08gr833 Student Report

8/3/2019 08gr833 Student Report

1/136

D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c S y s t e m s

8 t h S e m e s t e r

A u t o n o m o u s H o v e r i n g w i t h a Q u a d r o t o r

H e l i c o p t e r

A u t h o r s :

C h r i s t i a n F i n k P e t e r s e n

H e n r i k H a n s e n

S t e e n L a r s s o n

L a r s B o T h e i l g a a r d M a d s e n

M i c h a e l R i m e s t a d

S u p e r v i s o r :

M a r t i n K r a g e l u n d

A s s i s t S u p e r v i s o r :

M o r t e n B i s g a a r d

J u n e 2 , 2 0 0 8


2/136


3/136

A u t o m a t i o n a n d C o n t r o l - 8 t h s e m e s t e r

D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c S y s t e m s

F r e d r i k B a j e r s V e j 7 , A 1

T e l e p h o n e 9 6 3 5 8 6 0 0

F a x 9 8 1 5 1 5 8 3

h t t p : / / i e s . a a u . d k

T i t l e :

A u t o n o m o u s H o v e r i n g w i t h a

Q u a d r o t o r H e l i c o p t e r

T h e m e :

I n t e l l i g e n t A u t o n o m o u s S y s t e m s

P r o j e c t p e r i o d :

8 t h s e m e s t e r , s p r i n g 2 0 0 8

P r o j e c t g r o u p :

0 8 g r 8 3 3

M e m b e r s o f g r o u p :

M i c h a e l R i m e s t a d

C h r i s t i a n F i n k P e t e r s e n

H e n r i k H a n s e n

S t e e n L a r s s o n


S u p e r v i s o r :

M a r t i n K r a g e l u n d

M o r t e n B i s g a a r d

C o p i e s : 8

P a g e s : 1 2 6

A t t a c h m e n t : O n e C D

P r i n t e d : J u n e 2 n d , 2 0 0 8

S y n o p s i s :

T h e p u r p o s e o f t h i s p r o j e c t i s t o m a k e a

q u a d r o t o r h e l i c o p t e r ( X - P r o ) h o v e r . I n o r -

d e r t o a c h i e v e t h i s , t h e h e l i c o p t e r i s r s t

a n a l y s e d t o u n d e r s t a n d t h e p h y s i c a l p e r -

s p e c t i v e s . T h e m o d e l o f t h e X - P r o i s d i -

v i d e d i n t o t h r e e p a r t s , m o t o r / g e a r , r o t o r

a n d b o d y . A n a n a l y s i s o f t h e e l e c t r o n i c s

m o u n t e d o n t h e X - P r o i s m a d e i n o r d e r

t o a c h i e v e k n o w l e d g e a b o u t t h e g y r o s c o p e

a n d m i x e r .

T h e m o t o r s a r e m o d e l l e d u s i n g s y s t e m

i d e n t i c a t i o n a s A R X m o d e l s . T h e r o t o r s

a r e f o u n d t o b e d e s c r i b e d b y a s e c o n d o r d e r

p o l y n o m i a l . T h e X - P r o b o d y i s m o d e l l e d

a s a r i g i d o b j e c t u s i n g t h e d y n a m i c s a n d

k i n e m a t i c s r e l a t i o n s h i p .

T h e i d e n t i e d m o d e l o f t h e X - P r o i s l i n -

e a r i s e d , i n o r d e r t o d e s i g n a L Q R c o n -

t r o l l e r . A P I D c o n t r o l l e r i s a l s o d e s i g n e d .

T o t r a c k t h e a n g l e a n d p o s i t i o n o f t h e

X - P r o a V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m

i s u s e d a s s e n s o r s t o c l o s e t h e c o n t r o l

l o o p s . B o t h c o n t r o l l e r s a r e i m p l e m e n t e d

a n d a c h i e v e t h e o b j e c t i v e o f h o v e r i n g .

T h e c o n t e n t o f t h i s r e p o r t i s f r e e l y a v a i l a b l e , b u t p u b l i c a t i o n i s a l l o w e d o n l y w i t h c o m p l e t e r e f e r e n c e .


4/136

2


5/136

P r e f a c e

T h i s r e p o r t i s w r i t t e n b y g r o u p 8 3 3 o n t h e 8 t h s e m e s t e r a t t h e I n s t i t u t e f o r E l e c t r o n i c S y s t e m s , i n

t h e p e r i o d f r o m F e b r u a r y t h e 2 n d t o J u n e t h e 3 r d , 2 0 0 8 . T h e t h e m e o f t h e s e m e s t e r i s M o d e l l i n g

a n d C o n t r o l . T h e p u r p o s e w i t h t h e s e m e s t e r p r o j e c t i s T o u n d e r s t a n d t h e c o n c e p t o f m o d e r n

c o n t r o l , a n d d e v e l o p a m o d e l o f a m e c h a n i c a l s y s t e m t o f a c i l i t a t e t h e a p p l i c a t i o n o f m o d e r n

c o n t r o l [ G u i 0 7 , p . 2 2 ] .

T h e r e p o r t i s o r g a n i z e d i n 1 3 c h a p t e r s , a n d a n a p p e n d i x . I n t h e f o l l o w i n g a b r i e f o v e r v i e w o f a l l

t h e c h a p t e r s w i l l b e o u t l i n e d , t o g i v e t h e r e a d e r i n s i g h t i n t o t h e o v e r a l l s t r u c t u r e a n d c o n t e n t s

o f t h e r e p o r t .

