Редактирование: Проект "Трикоптер"

Проект, осуществляемый [[Клуб технического творчества|Клубом технического творчества]] при поддержке кафедры [["Теоретическая Механика"]].

== Участники ==

* [[Веренинов Игорь]] 
* [[Верховых Михаил]]
* [[Кузькин Виталий]]
* [[Пшенов Антон]]

== Трикоптер v1.0 ==

=== Оборудование ===
*Платформа сборки: Arduino
*Гироскопы: Melexis MLX90609 типа MEMS, 300 deg/sec
*Радиолинк: Spektrum DSM2 FHSS-технология. Аппаратура все время меняет частоту передачи, обеспечивая надежную связь в радиусе до 1км.
*Серво поворотного механизма: Hitec HS-81MG , с металлическим редуктором.
*Аккумулятор: Li-Po 2.2Ah 25C 11.1V 
*Двигатели: 200Вт 1000kv бесколлекторные

=== Рама ===

<gallery widths=300px heights=210px perrow = 2>
Файл:Cptr1.JPG|Самое начало проекта, установлен только один мотор
Файл:Cptr3.JPG|Поворотный механизм
Файл:Cptr2 1749.JPG|Полностью собранный коптер установлен на стенд для настройки ПИД коэффициентов
Файл:Cptr4.JPG
</gallery>

=== Структурная схема ===

[[Файл:3copter_scheme.jpg‎]]

=== Программирование ===

Программирование осуществлялось на языке/диалекте Wiring-C++ в среде Arduino.
Первым делом надо было просто заставить коптер полететь, поэтому алгоритмы обработки датчиков и управления предельно простые.

==== Вычисление угловой скорости ====

В этом проекте использованы три гироскопа MLX90609 , они имеют аналоговые выходы для данных о угловой скорости и встроенный температурный датчик для устранения дрифта.
Микроконтроллер получает от гироскопа значения в диапазоне 0-1024, затем с учетом чувствительности 300 градусов в секунду производит расчет угловой скорости. Кроме того вычитается байес - значение которое показывает сенсор при отсутствии вращения. Таким образом окончательная формула выглядит так:

  for( int i=0; i<3; i++)
  {
    float tmp=0;
      for(int j=0;j<10;j++)
      {
          tmp+=analogRead(pin[i]);// oversampling
      }
   tmp/=10.0;
   omega[i]=(tmp-bias[i])*gain[i]; 
 }

Использование оверсэмплинга, то есть многократного повторного чтения входа, позволяет увеличить разрешение на бит.

==== Задание угловой скорости ====

На данном этапе, управление аппаратом организовано посредством задания угловой скорости вокруг каждой оси с пульта управления.  Данные о положении джойстиков кодируются и передаются на приемник,  находящийся на коптере. Микроконтроллер получает информацию с приемника и  приводит ее к формату удобному для вычисления.

[[Файл:futaba.JPG‎|400px]]

==== ПИД-регулятор ====

Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор — устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально входному сигналу, второе — интеграл входного сигнала, третье — производная входного сигнала. [http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%98%D0%94-%D1%80%D0%B5%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80 Подробнее...]

В каноническом виде уравнение ПИД-регулятора выглядит так:

: <math>u(t) = P + I + D = K_p\,{e(t)} + K_i\int\limits_{0}^{t}{e(\tau)}\,{d\tau} + K_d\frac{de}{dt}</math>

Программная реализация. Входом регулятора служит разность желаемой и текущей угловых скоростей.

      error = RCToDeg(RC[i+1]) - omega[i];
      Ipart+= error*Dt;
      Ipart= constrain(Ipart,-20,20); 
      Dpart = (omega - oldomega)/float(Dt);
      oldomega =omega;
      axisPID = Pgain*error + Dgain*Dpart + Igain*Ipart;

== Трикоптер v1.1 ==

После отладки алгоритма и тестовых полетов, рама коптера пришла в полную негодность, появились трещины и люфты. Для продолжения работы понадобился новый трикоптер. Версия 1.1 почти в два раза больше первой, лучи подросли до 30см, увеличилась и площадка под электронику .Новые шасси должны хорошо аммортизировать жесткие посадки и обеспечивать более стабильный взлет. Электроника осталась прежней.

<gallery widths=300px heights=210px perrow = 2>
Файл:wiring.JPG|Рама собрана, начинается разводка проводов
Файл:wiring1.JPG|Почти вся электроника  на своих местах
Файл:copter.JPG|Коптер - первые минуты на ногах
Файл:DSC05675.JPG|Облетал v1.1  - [http://www.youtube.com/watch?v=bNR5G9Fad5g видео]
</gallery>

== Создание адаптивного регулятора ==

=== Моделирование ===

Важной задачей для разработки эффективной системы управления является создание модели коптера. На ней можно провести  все испытания, не подвергая при этом опасности реальный аппарат. 
Модель была запрограммирована в среде SIMULINK, управлять ей можно, как и настоящим коптером  - при помощи пульта.
[http://www.youtube.com/watch?v=qhvg1urI5EY первые  виртуальные полеты] 

Программа пока работает не очень точно, это связано с тем что не вводились параметры реального аппарата.

=== Регулятор ===

''Здесь будет про фази-ПИД...''

=== Алгоритм оптимизации ===

Алгоритм swarm был написан [[Пшенов Антон|Антоном Пшеновым]].

== Результаты ==

# Данный проект был представлен на международной конференции школьников [http://www.school.ioffe.ru/readings/2011/meeting.html Сахаровские Чтения 2011], где удостоился специального диплома "за успешное продвижение в работе над перспективной темой".
# 15 Июня 2011г. трикоптер, совершил свой [http://www.youtube.com/watch?v=5WGxiVSGcUY&feature=player_embedded первый полет]
# Первые фотографии с борта
<gallery widths=220px heights=200px perrow = 3>
Файл:Height.jpg
Файл:Tree.jpg
Файл:House2.jpg
</gallery>

== Планы ==

В дальнейшем планируется создать адаптивный (самонастраивающийся) ПИД-регулятор.

== Публикации по теме проекта ==

*  Веренинов И.А., Кузькин В.А. Разработка математической модели и прототипа трикоптера // Сборник трудов конференции "Неделя науки СПбГПУ", 2011 [направлено в печать] ([[Медиа: Vereninov_2011_SW_05.pdf |prerint_v.01]], [[Медиа: Vereninov_2011_SW_04.pdf | prerint_v.02]])

== См. также ==

* [[Беспилотный летательный аппарат]]
* [[Клуб технического творчества]]


[[Category: Студенческие проекты]]
[[Category: Проект "Трикоптер"]]