Αυτόματη προσγείωση τετρακόπτερου με χρήση κάμερας

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Αυτόματη προσγείωση τετρακόπτερου με χρήση κάμερας"

Ναβουχοδονόσορ Βούλγαρης
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Διπλωματική εργασία Αυτόματη προσγείωση τετρακόπτερου με χρήση κάμερας Τζιβάρας Βασίλης Επιβλέπων: Κ. Κωνσταντίνος Βλάχος Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Ιωάννινα Φεβρουάριος 2018

2 Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασική ιδέα Σχεδιασμός Κινηματική Δυναμική Έλεγχος Συνδεσμολογία Σφάλμα Έλεγχος υψηλού επιπέδου Έλεγχος χαμηλού επιπέδου Προσομοίωση Σενάρια Φάσεις προσγείωσης Αποτελέσματα Πειράματα 2

3 Εισαγωγή Εναέρια οχήματα Πλήρης αυτονομία ή επικοινωνία με σταθμό βάσης Ηλεκτροκινητήρες (Η/Κ) 4 μέχρι 6 βαθμοι ελευθερίας (DOF) 3 μεταφορικές κινήσεις Μέχρι και 3 περιστροφικές κινήσεις 3

4 Hexacopter 4

5 Tricopter 4 βαθμοί ελευθερίας 3 ηλεκτροκινητήρες 2 σταθεροί 1 με δυνατότητα περιστροφής 5

6 Omnicopter 6 βαθμοί ελευθερίας 8 ηλεκτροκινητήρες Σπατάλη ενέργειας 6

7 Quadrotor 4 βαθμοί ελευθερίας 4 ηλεκτροκινητήρες 3 μεταφορικές κινήσεις 1 περιστροφική κίνηση Αντικείμενο ενασχόλησης της εργασίας 7

8 Τύποι σκελετού Quad H Quad + Quad X Διαφορετικός συνδυασμός ενεργοποίησης των Η/Κ 8

9 Βαθμοί ελευθερίας Κατακόρυφη μεταφορική κίνηση Εμπρόσθια/Οπίσθια μεταφορική κίνηση Δεξιά/Αριστερή μεταφορική κίνηση Περιστροφική κίνηση Διαφορετικές στροφές σε κάθε Η/Κ 9

10 Υλοποίηση γραμμικής ταχύτητας 1/2 Πλαινή όψη Ζ Εφαρμόζουμε ταχύτητα vx κατα μήκος του Χ άξονα Ζ F vx Χ Χ W Υ Υ Κατάσταση ισορροπίας με ΣF=0 και Στ=0 10

11 Υλοποίηση γραμμικής ταχύτητας 1/2 Πλαινή όψη Ζ Περιστροφή ως προς τον Υ άξονα Ζ F vx Χ Fz Fx Χ W Υ Υ Ανάγκη για νέο ΣΣ για την υλοποίηση των ταχυτήτων 11

12 Κινηματική Συστήματα συντεταγμένων Euler γωνίες για τον προσανατολισμό Περιγραφή των πινάκων περιστροφής 12

13 Συστήματα συντεταγμένων (ΣΣ) I : Αδρανειακό ΣΣ B : Σωματόδετο ΣΣ C : ΣΣ της κάμερας 13

14 Γωνίες euler Γωνίες φ θ ψ Άξονας X Y Z roll pitch yaw Περιγραφή προσανατολισμού Αναπαράσταση των γωνιών euler στο σωματόδετο σύστημα συντεταγμένων 14

15 Ορισμός πινάκων περιστροφής Ένας πίνακας περιστροφής εκφράζει την περιστροφή ενός συστήματος συντεταγμένων σε σχέση με ένα άλλο Έστω b1 διάνυσμα ορισμένο ως προς το {Α} σύστημα συντεταγμένων. Εκφράζουμε το b1 ως προς το {Β} σύστημα συντεταγμένων: 15