C h a p t e r 1 , I n t r o d u c t i o n G i v e s a n i n t r o d u c t i o n t o t h e p r o j e c t , i n c l u d i n g s e t t i n g u p t h e

o b j e c t i v e s f o r t h e q u a d r o t o r h e l i c o p t e r

P a r t I A n a l y s i s

C h a p t e r 2 , S y s t e m D e s c r i p t i o n G i v e s a t h o r o u g h s y s t e m d e s c r i p t i o n o f t h e X - P r o q u a d r o t o r h e l i c o p t e r , i n c l u d i n g t h e s e n s o r s a n d a c t u a t o r s m a d e a v a i l a b l e f o r t h e p r o j e c t .

C o n c l u d e s w i t h t h e r e q u i r e m e n t s s p e c i c a t i o n f o r t h e X - P r o .

C h a p t e r 3 , R e q u i r e m e n t S p e c i c a t i o n T h e l i s t o f r e q u i r e m e n t s f o r a u t o n o m o u s g h t i n h o v e r .

P a r t I M o d e l l i n g

C h a p t e r 4 - 8 , M o d e l l i n g T h e r s t 5 c h a p t e r s u n d e r t h e m o d e l l i n g p a r t d e s c r i b e s a n d d e r i v e s t h e m o d e l . T h e r s t c h a p t e r g i v e s a g e n e r a l o v e r v i e w o f t h e m o d e l o f t h e X - P r o ,

w h i c h i s b a s i s f o r t h e f o l l o w i n g 4 c h a p t e r s , t h a t d e s c r i b e s t h e F o r c e G e n e r a t i o n t h a t a e c t s

t h e x - p r o , t h e P r o j e c t i o n o f t h e f o r c e s f o l l o w e d b y t h e m o d e l f o r t h e D y n a m i c a n d K i n e m a t i c

p a r t o f t h e X - P r o .

C h a p t e r 9 , C o m b i n i n g t h e m o d e l I n t h i s c h a p t e r t h e m o d e l s d e r i v e d i n t h e r s t p a r t o f t h e m o d e l l i n g a r e c o m b i n e d t o o n e .

3


6/136

C h a p t e r 1 0 - 1 1 , M o d e l V e r i c a t i o n T h e c o m b i n e d m o d e l i s i n t h i s c h a p t e r c o m p a r e d t o i g h t d a t a f r o m t h e r e a l m o d e l , t o v e r i f y i f t h e c o m b i n e d m o d e l i s r e s p o n d i n g c o r r e c t

a c c o r d i n g t o t h e r e a l m o d e l . A n d t h e l i n e a r m o d e l c o m p a r e d t o t h e n o n - l i n e a r m o d e l .

C h a p t e r 1 2 , M o d e l D i s c u s s i o n T h e m o d e l p a r t d i s c u s s i o n , w r a p s u p t h e m o d e l p a r t .

P a r t I I C o n t r o l l e r

C h a p t e r 1 3 , P I D C o n t r o l l e r D e s i g n T h i s i s t h e r s t c h a p t e r i n t h e c o n t r o l l e r d e s i g n . I t d e s c r i b e s t h e i m p l e m e n t a t i o n a n d t e s t o f a s i m p l e P I D c o n t r o l l e r c o n t r o l l i n g t h e X - P r o .

C h a p t e r 1 4 , S t a t e s S p a c e C o n t r o l l e r T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s h o w a s t a t e s p a c e c o n - t r o l l e r i s d e s i g n e d u s i n g o p t i m a l c o n t r o l .

C h a p t e r 1 5 , C o n t r o l l e r D i s c u s s i o n T h e c o n t r o l l e r p a r t d i s c u s s i o n , w r a p s u p t h e c o n - t r o l l e r p a r t

P a r t I I P r o j e c t D e l i m i t a t i o n

C h a p t e r 1 6 , C o n c l u s i o n T h i s c h a p t e r m a k e s a c o n c l u s i o n o f t h e r e s u l t s i n t h e p r o j e c t .

R e f e r e n c e s t o s o u r c e m a t e r i a l a r e i n d i c a t e d w i t h r e d u c e d n a m e a n d t h e y e a r o f p u b l i c a t i o n a n d

w h e n k n o w n , t h e p a g e n u m b e r . F i g u r e s , t a b l e s a n d e q u a t i o n s a r e r e f e r r e d t o b y t h e n u m b e r o f

t h e o b j e c t .

B i b l i o g r a p h y a n d a p p e n d i x c a n b e f o u n d i n t h e l a s t p a r t o f t h e r e p o r t a n d t h e c d c a n b e f o u n d o n

t h e b a c k p a g e . T h e a p p e n d i x c o n t a i n s i n f o r m a t i o n t o s u p p o r t e l e m e n t s i n t h e r e p o r t , t h i s i n c l u d e s

a n a n a l y s i s o f t h e e x i s t i n g h a r d w a r e o n t h e X - P r o , d a t a l o g g i n g f o r m o t o r e s t i m a t i o n , m o d e l

l i n e a r i s a t i o n , a d e s c r i p t i o n o f t h e u s e d V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m a n d a v a i l a b l e S i m u l i n k

b l o c k s a n d l a s t t h e c a l c u l a t i o n o f t h e i n e r t i a t e n s o r . M a t l a b l e s , s o u r c e c o d e , t e s t r e s u l t s a n d

e l e c t r o n i c a v a i l a b l e l i t e r a t u r e , c a n b e f o u n d o n t h e C D m a r k e d w i t h t h e r e l e v a n t p a t h o n t h e

C D .

