadcopter. Robot Head to Toe Magazine. Vol. 10, 2011. P. 1-3.

5. Mori Т., Nonaka Т. and Hase Т. Design Method of GUI Using Algorithm. Proceeding of the IEEE International Conference on System Man and Cybernatics (SMC), 10-13 October 2010. P. 3200-3204. DOI:10.1109/ICSMC.2010.5642282.

6. Rauf А., Anwar S., Jaffer М.А. and. ShahidА.А. Automated GUI Test Coverage Analysis Using GA," Proceeding of the 7th International Conference on Information Technology: New Generation (ITNG), 12-14 April 2010. P. 1057-1062. DOI:10.1109/ITNG.2010.95.

7. Sun L., Xie H. and ChenK. Design and Realization of GUI-Control for Leak Detection Equipment. Proceeding of the International Conference on Electronic, Communication and Control (ICECC), 9-11 September 2011. P. 3638-3641. D01:10.1109/ICECC.2011.6067556.

8. Park D., Park M.-S. and Hong S.-K. A Study on the 3-DOF Attitude Control of Free-Flying Vehicle. Pro- ceeding of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). Pusan, 12-16 June 2001. Vol. 2. P. 1260-1265.

9. Mian A.A. and Daobo W. Nonlinear Flight Control Strategy for an Underactuated Quadrotor Aerial Robot. Proceeding of the IEEE International Conference on Networking, Sensing and Control (ICNSC). Sanya, 6-8 April 2008. P. 938-942. D0I:10.1109/ICNSC.2008.4525351.

10. Achtelik M., Zhang T., Kuhnlenz K. and Buss M. Visual Tracking and Control of a Quadcopter Using a Stereo Camera System and Inertial Sensors. Proceeding of theInternational Conference on Mechatronics and Automation (ICMA), 9-12 August 2009. P. 2863-2869. D0I:10.1109/ICMA.2009.5246421.

11. Santos M., López V. and Morata F. Intelligent Fuzzy Controller of a Quadrotor. Proceeding of the IEEE International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering (ISKE), Hangzhou, 15-16 November 2010. P. 141-146. D0I:10.1109/ISKE.2010.5680812.

12. Morar I. and Nascu I. Model Simplification of an Unmanned Aerial Vehicle. Proceeding of the IEEE Interna- tional Conference on Automation Quality and Testing Ro- botics (AQTR), ClujNapoca, 24/27 May 2012. P. 591/596. D0I:10.1109/AQTR.2012.6237779.

13. Li J. and Li Y.T. Dynamic Analysis and PID Control for a Quadrotor. Proceeding of the International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). Beijing, 7-10 August 2011. P. 573-578. D0I:10.1109/ICMA.2011.5985724.

14. Cooke A.K., Cowling I.D., Erbsloeh S.D. and Whidborne J.F. Low Cost System Design and Development an Autonomous Rotor Vehicle. Proceeding of the 22nd International Conference on Unmanned Air Vehicle Systems. Bristol, 16-18 April 2007. Pp. 281-289.

15. Balas C. Modelling and Linear Control of Quadcopter. M.S. Thesis. Cranfield University. Cranfield, 2007.

16. Yang L., Choi Y., Seo C., Yang T. and Kim M.S. Design of VY: Mini Visual IDE for the Development of GUI in Embedded Devices. Proceeding of the 5th ACIS International Conference on Software Engineering Research Management & Application, 20-22 August 2007. P. 625-632. D0I:10.1109/SERA.2007.76.

17. Johnson M.A. andMoradi M.H. PID Control. Springer-Verlag. London, 2005.

18. Hanafi D. PID Controller Design for Sem-Active Car Suspension Based on Model from Intelligent System Identification. Proceeding of the IEEE International Conference on Computer Engineering and Applications (IC- CEA). Bali, 19-21 Mach 2010. P. 60-63. D0I:10.1109/ICCEA.2010.168.