Wojciech Tarnawski1
Streszczenie: W artykule poruszono zagadnienia dotyczące dynamiki sterowania modelarskimi silnikami BLDC wykorzystywanymi przy budowie obiektów latających typu wielowirnikowce. Przedstawiono wyniki badań szybkości zmiany prędkość dla wybranych regulatorów.
Słowa kluczowe: wielowirnikowce, silnik BLDC, regulator, dynamika
1. Wprowadzenie
W codziennym życiu coraz częściej można spotkać obiekty unoszące się w powietrzu wielkości obudowy od komputera stacjonarnego. Kiedyś tego typu konstrukcje były kosztowne i skomplikowane, przez co swoje zastosowanie znajdowały głównie w wojsku i przemyśle filmowym. Obecnie najpopularniejszymi obiektami latającymi są drony wyposażone w kilka śmigieł. Ten typ statków powietrznych nazwano wielowirnikowcami. Takie konstrukcje posiadają prostą mechanikę, są łatwe w sterowaniu i umożliwiają wykonywanie różnych akrobacji w powietrzu.
Wraz z upływem czasu, kiedy dostrzeżone zostało, jak wiele korzyści niesie używanie dronów, sporo firm komercyjnych zajęło się produkcją takich maszyn i wprowadziło je na rynek konsumencki. Można kupić drony dla dzieci, których zadaniem jest dostarczenie nowej formy zabawy. Drony półprofesjonalne do kręcenia filmów, robienia zdjęć w podróżach, czy jeszcze bardziej zaawansowane konstrukcje profesjonalne do zadań specjalnych[1]. Taka różnorodność produktów spowodowała obniżenie ceny i popularyzację tego typu konstrukcji.
W zastosowaniach specjalnych dużo większą wagę przykłada się do wykonania produktu, jak i jego końcowej funkcjonalności. Dużo ośrodków naukowych pracuje nad lepszymi algorytmami sterowania [2][3]. Dla różnych branż ciągle najważniejszy pozostaje czas lotu obiektu, stabilność i ruch po zadanej trajektorii lotu [4].
2. Zasada działania i problematyka
Obecnie produkowane i sprzedawane obiekty latające typu wieloriwnikowce wyposażone są w małe silniki BLDC sterowane specjalistycznymi regulatorami. Silnik posiada zamontowane odpowiednie śmigło. Taki zestaw trzech komponentów tworzy kompletny pojedynczy układ napędowy. Układ odpowiedzialny jest za generowanie siły, która wprawia w ruch obiekt latający [5]. W zależności od typu obiektu takich układów napędowych potrzeba czterech sztuk dla quadrocotperów, sześciu sztuk dla hexacopterów itd. Sterowanie nimi odbywa się niezależnie i jest wykonywane przez komputer pokładowy. Komputer na podstawie wbudowanych układów sensorycznych i algorytmów planowania ruchu wysyła sygnały do każdego regulatora z nowymi nastawami. Regulator przetwarza otrzymane nowe nastawy na sygnał sterujący dla silnika BLDC, co wpływa bezpośrednio na prędkość obrotową silnika. Sygnał przekazywany pomiędzy
1 Politechnika Wrocławska, Katedra Automatyki, Mechatroniki i Systemów Sterowania, Janiszewskiego 11/17, Wrocław, w.tarnawski@pwr.wroc.pl
komputerem pokładowym i regulatorem jest sygnałem RC-PWM. Ustawienie zakresu pracy regulatora odbywa się również przez sygnał RC-PWM. Opóźnienia wynikające z niskiej częstotliwości sygnału sterującego, małej dokładności przy ustawianiu parametrów regulatora powodują różnice w prędkości obrotowej każdego z układów napędowych w czasie zmiany prędkości obrotowej. Problem ten został zbadany przy wykorzystaniu stanowiska testowego i wyniki przedstawiono w artykule.
3. Stanowisko testowe
Do przeprowadzenia pomiarów nad szybkością zmiany prędkości obrotowej śmigła zastosowano stanowisko pomiarowe zaprezentowane na rysunku 1. Stanowisko umożliwia pomiar parametrów takich jak: prędkość obrotowa silnika, ciąg generowany przez śmigło, napięcie zasilania układu napędowego, prąd pobierany przez układ napędowy. Prędkość obrotowa jest mierzona przy wykorzystaniu wiązki laserowej skierowanej na element światłoczuły. Obracające śmigło przerywa promień lasera, powodując zmianę stanu na wyjściu czujnika. Ilość przerwań wiązki światła na jeden obrót zależny jest od ilości łopat śmigła. Parametr reprezentujący ilość łopat należy ustawić w oprogramowaniu stanowiska. Ciąg śmigła za pomocą ruchomego ramienia jest transferowany w postaci nacisku na belkę tensometryczną zamontowaną w podstawie stanowiska.
Pomiar wagi wykonywany z wykorzystaniem belki odpowiada ciągowi generowanemu przez dany układ napędowy. Do pomiaru prądu w zakresie 0-30A wykorzystano czujnik, który wykorzystuje efekt Halla. Takie rozwiązanie redukuje spadki napięcia, jakie pojawiły by się przy pomiarze prądu z zastosowaniem rezystorów pomiarowych. Wszystkie pomiary wykonywane są z częstotliwością 100 Hz i przesyłane do komputera za pomocą złącza USB. Otrzymane dane są zapisywane w postaci pliku tekstowego, który można poddać dalszej obórce w dowolnym oprogramowaniu.
Dokładny opis stanowiska można znaleźć w raporcie [6].
