Attitude control algorithm for quadcopter : design and implementation for indoor tasks

Abstract

Um den Studenten die Möglichkeit zu bieten, in der Praxis ihre erlangten Kenntnisse über Regelungstechnik, Programmierung und der Interaktion zwischen Computer und automatisierter Maschine oder Roboter umzusetzen, wird an der Universitat Politècnica de Catalunya ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV…unmanned aerial vehicle, oft: Drohne) eingesetzt. Es handelt sich dabei um das Modell „Hummingbird“ des Herstellers intel (früher Ascending Technologies), der sich auf die Herstellung von Drohnen für Forschungszwecke spezialisiert hat. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Lageregelung für die Drohne zu entwerfen, die es ermöglicht die Position zu halten. Im Unterschied zu bereits entwickelten Algorithmen, die größtenteils auf dem Einsatz von GPS als Hilfsmittel zur Positionsregelung basieren, kann diese Technologie hier nicht genutzt werden, da die Aufgabe in den Laborräumlichkeiten der UPC zu erledigen ist. Zusätzlich zu den bereits vorhandenen Prozessoren, wird noch ein weiterer Computer montiert, auf dem das Betriebssystem Linux läuft. Weiters ist die Bewältigung der Aufgabe mittels ROS, einem in der Robotertechnik viel verbreiteten Betriebssystem, erfolgen. Das auszuführende Programm wird in der Programmiersprache C++ geschrieben und in ROS ausgeführt. Während des Fluges kann eine drahtlose Verbindung via WLAN zwischen dem ortsfesten Computer und der Drohne hergestellt werden, um Änderungen vorzunehmen. Der Algorithmus wurde zuerst mittels Simulink simuliert und anschließend als C++ Code am Prozessor der Drohne implementiert. Die Reglerparameter wurden mittels numerischer Optimierung des Simulink Modells ermittelt. Durchgeführte Experimente am realen Objekt bestätigten die aus der Simulation gewonnenen Parameter der Regelung. Diese Masterarbeit wurde im Rahmen eines ERASMUS+ Auslandssemesters an der Universitat Politècnica de Catalunya durchgeführt. Der Auslandsaufenthalt erstreckte sich von September 2017 bis Jänner 2018.

For research reasons, the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) uses an unmanned aerial vehicle(UAV) for the students to obtain knowledge about control algorithms, programming and the interaction between user interfaces, that is, a computer and a robot or an independent machine acting according to the implemented algorithm. The UAV is the model “Hummingbird”, manufactured by the Company intel (former Ascending Technologies), which developed an own series of UAVs especially designed for researching reasons. The target of the project described in this thesis is to implement an attitude control algorithm so that the UAV can maintain its position. Apart from existing control algorithms already implemented in commercial drones which use GPS to obtain data of the actual position, there has to be found another solution as the realization of this project is to be made in the laboratories of the UPC, i.e. indoors. A processor running the operating system Linux will be mounted on the UAV, in addition to the existing two. The whole system will also run ROS, a special operating system and base for operating robots and other autonomous vehicles. The program is written in the programming language C++ and executed in ROS. Through the computer on the vehicle, it can operate autonomously. Nevertheless, a connection between the stationary main computer and the flying device can be established via Wi-Fi to send correcting commands in case of failure. The control algorithm was developed using a simulation software called Simulink where the parameters of the model were obtained. The parameters of the controllers were then optimized using numerical optimization based on the Simulink model. Experiments with the code implemented on the processor of the vehicle proved the parameters found in the simulation were right. This work was developed during an ERASMUS+ semester abroad at the Universitat Politècnica de Catalunya. The stay lasted from September 2017 until January 2018.