Учебно-исследовательский проект

Экспериментальная платформа для исследования управления квадрокоптером

Квадрокоптер на базе контроллера ESP32, созданный как открытая платформа для обучения и экспериментов.

Основная цель проекта — создать учебную платформу, которая позволяет студентам:

  1. Освоить принципы построения систем управления сложными динамическими объектами;
  2. Научиться настраивать параметры регуляторов и оценивать влияние их изменений на поведение системы;
  3. Приобрести практический опыт проведения инженерных экспериментов и исследований;
  4. Развить интуицию и «чувствительность» к поведению систем, что особенно важно при изучении дисциплины «Теория автоматического управления» (ТАУ).

Проект объединяет теорию и практику, помогая будущим инженерам не только понять, как работает система управления, но и почему она ведёт себя именно таким образом.

Конструкция опирается на детали, напечатанные на 3D-принтере, и микроконтроллер ESP-32, что делает стенд доступным, воспроизводимым и удобным для учебных и исследовательских задач.

Просмотреть аннотацию Перейти к галерее
Экспериментальная установка квадрокоптера
3D-печать корпус
ESP-8266 передача Wifi
MPU-6050 IMU
ESP-32 контроллер

Об авторах

Shilin Alexander

Шилин Александр Анатольевич

Доктор технических наук, доцент

Профессор ОЭЭ, ИШЭ, Томский политехнический университет

Шилин А. А. на протяжении многих лет занимается исследованиями в области систем управления и оптимального управления. Обладает значительным опытом научной работы, является автором множества рецензируемых публикаций и руководит исследованиями в сфере электроэнергетики и интеллектуальных систем управления.

0+
Публикаций
Pham Trong Hai

Фам Чонг Хай

Аспирант Ph.D.

Аспирант ИШЭ, Томский политехнический университет

Фам Чонг Хай — аспирант Томского политехнического университета. Научные интересы включают системы управления квадрокоптерами, оптимальное и робастное управление, а также моделирование динамики летательных аппаратов.

0+
Публикаций

Аннотация проекта

Проект направлен на разработку компактной и доступной экспериментальной платформы для исследования управления квадрокоптером по углам ориентации. В работе используются два различных типа летательных аппаратов: первый квадрокоптер собран «с нуля» на основе собственной 3D-печатной конструкции, второй построен на базе готовой аппаратной платформы проекта Espressif (ESP32-Drone) , для которой был полностью переписан бортовой программный комплекс управления. Оба варианта квадрокоптера проходят испытания на механической стойке с тремя степенями свободы, что позволяет безопасно отрабатывать алгоритмы стабилизации и регулирования углов крена, тангажа и рыскания без риска повреждения аппарата и окружающей инфраструктуры. На сайте представлены подробное описание конструкции стенда, 3D-модели и чертежи, результаты испытаний, а также материалы по алгоритмам управления квадрокоптером.

Бортовая платформа квадрокоптера

Сам UAV: 3D-печатный корпус, BLDC-моторы, ESC, аккумулятор, IMU MPU-6050, барометр BMP280, микроконтроллер ESP-32 как «мозг» аппарата. Тут логично рассказать, какие датчики стоят, какие сигналы меряются и как формируются управляющие воздействия на моторы.

Механический стенд (стойка для квадрокоптера)

Перевёрнутый маятник / трёхосевая стойка, которая позволяет поворачивать квадрокоптер по крену, тангажу и рысканию при зафиксированном центре масс. Здесь описываем конструкцию, 3D-печать, OpenSCAD, крепление UAV, диапазоны углов и т.п.

Система управления и связи (ESP-32 + ESP-8266 + ПК)

Алгоритмы управления (PD-PD/PD–PI, робастные/оптимальные), реализация на ESP-32, обмен данными по Wi-Fi через ESP-8266, а также ПК-часть: программа на Qt для визуализации переходных процессов и настройки коэффициентов регуляторов в реальном времени.

Видеоматериалы с проведённых экспериментов

Тестирование квадрокоптера по одному каналу

Тестирование квадрокоптера с совмещением каналов

Тестирование реакции малогабаритного квадрокоптера при воздействии внешней силы

Тестирование вращения малогабаритного квадрокоптера по заданному углу на стойке

Представление вращения и переходного процесса квадрокоптера в реальном времени

По реакции квадрокоптера можно выполнить дальнейший анализ динамики и уточнить параметры регулятора управления

Тестирование полета квадрокоптера с применением регулятора в скользящем режиме

Презентация проекта

Слайд-презентация стенда

Отдельная презентация содержит структурированное описание постановки задачи, конструкции экспериментального стенда, архитектуры системы управления и основных результатов экспериментов. Формат слайдов удобен для докладов на кафедральных семинарах, конференциях и защитах.

Ниже приведён интерактивный просмотр PDF-версии презентации. Вы можете пролистывать слайды прямо на странице или открыть файл в отдельной вкладке.

Открыть в новой вкладке Скачать презентацию (PDF)

Детали проекта

🎯

Цели

Разработать и экспериментально верифицировать компактную трёхосевую установку и бортовую систему на базе ESP32 для тестирования, исследования и настройки алгоритмов управления квадрокоптером по углам ориентации, обеспечивающих требуемое качество переходных процессов при минимальном риске повреждения аппарата.

🔬

Методология

В основе работы лежат теоретические знания, полученные студентами при изучении теории автоматического управления: решение дифференциальных уравнений, применение преобразования Лапласа, построение передаточных функций и анализ типовых звеньев (интегрирующее, апериодическое, колебательное звенья), а также принципы работы фильтров, включая фильтр Калмана. На этой базе реализуются и анализируются различные алгоритмы управления (PD, каскадный PD–PI, робастные и оптимальные методы). Разработанный стенд позволяет перенести эти теоретические знания в практическую плоскость: реализовать выбранные алгоритмы, наблюдать переходные процессы в реальном времени и оценивать влияние настроек регуляторов на поведение квадрокоптера.

📊

Ожидаемые результаты

Предполагается создание и экспериментальная отладка трёхосевой установки, позволяющей наглядно исследовать угловое движение квадрокоптера и качество переходных процессов. Будут сопоставлены и настроены различные алгоритмы управления и методы фильтрации, а также подготовлены учебно-методические материалы, которые связывают теорию ТАУ с реальными экспериментами на стенде.

🚀

Практическое применение

Стенд может использоваться для обучения студентов, тестирования новых контроллеров, а также для быстрой проверки прототипов БПЛА перед полётными испытаниями.

👥

Команда

Проект реализуется в сотрудничестве аспиранта и научного руководителя на базе лаборатории Томского политехнического университета.

📅

График

Исследование выполнено в рамках аспирантской подготовки и охватывает полный цикл: разработку модели, создание экспериментального стенда, проведение серий экспериментов и анализ полученных результатов.