P r o j e c t p a r t i c i p a n t :

M i c h a e l R i m e s t a d C h r i s t i a n F i n k P e t e r s e n

H e n r i k H a n s e n S t e e n L a r s s o n


A a l b o r g U n i v e r s i t y t h e 3 e d . o f J u n 2 0 0 8

4


7/136


8/136

C o n t e n t s

5 . 2 M o t o r a n d G e a r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1

5 . 3 R o t o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1

6 P r o j e c t i o n 3 5

6 . 1 F o r c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 5

6 . 2 T o r q u e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7

7 D y n a m i c s 3 9

7 . 1 F o r c e s t o A c c e l e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 9

7 . 2 M o m e n t t o A n g u l a r A c c e l e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0

8 K i n e m a t i c s 4 3

8 . 1 L i n e a r A c c e l e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3

8 . 2 A n g u l a r V e l o c i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4

9 C o m b i n i n g t h e M o d e l 4 7

1 0 N o n - L i n e a r M o d e l V e r i c a t i o n 5 3

1 0 . 1 O b t a i n i n g t h e t e s t D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3

1 0 . 2 C o l l e c t e d D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4

1 0 . 3 M o d e l D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5

1 1 L i n e a r M o d e l V e r i c a t i o n 5 7

1 1 . 1 T h r o t t l e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7

1 1 . 2 R o l l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8

1 1 . 3 P i t c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

1 1 . 4 Y a w . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

1 2 M o d e l D i s c u s s i o n 6 1

6


9/136

C O N T E N T S

I I I C o n t r o l l e r 6 3

1 3 P I D C o n t r o l l e r 6 5

1 3 . 1 I m p l e m e n t i n g t h e P I D C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5

1 4 S t a t e S p a c e C o n t r o l l e r 7 1

1 4 . 1 C o n t r o l L a w f o r t h e S t a t e S p a c e C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2

1 4 . 2 I n t r o d u c i n g R e f e r e n c e I n p u t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4

1 4 . 3 O b s e r v e r D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5

1 4 . 4 C o m b i n i n g C o n t r o l L a w a n d O b s e r v e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

1 4 . 5 T e s t i n g t h e L Q R C o n t r o l l e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7

1 5 C o n t r o l l e r D i s c u s s i o n 8 1

I V C l o s u r e 8 3

1 6 C o n c l u s i o n 8 5

1 7 P e r s p e c t i v e 8 7

B i b l i o g r a p h y 8 9

V A p p e n d i x 9 1

A A n a l y s i s o f t h e X - P r o h a r d w a r e 9 3

A . 1 R / C T r a n s m i t t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3

A . 2 M i x e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5

A . 3 G y r o s c o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7

B D a t a L o g g i n g f o r M o t o r E s t i m a t i o n 1 0 1

B . 1 L o g g i n g t h e D a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1

B . 2 L o g g i n g t h e P W M S i g n a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

7


10/136

C o n t e n t s

B . 3 L o g g i n g t h e R e v o l u t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

C M o d e l L i n e a r i s a t i o n 1 0 5

C . 1 M e t h o d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 5

C . 2 O p e r a t i n g P o i n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6

C . 3 L i n e a r i s a t i o n o f t h e B o d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6

C . 4 L i n e a r i s a t i o n o f t h e G e n e r a t e d F o r c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2

C . 5 L i n e a r i s a t i o n o f t h e G e n e r a t e d T o r q u e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3

C . 6 S t a t e S p a c e R e p r e s e n t a t i o n o f t h e C o m p l e t e M o d e l . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4

D M o t i o n T r a c k i n g L a b o r a t o r y 1 2 1

E A v a i l a b l e S i m u l i n k B l o c k s 1 2 3

E . 1 V i c o n L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3

E . 2 C o n L i n k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3

F C a l c u l a t i n g t h e I n e r t i a t e n s o r 1 2 5

8


11/136

Chapter 1I n t r o d u c t i o n

U n m a n n e d a e r i a l v e h i c l e s ( U A V ) a r e b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y p o p u l a r , b o t h i n t h e p r i v a t e a n d t h e

p u b l i c s e c t o r s , e s p e c i a l l y f o r s u r v e i l l a n c e a s s i g n m e n t s o f l o c a t i o n s h a r d t o a c c e s s i n a c o n v e n t i o n a l

m a n n e r . H e l i c o p t e r s h a v e a n a d v a n t a g e o v e r a e r o p l a n e s a s t h e y c a n m a n o e u v r e o n s m a l l s p a c e s

a n d d o v e r t i c a l t a k e o a n d l a n d i n g . T h i s p r o j e c t d e a l s w i t h a q u a d r o t o r h e l i c o p t e r , w h i c h d i e r s

f r o m o r d i n a r y h e l i c o p t e r s b y h a v i n g 4 h o r i z o n t a l r o t o r s a n d n o v e r t i c a l r o t o r s . T h e q u a d r o t o r

h e l i c o p t e r o e r s t h e s a m e f u n c t i o n a l i t y a s a n o r d i n a r y h e l i c o p t e r i n t h e f o r m o f a t t i t u d e a n d

a l t i t u d e c o n t r o l .

