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

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

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

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

Записи экспериментов, испытаний и демонстраций

3D моделирования по тангажу

3D моделирования по крену

Распечатать 3D корпус квадрокоптера - часть 1

Печать деталей корпуса квадрокоптера - часть 2

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 квадрокоптера по одному каналу

Тестирование квадрокоптера с совмещением каналов

Тестирование полета квадрокоптера с применением регулятора в скользящем режиме

Представление проекта

Тестирование полета большого квадрокоптера на базе разпечатого корпуса на полигоне

Тестирование полета маленького квадрокоптера на базе ESP32

Тестирование полета маленького квадрокоптера на базе ESP32 на полигоне

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.