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쿼드콥터 제어 및 센서

쿼드콥터에 대한 제어 시스템을 만들고 센서를 설정해야 합니다.

제어 시스템

Parrot 쿼드콥터 미니드론의 제어 시스템을 만들려면 드론의 안정성, 고도, 방향, 궤적을 관리하는 알고리즘과 컨트롤러를 설계해야 합니다.

미니드론의 제어 시스템을 설계할 때는 드론의 특정 역학과 제약은 물론, 의도한 임무나 응용 프로그램의 요구 사항도 고려해야 합니다. 안전성, 안정성, 반응성은 제어 시스템 설계의 중요한 측면입니다.

제어를 위해 쿼드콥터는 자세를 추정하기 위해 보완 필터를 사용하고, 위치와 속도를 추정하기 위해 칼만 필터를 사용합니다.

이 모델은 컨트롤러와 추정기를 하위 시스템으로 구현하여 설계를 위해 추정기와 컨트롤러의 여러 조합을 평가할 수 있습니다.

쿼드콥터 비행 제어 시스템

Quadcopter flight simulation flight control system

입력값.  비행 제어 시스템(FCS)의 입력은 다음과 같습니다.

  • 항공기 명령 - Command 하위 시스템에서

  • 센서 - Sensor 하위 시스템에서

  • 이미지 데이터 — Sensors 서브시스템에서

컴포넌트.  FCS의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

  1. 이미지 처리 시스템 — 이 시스템은 센서로부터 수신된 이미지 데이터를 사용하고 착륙 플래그를 계산하며, 이 플래그는 착륙 논리 제어 시스템에 대한 입력이 됩니다. 하위 시스템은 카메라의 이미지에서 붉은색의 우세성이 감지되는지 감지합니다.

  2. 착륙 로직 — 착륙 로직 시스템은 카메라 데이터를 기반으로 설정되는 착륙 플래그와, 비행체가 지면으로부터의 높이인 0.6m의 안전 한계에 접근하면 설정되는 착륙 오버라이드 플래그를 기반으로 컨트롤러가 쿼드콥터를 착륙시키도록 시작합니다.

  3. 추정치 — 하위 시스템은 자세에 대한 보완 필터와 위치 및 속도에 대한 칼만 필터를 사용하여 비행체의 상태를 추정하기 위해 센서 하위 시스템 출력을 사용합니다.

  4. 컨트롤러 - 구현된 컨트롤러 로직은 다음을 사용합니다.

    • 피치/롤 제어를 위한 PID 컨트롤러.

    • 요잉을 위한 PD 컨트롤러

    • 북쪽-동쪽-아래쪽 좌표의 위치 제어를 위한 PD 컨트롤러

  5. 충돌 예측 플래그 — 플래그는 비행체 상태 값을 기반으로 설정됩니다. 시뮬레이션은 광학 흐름 속도(u 또는 v가 >0.01) 또는 추정 위치(x 또는 y >10)를 기반으로 중지됩니다.

controllerVars 파일에는 컨트롤러와 관련된 변수가 포함되어 있습니다. estimatorVars 파일에는 추정치와 관련된 변수가 포함되어 있습니다. 값은 https://github.com/Parrot-Developers/RollingSpiderEdu/tree/master/MIT_MatlabToolbox/trunk/matlab/libs/RoboticsToolbox 파일을 기준으로 합니다.

센서

모델에서 다음 두 가지 유형의 센서를 사용할 수 있습니다.

  • 동적 센서

  • 피드스루 센서

동적 센서와 피드스루 센서는 서로 다른 목적을 위해 사용되며 비행 제어 시스템에 서로 다른 유형의 데이터를 제공합니다. 동적 센서는 드론의 움직임과 방향의 변화를 측정하도록 설계되었습니다. 이들은 드론의 움직임, 가속, 회전 역학과 관련된 실시간 데이터를 제공합니다. 드론에 사용되는 일반적인 동적 센서로는 가속도계, 자이로스코프, 자력계, 관성 측정 장치(IMU) 등이 있습니다.

피드스루 센서는 상태와 환경 값을 센서 출력으로 직접 전달하는 반면, 동적 센서의 경우 IMU 블록은 상태 값에 노이즈를 추가합니다.

작업 공간에서 VSS_SENSORS 변수를 사용하여 센서를 선택하세요.

이 워크플로는 일련의 센서를 사용하여 쿼드콥터의 상태를 확인합니다. 이러한 상태는 쿼드콥터의 방향과 위치를 설명합니다.

  • VNED — 지구 기준 프레임의 속도

  • XNED — 지구 기준 프레임의 위치

  • 오일러 — 오일러 회전 각도 ψ, θ 및 ψ

  • DCMbe — 지구 축에서 천체 고정 축으로의 좌표 변환

  • Vb — 본체 고정 프레임의 속도

  • ɷ b — 본체 고정 축의 각속도

  • dɷ b/dt — 각가속도

  • Abe — 관성계에 대한 가속도

이러한 센서는 상태를 결정합니다.

  • 각속도와 이동 가속도를 측정하는 IMU입니다.

  • 광학 흐름 추정을 위한 알고리즘.

  • 고도 측정을 위한 소나.

시스템은 sensorVars에 있는 센서의 특성을 저장합니다. 이러한 측정에 센서 역학을 포함하려면 작업 공간에서 VSS_SENSORS 변수를 변경할 수 있습니다.