F u r t h e r m o r e , y i n g U A V ' s o f t e n r e q u i r e s a l o t o f h u m a n i n t e r a c t i o n , u s i n g a r e m o t e c o n t r o l

t r a n s m i t t e r . A m o r e i n t e r e s t i n g a p p r o a c h i s a u t o n o m o u s i g h t , r e d u c i n g t h e d e p e n d e n c y o n

h u m a n i n t e r a c t i o n a n d v i s u a l c o n t a c t w i t h t h e U A V , e n h a n c i n g t h e p o t e n t i a l o f t h e m . T h i s

c o u l d b e b y h e l p i n g t h e h u m a n t o k e e p t h e h e l i c o p t e r m o r e s t e a d y , w h i c h w o u l d b e p r e f e r a b l e i f

t h e U A V f o r i n s t a n c e h a d a c a m e r a m o u n t e d .

O n e o f t h e b i g g e s t p r o b l e m s w i t h a U A V i s t o k e e p t r a c k o f i t s p o s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n . T h i s

w i l l n o t b e t h e f o c u s i n t h i s p r o j e c t a s a m o t i o n l a b a r e m a d e a v a i l a b l e f o r t h e p r o j e c t g r o u p ,

w h i c h c a n t r a c k t h e h e l i c o p t e r ' s p o s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n .

T h e p u r p o s e o f t h i s p r o j e c t i s t o g e t t h e q u a d r o t o r h e l i c o p t e r t o a u t o n o m o u s h o v e r .

1


12/136

1 I n t r o d u c t i o n

2


13/136

P a r t I

A n a l y s i s

3


14/136


15/136

Chapter 2S y s t e m D e s c r i p t i o n

T h e q u a d r o t o r h e l i c o p t e r u s e d i n t h i s p r o j e c t i s a D r a g a n y e r X - P r o ( X - P r o ) . I t d i e r s f r o m

t r a d i t i o n a l h e l i c o p t e r s r e g a r d i n g t h e d e s i g n a s i t h a s 4 h o r i z o n t a l r o t o r s a n d n o v e r t i c a l r o t o r s .

T r a d i t i o n a l h e l i c o p t e r s c a n a d j u s t t h e a n g l e o f t h e r o t o r b l a d e s a s w e l l i n o r d e r t o c o n t r o l t h e

h e l i c o p t e r , b u t o n t h e X - P r o t h e b l a d e s h a v e a s t a t i c a n g l e . T h e o n l y v a r i a b l e t h a t c a n b e

a d j u s t e d i n i g h t i s t h e r o t a t i o n a l s p e e d o f t h e r o t o r s . I n g u r e 2 . 1 t h e X - P r o i s m o u n t e d o n a

s t a n d .

F i g u r e 2 . 1 : T h e D r a g a n F l y e r X - P r o m o u n t e d o n a s t a n d .

T h e r e a s o n f o r t h i s i s t o a i d t h e d e v e l o p m e n t o f a m o d e l a n d c o n t r o l l e r s f o r t h e X - P r o , w i t h o u t

t h e r i s k o f y i n g i n t o t h e w a l l . T h i s w i l l o f c o u r s e g i v e r e d u c e t h e m o v e m e n t s o f t h e X - P r o , b u t

5


16/136

2 S y s t e m D e s c r i p t i o n

i t w i l l m a k e i t e a s i e r t o t e s t i f t h e i n p u t - o u t p u t r e l a t i o n s h i p a r e a s e x p e c t e d .

2 . 1 T h e D e s i g n

T h e X - P r o c o n s i s t s o f a b a s e i n t h e c e n t e r a n d 4 a r m s e q u a l l y s p a c e d i n a s h a p e o f a c r o s s . T h e

m o t o r s a r e m o u n t e d o n t h e e n d o f t h e a r m s a n d c o n n e c t e d t o t h e r o t o r s u s i n g 1 t o 1 0 g e a r i n g .

T h e b a s e o f t h e X - P r o i s t h e j o i n t b e t w e e n t h e 4 a r m s a n d c o n t a i n s a b a t t e r y a n d t h e r e m o t e

c o n t r o l ( R / C ) e l e c t r o n i c s . T h e b a s i c s t r u c t u r e o f t h e X - P r o c a n b e s e e n i n g u r e 2 . 2 .

Motor

Rotor

Rotor

Rotor

Rotor

Battery andHardware

M o t or M

o t o r

Motor

F i g u r e 2 . 2 : A s k e t c h o f t h e m a i n b o d y i t e m s s e e n f r o m a b o v e .

I n t h e m a j o r p a r t o f t h e p r o j e c t t h e X - P r o w i l l b e m o u n t e d o n t h e s t a n d a n d d u e t o t h a t , t h e

b a t t e r y w i l l b e u n m o u n t e d a n d a n e x t e r n a l p o w e r s u p p l y w i l l b e c o n n e c t e d i n s t e a d .

2 . 2 B a s i c C o n t r o l o f T h e X - P r o

T h e X - P r o i s c o n t r o l l e d b y a l t e r n a t i n g t h e r o t a t i o n a l v e l o c i t y o f t h e r o t o r s . T h e f r o n t a n d b a c k

r o t o r s a r e r o t a t i n g c o u n t e r c l o c k w i s e a n d t h e r o t o r s t o t h e l e f t a n d r i g h t a r e r o t a t i n g c l o c k w i s e .

