Autopilot for the unmanned helicopter - program in the Simulink environment

Abstract

Badania i rozwój nad śmigłowcami autonomicznymi są obecnie szeroko zakrojone. Yamaha Motors dysponuje modelem, który jest używany komercyjnie głównie w spryskiwaniu obszarów rolnych. Celem niniejszej pracy wykonanej na Wydziale Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej w lnstytucie Systemów Elektronicznych, bylo opracowanie w środowisku Matlab-Simulink koncepcji autopilota dla śmigłowca bezzałogowego. Stanowila ona wstęp do obecnie rozpoczętej sprzętowej realizacji układu z mikroprocesorem. Zaprojektowano układ sterowania - kontroli lotu, mający za zadanie utrzymywanie śmigłowca w zawisie oraz wykonywanie prostych zadań, takich jak lot na zadaną wysokość i odległość oraz lądowanie. Autopilot zawiera układ sterowania i model śmigłowca zamknięte w pętlę sprzężenia zwrotnego. Układ sterowania zrealizowano w oparciu o logikę rozmytą, stosujac 6 regulatorów typu FPID. Układ sterowania jest typu regałowego, wykorzystujący bazę wiedzy opisującej działania konieczne do uzyskania poprawnego ruchu śmigłowca. Zalety takiego rozwiązania uwidaczniają się szczególnie w procesach słabo poznanych, w których opis matematyczny jest trudny, bądź skomplikowany lib niemożliwy do uzyskania. Matematyczny model śmigłowca musi uwzględniać dostatecznie dużo zjawisk tak, aby nie odbiegał on zbytnio od rzeczywistego zachowania obiektu. Model ten nie może być jednak zbyt skomplikowany ze względu na skończone możliwości obliczeniowe i konieczność spełnienia warunku pracy w czasie rzeczywistym. Wiarygodny model nieliniowy opracowano w NASA (Complexity Helicopter Math Model). Został on użyty do budowy autopilota śmigłowca Yamaha R-50, w prezentowanej pracy również skorzystano z modelu tego typu. Jako środowisko najbardziej odpowiednie ze wzgledu na możliwość realizacji i późniejsze testowanie wybrano oprogramowanie Matlab-Simulink. Przeprowadzono wiele testów weryfikujacych poprawność rozwiązania. Szczególnie badano zachowanie i stabilność śmigłowca po przyłożeniu skoków prędkości i skoku kątów Eulera, zarówno każdy oddzielnie, jak i równoczenie. Badano typowe zadania, jak wznoszenie na zadaną wysokość, zawis, ruch na zadaną wysokośc i odległość, lądowanie. Zarejestrowano wykresy położenia, predkości, kątów orientacji oraz sygnałów sterujących. Ponadto, specjalny program pozwala na wizualizację ruchu śmigłowca. Uzyskane rezultaty można uznać za dobre i spełniajace załozenia. Ze względu na tematykę pracy konieczne było nawiązanie współpracy z Wydziałem MEiL Politechniki Warszawskiej oraz Wojskową Akademią Techniczną.Research and development on autonomous helicopters are now a wide-ranging. Yamaha Motors has a model that is used commercially mainly in the areas of agricultural spraying. The purpose of this work done at the Department of Electronics and Information Technology of Warsaw University of Technology at the Institute of Electronic Systems, was to develop concepts for unmanned helicopter autopilot in Matlab-Simulink environment. It was the introduction to the current hardware implementation of the system working with a microprocessor. The flight control system was designed, with the task of maintaining the helicopter in hover and performing simple tasks, such as the flight to the given altitude and distance and landing. Autopilot contains the control system and a helicopter model in the closed loop feedback. A control system was implemented on the basis of fuzzy logic, using 6 regulators of FPID type. A control system is a rack type, using a knowledge base describing the actions necessary to obtain the correct helicopter movement. The advantages of such solution are particularly apparent in the weakly known processes, in which the mathematical description is difficult or complicated or impossible to obtain. Helicopter mathematical model must take into account sufficiently so much phenomena, that it has not diverged too much from the actual behavior of the object. The model can not be too complicated because of the finite computing possibilities and the necessery condition to perform in real time. Credible nonlinear model was developed at NASA (Complexity Helicopter Math Model). It has been used to build a Yamaha R-50 helicopter autopilot, in presented work the model of this type was also used. Matlab-Simulink software was selected as the most suitable for the task, because of the implementation possibility and subsequent testing. Numerous tests were performed for verifying the correctness of solution. In particular, were studied the helicopter behavior and stability after applying step of speed and step of Euler angles, both each separately and simultaneously. The typical tasks were studied, such as climb to the given altitude, hover, movement to given altitude and distance, landing. Were recorded graphs for position, velocity, orientation angles and the control signals. In addition, a special program allowed visualization of helicopter movement. The obtained results can be considered as good and satisfying the assumptions made. Given the themes of work, it was necessary to establish cooperation with the MEiL Department of Warsaw University of Technology and Military University of Technology