Rys. 1. Stanowisko testowe
3. Badania i wyniki
Testy wykonano dla silnika EMAX MT2213 935KV (szczegółowe parametry przedstawiono w tabeli) z zamontowanym śmigłem dwupłatowym APC 8x3,8 SFP.
Tab. 1. Parametry silnika EMAX MT2213
Parametr Wartość
Moc maksymalna 106W
Waga 53g
Ciąg statyczny 860
Obr/V 935
Napięcie pracy 11,1-14,8V
Pobór prądu bez obciążenia 1A
Maksymalny pobór prądu 9,6A
Na stanowisku przebadano 3 różne regulatory modelarskie (rys. 2):
- HobbyKing 20A UBEC
- ABC-POWER Multicopter 30A - ESC BLHeli-S 25A
Rys. 2. Regulatory modelarskie (od lewej: HobbyKing, ABC-POWER, ESC BLHeli)
Ustawiono prędkość minimalną wyznaczoną przez sygnał RC-PWM o szerokości 1,05ms a następnie podawano drugą prędkość o szerokości sygnału 1,85ms. Jest to zakres odpowiadający minimalnej i maksymalnej prędkości obrotowej. Wyniki badań przedstawiono na wykresie umieszczonym na rysunku 3. Mimo podawania jednakowego sygnału sterującego, każdy regulator sterował silnik z różną prędkością obrotową. Przy kolejnych badaniach dostrojono sygnał sterujący dla każdego regulatora osobno, w taki sposób aby uzyskać porównywalne prędkości obrotowe.
Wyniki eksperymentu zostały przedstawione na wykresie znajdującym się na rysunku 4.
Regulator HobbyKing jest regulatorem starszego typu i nie posiada oprogramowania zoptymalizowanego do sterowania wielowirnikowcami. Przełożyło się to na znaczny czas
potrzebny do osiągniecia prędkości maksymalnej, który wynosił 275ms. Pozostałe dwa regulatory są konstrukcjami dedykowanymi do dronów i czas osiągnięcia prędkości maksymalnej wynosił w przybliżeniu 175ms. Można zaobserwować, że od momentu podania nowego sygnału sterującego do rozpoczęcia przez regulator zmiany prędkości obrotowej silnika mija około 25ms. Jest to opóźnienie spowodowane wolnym sygnałem sterującym, jakim jest RC-PWM. Z otrzymanych wykresów dynamiki i ich kształtu można wysunąć wniosek o samym algorytmie sterowania zaimplementowanym w regulatorze. Regulator BLHeli zwiększa prędkość liniowo, natomiast regulator ABC-POWER po otrzymaniu nowej wartości zadanej podaje duży prąd na silnik. Zaletą takiego sterowania jest szybsze osiągnięcie wyższej prędkości, ale negatywnym efektem jest nagłe pobranie dużego prądu z baterii, co powoduje zmniejszenie sprawności ogniwa i przyczynia się do skrócenie czasu lotu.
Rys. 3. Wykres szybkości narostu prędkości obrotowej dla różnych regulatorów przy zastosowaniu jednakowego sygnału sterującego
Rys. 4. Wykres szybkości narostu prędkości obrotowej dla różnych regulatorów przy zastosowaniu sygnału sterującego dopasowanego do prędkości
3. Podsumowanie
Przeprowadzonymi badaniami wykazano, że różne regulatory posiadają wbudowane inne algorytmy sterujące, inne parametry regulatorów. Szybkość zmiany prędkości obrotowej i reakcji na sygnał jest różna i najlepiej stosować regulatory dedykowane do dronów. Ponadto w jednym wielowirnikowcu należy montować takie same regulatory. Wykazano, że opóźnienia spowodowane sygnałem RC-PWM są znaczące i warto zastanowić się nad zmianą sygnału sterującego na szybszy interfejs cyfrowy np. I2C, CAN itp. Otrzymane wyniki badań pozwolą na zaimplementowanie modelu wybranego regulatora w środowisku symulacyjnym, co przybliży wyniki uzyskiwane z symulacji do rzeczywistego obiektu latającego.
Literatura
[1] Antonio Guillen-Perez; Ramon Iborra; Maria-Dolores Cano; Juan Carlos Sanchez-Aarnoutse; Joan Garcia-Haro: WiFi networks on drones, ITU Kaleidoscope: ICTs for a Sustainable World (ITU WT), 2016
[2] R. Mahony, V. Kumar, P. Corke: Multirotor Aerial Vehicles. Modeling, estimation and control of quadrotor, IEEE Robotics & Automation, 2012
[3] Bogusław Szlachetko, Michał Lower: Stabilisation and steering of quadrocopters using fuzzy logic regulators. ICAISC 2012 Springer, 2012. s. 691-698.
[4] Michał Lower, Wojciech Tarnawski: Quadrotor navigation using the PID and neural network controller. DepCoS-RELCOMEX, 2015, Springer, cop. 2015. s. 265-274.
[5] Wojciech Tarnawski, Jakub Malewicz: Porównanie śmigieł dwu- i trzyłopatowych stosowanych w wielowirnikowych układach latających. W: Interdyscyplinarność badań naukowych 2015 [Dokument elektroniczny] : praca zbiorowa / pod red. Jarosława Szreka. Wrocław : Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2015. s. 269-274.
[6] Wojciech Tarnawski: Opracowanie stanowiska do automatycznego pomiaru układów napędowych stosowanych w obiektach wielowirnikowych. Raporty Katedry Automatyki, Mechatroniki i Systemów Sterowania Politechniki Wrocławskiej. 2018, Ser. PRE nr W04/2018/P-015.