Pályatervezés és szabályozás objektumok felkapásához és szállításához kvadkopterekkel

Napjainkban széles körben alkalmaznak kvadrotorokat különböző ipari feladatokra, mint például mezőgazdasági monitorozás, nagyfeszültségű hálózat állapotfelmérése, illetve kamerafelvételek rögzítése hírközlés céljából. A felsorolt alkalmazások passzívak abból a szempontból, hogy a drón közvetlenül nem avatkozik be az adott rendszer viselkedésébe. Ilyen és hasonló feladatok ellátáshoz elegendő a jármű és az erre felszerelt kamera. Különböző kiegészítő eszközök hozzáadásával azonban jelentősen bővíthető a drón képességeinek száma, alkalmasak lesznek aktív feladatok ellátására is. Az utóbbi évek során számos innováció irányult a kvadkopterekre alapozott robotikai berendezések fejlesztésére, aminek eredményeképp ezek a rendszerek képesek lesznek tárgyak felemelésére és mozgatására, illetve mechanikai rendszerek összeszerelésére is.

Az aktív feladatok közé tartozik a csomagszállítás, ami bizonyos kialakítással napjainkban is előfordul ipari alkalmazásokban. Itt legtöbbször a csomag a járműhöz van rögzítve, ami ugyan egyszerű mechanikailag, azonban növeli a kvadkopter inerciáját, ezzel csökkenti az agilitását, így nehezítve az irányítást és a szabályozás elvárt performanciájának biztosítását. Ennek a problémának a megoldására a kutatások nagy része azt javasolja, hogy a csomag kötéllel legyen a kvadkopterhez rögzítve, ami jól kezelhető matematikai modellt és jó manőverezési tulajdonságokat eredményez. A kötéllel való rögzítés előnye továbbá, hogy egy nehéz csomag felemeléséhez több drón is alkalmazható kollaboratív módon. A szabadsági fokok nagy száma azonban nehezíti a precíz pozícinálást, illetve a kötél megfeszülésének fizikai modellezése igen komplex.

Ezen feladatok megoldására munkánk során a következő mechanizmust javasoljuk: a kvadkopterhez egy szabadságfokú rotációs csuklón keresztül egy rudat rögzítünk, aminek végén egy kampó található. A feladat, hogy ezzel a manipulátorral felkapjunk egy csomagot (amin szintén található kampó), majd egy előre definiált célpozícióba szállítsuk azt, és letegyük. Gyártási folyamatok során, ahol drónok részt vesznek alkatrészek szállításában különböző cellák között, fontos az időszükséglet minimalizálása, hiszen többek között ez határozza meg a termelékenységet, így a folyamat nyereségessgét. Ennek megfelelően a felkapáshoz és szállításhoz időoptimális mozgást tervezünk, kihasználva a kvadkopter fizikai adottságait. A gyors, agilis manőverek végrehajtása valós környezetben, zavarások mellett fejlett mozgásszabályozást igényel. Ennek megoldására a dolgozatban bemutatunk egy nemlineáris, robusztus pályakövető szabályozó algoritmust, ami képes a zavarások elnyomására. Az említett irányítás tervezéséhez szükség van a struktúra dinamikai modelljének ismeretére, így ezt szintén levezetjük fizikai alapelvek alapján.

A javasolt pályatervezés és szabályozás paraméter optimalizációjára és analízisére egy nagy megbízhatóságú fizikai szimulátort alkalmazunk. Az eljárások validációjához számos valós helyzetet szimulálunk, amelyek során komplex feladatokat hajt végre a manipulátor külső zavarások mellett, mint például több objektum sorozatos felkapása és szállítása. Végül elemezzük a mechanizmus valós implementációját és ennek kihívásait, illetve bemutatjuk a további fejlesztési lehetőségeket.

szerző

• 
  Antal Péter
  Villamosmérnöki szak, mesterképzés
  mesterképzés (MA/MSc)

konzulensek

• 
  Péni Tamás
  tudományos főmunkatárs, Számítástechnikai és Automatizálási Kutatóintézet (külső)
• 
  Dr. Tóth Roland
  Tudományos Munkatárs, SZTAKI (külső)
• 
  Dr. Harmati István
  egyetemi docens, Irányítástechnika és Informatika Tanszék

helyezés