A m i x e r i s p a r t o f t h e e l e c t r o n i c s o n t h e X - P r o . I t h a n d l e s t h e i n c o m i n g c o n t r o l s i g n a l s i n t h e

f o r m o f t h r o t t l e , y a w , p i t c h a n d r o l l a n d t r a n s l a t e s t h e m i n t o m o t o r c o n t r o l s i g n a l s . Y a w i s a l s o

k n o w n a s t h e h e a d i n g . T h e m i x e r m a k e s i t p o s s i b l e t o c o n t r o l t h e X - P r o l i k e a n t r a d i t i o n a l

h e l i c o p t e r . I n t h e f o l l o w i n g t h e s e t e r m s w i l l b e d e s c r i b e d s u p p o r t e d w i t h g u r e s t h a t i l l u s t r a t e s

t h e X - P r o , i n c l u d i n g b a r s t o s h o w t h e l e v e l o f m o t o r s p e e d . A f u l l b l a c k b a r i n d i c a t e s f u l l m o t o r

s p e e d a n d w h i t e b o x i s z e r o m o t o r s p e e d . W i t h a l l 4 b a r s a t 5 0 % t h e X - P r o w i l l h o v e r a t a x e d

p o s i t i o n . I n a l l g u r e s t h e X - P r o w i l l b e s e e n f r o m a b o v e a n d w i t h o n e b l a c k a r m t o m a r k t h e

f r o n t .

2 . 2 . 1 T h r o t t l e

W h e n t h r o t t l e i s i n c r e a s e d t h e r e v o l u t i o n o n t h e f o u r m o t o r s i n c r e a s e s s i m u l t a n e o u s l y . T h e r o t o r s

w i l l t h e n c r e a t e a l i f t a n d t h e X - P r o w i l l i n c r e a s e i n a l t i t u d e . I n g u r e 2 . 3 t h e b a r s i n d i c a t e t h a t

6


17/136

2 . 2 . B a s i c C o n t r o l o f T h e X - P r o

t h e r o t a t i o n a l s p e e d i s a b o v e a v e r a g e . T h e X - P r o i s s e e n f r o m a b o v e a n d t h e b l a c k b a r i s t h e

Motor

Rotor

Rotor

Rotor

Rotor

Battery andHardware

M o t or M

o t o r

Motor

F i g u r e 2 . 3 : I l l u s t r a t i o n o f t h e X - P r o w i t h i n c r e a s e d t h r o t t l e w h i c h r e s u l t s i n i n c r e a s e d a l t i t u d e .

f r o n t .

2 . 2 . 2 Y a w

W h e n t h e h e a d i n g i s c h a n g e d t h e o v e r a l l l i f t i s m a i n t a i n e d , a l t h o u g h t h e s p e e d o f t h e r o t o r s

c h a n g e s . T o m a k e t h e X - P r o r o t a t e c l o c k w i s e t h e s p e e d o f t h e l e f t a n d r i g h t r o t o r s a r e d e c r e a s e d

a n d t h e s p e e d o n t h e f r o n t - a n d b a c k r o t o r s a r e i n c r e a s e d . T h i s w a y t h e X - P r o m a i n t a i n s t h e

s a m e l i f t f o r c e . F u r t h e r m o r e , t h e X - P r o i n c r e a s e s t h e d r a g f o r c e f r o m t h e t w o r o t o r s , w i t h t h e

h i g h e s t v e l o c i t y , w h i c h m a k e s t h e X - P r o r o t a t e . A n i l l u s t r a t i o n o f t h e X - P r o t u r n i n g c l o c k w i s e

c a n b e s e e n i n g u r e 2 . 4 . T o m a k e i t t u r n c o u n t e r c l o c k w i s e t h e o p p o s i t e i s o b v i o u s l y a p p l i e d .

Motor

Left

Front

Right

Back

Battery andHardware

M o t or M

o t o r

Motor

F i g u r e 2 . 4 : I l l u s t r a t i o n o f t h e c h a n g e o f r o t o r s p e e d n e e d e d t o t u r n t h e X - P r o c l o c k w i s e .

2 . 2 . 3 P i t c h

P i t c h i s u s e d i n o r d e r t o m a k e t h e X - P r o m o v e f o r w a r d a n d b a c k w a r d s . M o v i n g f o r w a r d i s a

r e s u l t o f t i l t i n g t h e X - P r o f o r w a r d , w h e r e t h e v e l o c i t y o f t h e f r o n t r o t o r i s d e c r e a s e d , a n d t h e

b a c k r o t o r i s i n c r e a s e d . D u r i n g t h i s m o v e m e n t t h e t o t a l l i f t n e e d s t o b e m a i n t a i n e d , k e e p i n g t h e

v e l o c i t y o f t h e s i d e r o t o r s u n c h a n g e d . F i g u r e 2 . 5 i l l u s t r a t e s t h e X - P r o p i t c h i n g b a c k w a r d s .

T h e o p p o s i t e h a p p e n s w h e n t i l t i n g t h e X - P r o b a c k w a r d s .

7


18/136


Motor

Rotor

Rotor

Rotor

Rotor

Battery andHardware

M o t or M

o t o r

Motor

F i g u r e 2 . 5 : I l l u s t r a t i o n o f t h e c h a n g i n g r o t o r s p e e d , n e e d e d t o t i l t t h e X - P r o b a c k w a r d s .