16 Πίνακες περιστροφής 1/2 Πίνακας περιστροφής από το σωματόδετο {Β} στο αδρανειακό {Ι} σύστημα συντεταγμένων όπου, c είναι η συνάρτηση cos() s είναι η συνάρτηση sin() φ, ψ, θ οι γωνίες euler του quadrotor 16

17 Πίνακες περιστροφής 2/2 Πίνακας περιστροφής από την κάμερα {C} στο σωματόδετο {Β} σύστημα συντεταγμένων όπου, φ ισούται με 180 μοίρες Ο Ζ άξονας του {C} είναι αντίθετος με τον Ζ άξονα του {B} ΣΣ. Περιστροφή ως προς Χ άξονα κατά 180 μοίρες 17

18 ΣΣ της ταχύτητας 1/2 Η αρχή αξόνων του {V} ταυτίζεται με το {B} Μετακινείται όπως και το {B} Περιστρέφεται μόνο στον Ζ άξονα 18

19 ΣΣ της ταχύτητας 2/2 Πίνακας περιστροφής από το σωματόδετο {Β} στο αδρανειακό {Ι} σύστημα συντεταγμένων Περιστροφή ως προς Ζ άξονα κατά ψ γωνία (yaw) 19

20 Δυναμική Μελέτη των δυνάμεων που ασκούνται στο quadrotor Μελέτη των ροπών που ασκούνται στο quadrotor Thrust MOTOR Weight 20

21 Θεμελιώδης νόμοι Z Θεμελιώδης νόμος της μηχανικής F Motor1 Motor2 Y B X Motor4 W Motor3 Θεμελιώδης νόμος της στροφικής κίνησης Οι δυνάμεις και ροπές εκφράζονται ως προς το {B} ΣΣ 21

22 Συνολική δύναμη Τh2 Τh1 Συνολική δύναμη του quadrotor : Z Motor1 Motor2 Y Τh4 Τh3 B Motor4 X Motor3 όπου, ct είναι συντελεστής ώθησης που εξαρτάται από την γεωμετρία του Η/Κ και έλικας ωi είναι η γωνιακή ταχύτητα του i Η/Κ 22

23 Ροπές στον Χ και Υ άξονα (pitch & roll) Η ροπή στον Χ και Υ άξονα υπολογίζεται ως εξής: όπου, di είναι η απόσταση του i H/K από το κέντρο μάζας 23

24 Ροπή στον Ζ άξονα (yaw) Η ροπή στον Ζ άξονα υπολογίζεται ως εξής: όπου, cq είναι συντελεστής ώθησης που εξαρτάται από την γεωμετρία του Η/Κ και έλικας σi ορίζει την διεύθυνση και ανήκει στο {-1, 1} 24

κατάλληλο σφάλμα Συνδεσμολογία Σφάλμα απόστασης

25 Έλεγχος Ο έλεγχος αφορά τον υπολογισμό των επιθυμητών τιμών ώστε να ελαχιστοποιηθεί κάποιο κατάλληλο σφάλμα Συνδεσμολογία Σφάλμα απόστασης 2 επίπεδα ελέγχου (υψηλό & χαμηλό) PID ελεγκτές 25

26 Συνδεσμολογία Ηλεκτροκινητήρες (Motor) Ελεγκτές ταχύτητας (ESC) Υλοποίηση των στοφών των Η/Κ Ελεγκτής πτήσης (FC) Επεξεργασία εισόδου και υπολογισμός στροφών Η/Κ Μπαταρία Πλακέτα διαμοιρασμού ρεύματος (PDB) 26

27 Στόχος Μελέτη της διαδικασίας προσγείωσης με αποκλειστική χρήση κάμερας 27

28 Σημεία ενδιαφέροντος στον χώρο (3D) Αρχικό σημείο εκκίνησης Επιθυμητό σημείο Το σφάλμα απόστασης ορίζεται ως: Σημεία ενδιαφέροντος 28

29 Σημεία ενδιαφέροντος στην κάμερα (2D) Επιθυμητές τιμές σημείων Τρέχουσες τιμές σημείων P1 = [x1, y1]t P2 = [x2, y2]t P3 = [x3, y3]t P4 = [x4, y4]t P1* = [x1*, y1*]t P2* = [x2*, y2*]t P3* = [x3*, y3*]t P4* = [x4*, y4*]t 29

