Modelling quadrocopter digital control subsystems

Abstract

В работе предлагается подход к моделированию систем стабилизации квадрокоптеров. В ходе конструирования БПЛА рассмотрены и выбраны конкретные аналоговые и цифровые подсистемы, описаны их характеристики. Предложенная математическая постановка задачи стабилизации дрона учитывает влияние указанных подсистем. Основными факторами, оказывающими влияние на цифровую систему управления полётом, являются дискретный характер обработки информации в полётном контроллере, задержка акселерометров и гироскопов при сборе данных, наличие шумов в каналах измерения и управления, управление силовой подсистемой с помощью широтно-импульсной модуляции. Проведённый вычислительный эксперимент моделирует динамику системы стабилизации с учётом влияния перечисленных факторов и без учёта. Характер графиков переходных процессов и численная оценка критериев качества демонстрируют необходимость адаптации контура системы управления к используемым на борту аналогово-цифровым компонентам. Для сравнения выбраны регуляторы, полученные как на идеальной модели, так и в постановке, учитывающей характеристики и жизненный цикл реальных бортовых устройств и компонентов. Полученные результаты можно использовать для разработки методики по оптимизации стабилизирующих регуляторов с учетом влияния аналого-цифровых подсистем.

This paper proposes an approach to modeling system of stabilization of the quadcopter. Design process of the UAV is considered. It’s taken specific analog and digital subsystems with their characteristics. Mathematical formulation of the drone stabilization problem takes into account the impact of these subsystems. The main factors influencing the digital flight control system are discrete flight controller processing, the delay of accelerometers and gyroscopes during data acquisition, the noise in the channels of measurement and control, the using pulse width modulation for power subsystem. Computational experiment models the dynamics of the stabilization system with the influence of these factors and without them. As presented on the transient processes charts, it is needed the adaptation of closed loops to onboard analog-to-digital components. For comparison, some controllers is selected controllers. These controllers are obtained using the ideal model as well as using model, that includes the characteristics and the life cycle of a real onboard devices and components. The obtained results can be used as a technique for optimizing the stabilizing regulators under the influence of analog-digital fly subsystems.