Учебно-исследовательский проект · ТПУ

Экспериментальная платформа
для управления квадрокоптером

Открытая учебная платформа на базе ESP32: 3D-печать, реальные эксперименты и алгоритмы управления на трёхосевом механическом стенде.

Аннотация проекта Наши БПЛА
ESP-32 Контроллер
3D Печатный корпус
3 оси Механический стенд
MPU-6050 IMU датчик

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, реализован на базе проекта Flix (ESP32-Drone) и 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

Квадрокоптер оснащён 3D-печатным корпусом, бесколлекторными двигателями A2212 с регуляторами ESC и аккумулятором LiPo 4S. Бортовой контроллер ESP-32 в реальном времени считывает данные инерциального модуля MPU-6050 (углы крена, тангажа, рыскания и угловые скорости) и барометра BMP280, вычисляет управляющие воздействия по заданному алгоритму и формирует ШИМ-сигналы на двигатели, обеспечивая стабилизацию аппарата по трём осям.

Механический стенд (стойка для квадрокоптера)

Трёхосевая стойка типа «перевёрнутый маятник» фиксирует центр масс квадрокоптера, предоставляя свободу вращения по крену, тангажу и рысканию. Конструкция полностью спроектирована в OpenSCAD как параметрическая модель и изготовлена методом FDM-печати. Подшипниковые опоры обеспечивают малое трение при повороте, что позволяет получать достоверные данные переходных процессов без влияния стойки на динамику аппарата.

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.

Наши БПЛА

Два типа квадрокоптеров для исследования систем управления

Об авторах

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
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

Видеоматериалы

Записи экспериментов, испытаний и демонстраций

3D-симуляция управления по тангажу

3D-симуляция управления по крену

3D-печать корпуса квадрокоптера — часть 1

3D-печать корпуса квадрокоптера — часть 2

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.