30 Ορισμός σφάλματος απόστασης Ορίζουμε τα παρακάτω διανύσματα s και s* βάση των συντεταγμένων τους ως προς το ΣΣ της κάμερας. Το σφάλμα απόστασης ορίζεται ως: e(t) = s - s* 30

31 Επίπεδα ελέγχου s* s + e(t) IBVS ελεγκτής Καθορισμός τρέχον και επιθυμητού σημείου Μοντέλο quadrotor Ελεγκτής συνολικής δύναμης Ελεγκτής ροπών Υψηλό επίπεδο [vx, vy, vz, ωz]t Χαμηλό επίπεδο 31

32 Έλεγχος υψηλού επιπέδου Ελεγκτής επιθυμητής ταχύτητας: Κέρδος: 32

33 Έλεγχος υψηλού επιπέδου Πίνακες αλληλεπίδρασης Lx1 και Lx2 για το σημείο P(x, y): Με Ζ είναι η εκτίμηση του βάθους της κάμερας Ο L1 και ο L2 αφορούν 4 σημεία ενδιαφέροντος. 33

34 Έλεγχος για την συνολική δύναμη Εξισορρόπηση της βαρύτικής δύναμης Σφάλμα ταχυτήτων Παράγωγος του σφάλματος Ολοκλήρωση του σφάλματος Εκφράζουμε τις ταχύτητες ως προς το σύστημα συντεταγμένων της ταχύτητας: 34

35 Έλεγχος για ροπή στον Ζ άξονας Συμβολίζουμε με psi, phi, theta τις γωνίες euler του quadrotor και ορίζουμε τον W Επιθυμητός ρυθμός μεταβολής της γωνίας yaw: Επιθυμητή ροπή στον Ζ άξονα: 35

36 Έλεγχος για ροπή στους Χ και Υ άξονες Επιθυμητή γωνία pitch: Επιθυμητή γωνία roll: Επιθυμητές ροπές: 36

37 Σχεδιασμός και έλεγχος της διαδικασίας προσγείωσης Προσομοίωση Σενάρια υλοποίησης Φάσεις προσγείωσης MATLAB 37

38 Σενάρια Υλοποίησης Σταθερού στόχου Έλεγχος υψηλού επιπέδου Έλεγχος χαμηλού επιπέδου Σταθερά σημεία ενδιαφέροντος Κινούμενου στόχου Έλεγχος υψηλού επιπέδου Έλεγχος χαμηλού επιπέδου Κινούμενα σημεία ενδιαφέροντος 38

39 Σενάριο Σταθερού στόχου Η πλατφόρμα προσγείωσης: Μηδενική γραμμική ταχύτητα Μηδενική περιστροφική ταχύτητα 39

40 Σενάριο Κινούμενου στόχου Η πλατφόρμα προσγείωσης: v1 Σταθερή γραμμική ταχύτητα μετακίνησης στο επίπεδο Χ-Υ vp < max(vq) v2 vp : ταχύτητα πλατφόρμας vq : ταχύτητα quadrotor 40

41 Φάσεις προσγείωσης Φάση 1 : Προσέγγιση του στόχου Φάση 2 : Τυφλή προσγείωση Φάση 3 : Κατάσταση αδράνειας 41

ταχυτήτων Υπολογισμός απαραίτητων δυνάμεων

42 Φάση 1 : Προσέγγιση του στόχου Βήματα αλγορίθμου προσγείωσης: Αναγνώριση των σημείων Υπολογισμός σφάλματος απόστασης Υπολογισμός επιθυμητών ταχυτήτων Υπολογισμός απαραίτητων δυνάμεων και ροπών Εφαρμογή δυνάμεων και ροπών και επανάληψη διαδικασίας 42