2 . 2 . 4 R o l l

R o l l i s u s e d t o m a k e t h e X - P r o m o v e s i d e w a r d s . R o l l i s p e r f o r m e d l i k e p i t c h , e x c e p t t h a t t h e

v e l o c i t y o f t h e s i d e r o t o r s a r e c h a n g e d , i n s t e a d o f t h e f r o n t - a n d b a c k r o t o r s . T h e r o l l p r i n c i p l e

i s i l l u s t r a t e d i n g u r e 2 . 6 .

Motor

Rotor

Rotor

Rotor

Rotor

Battery andHardware

M o t or M

o t o r

Motor

F i g u r e 2 . 6 : I l l u s t r a t i o n o f c h a n g e o f r o t o r s p e e d n e e d e d t o m a k e t h e X - P r o r o l l t o t h e l e f t .

2 . 3 T h e R / C T r a n s m i t t e r

T h e X - P r o i s c o n t r o l l e d u s i n g a n o r d i n a r y R / C t r a n s m i t t e r . T h e R / C t r a n s m i t t e r u s e d i n t h i s

p r o j e c t i s a F u t a b a T 9 C A P w i t h 9 c h a n n e l s a n d c a n b e s e e n i n g u r e 2 . 7 . A s m e n t i o n e d i n

p r e v i o u s l y s e c t i o n s o n l y 4 s i g n a l s a r e t o b e c o n t r o l l e d , t h e r e f o r o n l y 4 c h a n n e l s a r e g o i n g t o b e

u s e d .

T o c o n t r o l t h e 4 s i g n a l s , 2 s t i c k s o n t h e R / C t r a n s m i t t e r a r e u s e d . T h e l e f t s t i c k c o n t r o l s y a w a n d

t h r o t t l e a n d t h e r i g h t s t i c k t h e r o l l a n d p i t c h . W h e n m o v i n g t h e l e f t s t i c k v e r t i c a l l y , t h e t h r o t t l e

s i g n a l i s m a n i p u l a t e d . W h e n t h e s t i c k i s i n d o w n p o s i t i o n , z e r o t h r o t t l e i s s e n d . W h e n t h e s t i c k

i s i n u p p e r p o s i t i o n , f u l l t h r o t t l e i s s e n t . M o v i n g t h e l e f t s t i c k h o r i z o n t a l l y , t h e y a w s i g n a l i s

m a n i p u l a t e d . Y a w i s z e r o w h e n t h e s t i c k i s i n t h e c e n t e r , a n d w h e n i t i s m o v e d t o t h e l e f t , t h e

X - P r o t u r n s c o u n t e r c l o c k w i s e . T h e r o t a t i o n i s c l o c k w i s e , w h e n t h e s t i c k i s m o v e d t o t h e r i g h t .

C e n t e r i n g t h e r i g h t s t i c k m e a n s t h a t t h e R / C t r a n s m i t t e r s e n d s z e r o r o l l a n d p i t c h . M o v i n g t h e

s t i c k v e r t i c a l l y , p i t c h i s m a n i p u l a t e d a n d h o r i z o n t a l l y r o l l i s m a n i p u l a t e d . C o m b i n i n g t h e s e f o u r

c o n t r o l s i g n a l s , i t i s p o s s i b l e t o m o v e t h e X - P r o , w i t h s i x d e g r e e s o f f r e e d o m .

8


19/136

2 . 4 . S y s t e m B l o c k s

F i g u r e 2 . 7 : F u t a b a T 9 C A P r a d i o c o n t r o l l e r u s e d f o r c o n t r o l l i n g t h e X - P r o .

2 . 4 S y s t e m B l o c k s

T h e o v e r a l l s y s t e m h a s b e e n d e s c r i b e d , a n d t h e s y s t e m i s n o w d i v i d e d i n t o b l o c k s , i n o r d e r t o

m a k e a n a n a l y s i s . A b l o c k d i a g r a m o f t h e s y s t e m b l o c k s i s i l l u s t r a t e d i n g u r e 2 . 8 .

R/CReceiver Mixer Body

Motor/gear/rotorR/C

TransmitterMotor/gear/rotor

Motor/gear/rotor

Motor/gear/rotor

F i g u r e 2 . 8 : B l o c k s i n t h e s y s t e m .

2 . 4 . 1 R / C T r a n s m i t t e r a n d R e c e i v e r

T h e r s t b l o c k i s t h e R / C t r a n s m i t t e r , t h a t s e n d s 4 c o n t r o l s i g n a l s ( t h r o t t l e , y a w , p i t c h a n d

r o l l ) . T h i s i s s e n t t o t h e R / C r e c e i v e r , t h a t p a s s e s t h e s i g n a l s t o t h e X - P r o m i x e r . T h e d a t a i s

s e n t a s p u l s e s i g n a l s . T h e a m o u n t o f c o n t r o l i s d e n e d b y t h e O N t i m e o f t h e p u l s e , w h i c h c a n

v a r y f r o m 1 m s t o 2 m s a s d e s c r i b e d i n a p p e n d i x A .

2 . 4 . 2 M i x e r

I n c r e a s i n g o r d e c r e a s i n g t h r o t t l e o r y a w s i g n a l w i l l a e c t a l l t h e m o t o r s , w h i l e p i t c h a n d r o l l o n l y

a e c t s 2 o f t h e m o t o r s . T h e i n p u t r e c e i v e d b y t h e X - P r o i s t h e o n l y i n f o r m a t i o n a b o u t t h r o t t l e ,

p i t c h , y a w a n d r o l l . T h e m i x e r t r a n s l a t e s t h i s i n f o r m a t i o n i n t o m o t o r c o n t r o l s i g n a l s , w h i c h i s

f u r t h e r d e s c r i b e d i n a p p e n d i x A .

9


20/136


2 . 4 . 3 M o t o r / g e a r / r o t o r

T h i s b l o c k c o n s i s t s o f f o u r b r u s h e d D C - m o t o r s a n d t a k e s P W M

1

s i g n a l s a s i n p u t . T h e P W M

s i g n a l s h a v e a c o n s t a n t v o l t a g e a n d o n l y t h e d u t y c y c l e v a r i e s d e p e n d i n g o n w h a t i s s e n t . A s

m e n t i o n e d i n t h e p r e v i o u s l y s e c t i o n t h e f r o n t a n d b a c k m o t o r s a r e m o u n t e d i n s u c h a w a y t h a t

t h e s h a f t s a r e r o t a t i n g c o u n t e r c l o c k w i s e a n d t h e l e f t a n d r i g h t a r e r o t a t i n g c l o c k w i s e .

T h e g e a r o n e a c h m o t o r c o n s i s t s o f t w o t o o t h e d w h e e l s c o n n e c t e d w i t h a b e l t . T h e t o o t h e d

w h e e l s o n t h e m o t o r s a r e 1 0 t i m e s s m a l l e r t h a n t h e w h e e l m o u n t e d o n t h e r o t o r . T h i s r a t i o

r e s u l t s i n a l a r g e r t o r q u e b u t r e d u c e s t h e v e l o c i t y o f t h e r o t o r s .

T h e r o t o r s a r e m o u n t e d d i r e c t l y o n t h e g e a r s a n d e a c h o f t h e m c o n s i s t s o f t w o b l a d e s p o i n t i n g

i n o p p o s i n g d i r e c t i o n s . T h e a n g l e o f t h e b l a d e s a r e s t a t i c , a n d t h e l i f t t h e y p r o d u c e , t h e r e f o r e

o n l y d e p e n d e n t o n t h e v e l o c i t y o f t h e m o t o r s . T h e d r a g t h a t e a c h r o t o r p r o d u c e s , d e p e n d s o n

t h e r o t a t i o n a l d i r e c t i o n o f t h e r e s p e c t i v e r o t o r a n d v e l o c i t y .

2 . 4 . 4 G y r o s c o p e

A g y r o s c o p e i s m o u n t e d o n t h e X - P r o , w h i c h m e a s u r e s a n g u l a r v e l o c i t i e s . T h i s i s d e s c r i b e d i n

d e t a i l s i n a p p e n d i x A . T h r o u g h a n i n t e r n a l f e e d b a c k l o o p t h e g y r o s c o p e r e g u l a t e s t h e r o t a t i o n a l

s p e e d o f t h e r o t o r s . T h e g y r o s c o p e a s s i s t s i n s t a b i l i z i n g t h e X - P r o b y c o u n t e r i n g a n y u n i n t e n d e d

f a s t m o v e m e n t .

2 . 5 S i g n a l F l o w

S e t t i n g u p t h e R / C t r a n s m i t t e r i t i s i m p o r t a n t t o k n o w t h e s i g n a l o w . T h e c o m p l e t e s y s t e m

c o n s i s t s o f a n I n t e r f a c e P C f o r t h e V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m a n d f o r t h e R / C t r a n s m i t -

t e r . A n o t h e r c o m p u t e r , t h e C o n t r o l l e r P C , i s u s e d t o r u n a l l t h e c a l c u l a t i o n s f o r t h e S i m u l i n k

c o n t r o l l e r t o t h e X - P r o . T h e s y s t e m i s s h o w n i n g u r e 2 . 9 .

T h e d i e r e n t e l e m e n t s i n t h e s y s t e m w i l l b e d e s c r i b e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s a n d a d e s c r i p t i o n

o f t h e X - P r o h a r d w a r e c a n b e f o u n d i n a p p e n d i x A .

2 . 5 . 1 V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m

O n e o f t h e a v a i l a b l e e l e m e n t s i n t h e s y s t e m i s t h e V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m w h i c h i s a b l e

t o t r a c k a n o b j e c t , u s i n g i n f r a r e d l i g h t r e e c t i n g o f s m a l l s p h e r e s m o u n t e d o n t h e o b j e c t . B y

t r a c k i n g t h e s p h e r e v i a 8 c a m e r a s , t h e s y s t e m i s a b l e t o c a l c u l a t e t h e p o s i t i o n a n d E u l e r a n g l e s

o f t h e o b j e c t . A m o r e e l a b o r a t e a n a l y s i s o f t h e M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m c a n b e s e e n i n a p p e n d i x

D .

T h e i n t e r f a c e P C u s e s t h e V i c o n I Q a p p l i c a t i o n t o g a t h e r t h e m e a s u r e m e n t s f r o m t h e V i c o n

M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m . A n y o b j e c t c a n b e t r a c k e d o n l i n e a t a r e f r e s h r a t e a t 1 0 0 H z a n d t h e

1

P u l s e W i d t h M o d u l a t i o n

1 0


21/136

2 . 5 . S i g n a l F l o w

USB

USB Con App.