43 Φάση 2 : Τυφλή προσγείωση Βήματα αλγορίθμου προσγείωσης: Καθορισμός σταθερής ταχύτητας προσγείωσης Υπολογισμός απαραίτητων δυνάμεων και ροπών Εφαρμογή δυνάμεων και ροπών και επανάληψη διαδικασίας 43

44 Φάση 3 : Κατάσταση αδράνειας Βήματα αλγορίθμου προσγείωσης: Μηδενισμός των στροφών των Η/Κ Τέλος προσγείωσης 44

45 Αποτελέσματα MATLAB Raspberry Pi 45

46 Συνθήκες προσομοίωσης Αρχική γωνία (yaw): 25 μοίρες Τελική γωνία (yaw): 0 μοίρες Αρχική θέση: [15.2, 5.3, 15] Επιθυμητή θέση: [2.5, 2.5, 3.4] Ταχύτητα πλατφόρμας: [0, 0, 0] Θόρυβος ανέμου: ΟΧΙ 46

47 Σενάριο σταθερού στόχου 47

48 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον X άξονα 48

49 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον Υ άξονα 49

50 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον Ζ άξονα 50

51 Διάγραμμα Ταχύτητας-Χρόνου στον X άξονα 51

52 Διάγραμμα Ταχύτητας-Χρόνου στον Υ άξονα 52

53 Διάγραμμα Ταχύτητας-Χρόνου στον Ζ άξονα 53

54 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον X άξονα 54

55 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον Υ άξονα 55

56 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον Ζ άξονα 56

57 Διάγραμμα Ροπής-Χρόνου στον X άξονα 57

58 Διάγραμμα Ροπής-Χρόνου στον Υ άξονα 58

59 Διάγραμμα Ροπής-Χρόνου στον Ζ άξονα 59

60 Συνθήκες προσομοίωσης Αρχική γωνία (yaw): 25 μοίρες Τελική γωνία (yaw): 0 μοίρες Αρχική θέση: [15.2, 5.3, 15] Επιθυμητή θέση: [2.5, _, 3.4] Ταχύτητα πλατφόρμας: [0, 0.5, 0] Θόρυβος ανέμου: ΝΑΙ 60

61 Σενάριο κινούμενου στόχου 61

62 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον X άξονα 62

63 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον Y άξονα 63

64 Διάγραμμα Θέσης-Χρόνου στον Ζ άξονα 64

65 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον X άξονα 65

66 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον Y άξονα 66

67 Διάγραμμα Δύναμης-Χρόνου στον Ζ άξονα 67

68 Πειράματα MATLAB Raspberry Pi 68

69 Προσγείωση με χρήση αισθητήρα απόστασης Υλοποίηση των φάσεων προσγείωσης στο φυσικό μοντέλο, χρησιμοποιώντας αισθητήρα απόστασης. 69

70 Δομικό διάγραμμα προσγείωσης Αισθητήρας απόστασης Επιθυμητή Απόσταση - Τρέχον Απόσταση Σφάλμα απόστασης P ελεγκτής ώθησης 70

71 Διάγραμμα Απόστασης- Χρόνου Ύψος Μέγιστο ύψος Χρόνος 71

72 Εντοπισμός σημείων ενδιαφέροντος Η υλοποίηση του αλγορίθμου εντοπισμού 4 σημείων έγινε στο Raspberry Pi με την βιβλιοθήκη OpenCV 72

73 Μελλοντικά θέματα Αναγνώριση σημείου-στόχου Μοντελοποίηση των Η/Κ Δημιουργία αναλυτικού μοντέλου θορύβου 73

74 Τέλος Σας ευχαριστώ θερμά για την προσοχή σας! 74

Σχετικά έγγραφα

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΤΗΣΗΣ 3A: ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ

ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΣ ΠΤΗΣΗΣ 3A: ΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΙΝΗΣΗΣ ΓΕΝΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ Συστήματα αξόνων του αεροσκάφους Κίνηση αεροσκάφους στην ατμόσφαιρα Απαιτούνται κατάλληλα συστήματα αξόνων για την περιγραφή