X-Pro

ConLink

ConLinkCon App.

Vicon

Interface PC Controller PC

Camera x8

Vicon App. ViconLink

F i g u r e 2 . 9 : I l l u s t r a t i o n o f t h e c o m p l e t e s e t u p a n d t h e s i g n a l o w .

p a r a m e t e r s a r e s e n t v i a t h e C o n t r o l l e r L i n k a p p l i c a t i o n t o t h e C o n t r o l l e r P C .

T h e C o n t r o l l e r P C i n c l u d e s t h e V i c o n L i n k b l o c k w h i c h i s a b l e t o g a t h e r t h e V i c o n p a r a m e t e r s a t

t h e s a m e r e f r e s h r a t e o v e r a T C P / I P c o n n e c t i o n . T h e V i c o n L i n k b l o c k i s d e s c r i b e d i n a p p e n d i x

E .

2 . 5 . 2 C o n t r o l S i g n a l F l o w

T h e c o n t r o l s i g n a l i s t h e s i g n a l t h a t m a k e s i t p o s s i b l e t o m a n i p u l a t e t h e X - P r o . T h e c o n t r o l

s i g n a l c o n s i s t s o f 4 p a r a m e t e r s r e p r e s e n t i n g t h r o t t l e , y a w , p i t c h a n d r o l l a s m e n t i o n e d i n s e c t i o n

2 . 2 .

T h e r s t s t e p i s t h e R / C t r a n s m i t t e r t h a t s e n d s a n R F s i g n a l w h i c h i s r e c e i v e d b y a n R / C r e c e i v e r

o n t h e X - P r o a n d t h e I n t e r f a c e P C . T h e I n t e r f a c e P C u s e s a n a v a i l a b l e C o n L i n k a p p l i c a t i o n t o

s e n d t h e c o n t r o l s i g n a l t o t h e C o n t r o l l e r P C . T h e C o n t r o l l e r P C t h e n u s e s a C o n L i n k S i m u l i n k

b l o c k t o r e c e i v e t h e c o n t r o l s i g n a l . T h e C o n L i n k b l o c k a l s o i n c l u d e s t h e o p p o r t u n i t y t o s e n d a

c o n t r o l s i g n a l t h e o t h e r w a y a r o u n d w h i c h i n t u r n m a k e s i t p o s s i b l e t o c o n t r o l t h e X - P r o f r o m

t h e C o n t r o l l e r P C . A m o r e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e C o n L i n k s i m u l i n k b l o c k c a n b e f o u n d i n

a p p e n d i x E .

F r o m t h e C o n t r o l l e r P C i t h a s b e e n o b s e r v e d , t h a t t h e v a l u e s s e n t b y t h e C o n L i n k b l o c k d i e r s

f r o m t h e r e c e i v e d v a l u e s . A m a p p i n g m u s t b e d o n e i n o r d e r t o b e a b l e t o s w i t c h b e t w e e n y i n g

w i t h t h e R / C t r a n s m i t t e r a n d u s i n g a S i m u l i n k c o n t r o l l e r o n t h e C o n t r o l l e r P C . T h e m a p p i n g

w i l l i n c l u d e t r a n s f e r f u n c t i o n s , t h a t c o m p e n s a t e f o r t h i s p r o b l e m . T h e t r a n s f e r f u n c t i o n s a r e

d e r i v e d i n a p p e n d i x E .

1 1


22/136


1 2


23/136

Chapter 3R e q u i r e m e n t S p e c i c a t i o n

T h e p r o j e c t p r o p o s a l i s a b o u t m o d e l l i n g a n d c o n t r o l l i n g t h e q u a d r o t o r h e l i c o p t e r y i n g i n h o v e r .

T h u s , t h e r s t s t e p i s t o m o d e l t h e d i e r e n t p a r t s o f t h e X - P r o i n o r d e r t o o b t a i n a c o m p l e t e

m o d e l . A s a q u a d r o t o r h e l i c o p t e r i s a e c t e d b y a v a r i e t y o f f o r c e s , p a r t o f t h e t a s k a l s o c o n s i s t s

o f d i s r e g a r d i n g e e c t s , t h a t o n l y h a v e m i n o r i n u e n c e o n t h e X - P r o . O t h e r w i s e t h e m o d e l w i l l

g e t t o o c o m p l e x . T h e m o d e l o f t h e X - P r o i s t h e n v a l i d a t e d b a s e d o n i g h t d a t a f r o m t h e X - P r o .

T h e n e x t s t e p a f t e r m o d e l d e v e l o p m e n t i s t o d e s i g n a c o n t r o l l e r b a s e d o n t h e X - P r o m o d e l . T o

g e t a l i n e a r i s e d c o n t r o l l e r t h e m o d e l n e e d s t o b e l i n e a r i s e d a r o u n d t h e e q u i l i b r i u m p o i n t f o r

h o v e r , w h i c h n e e d s t o b e i d e n t i e d . T w o t y p e s o f c o n t r o l l e r s f o r t h e X - P r o i s d e s i g n e d . T h e

r s t i s a s i m p l e P I D c o n t r o l l e r , w h i c h c a n b e d e s i g n e d b y t r i a l a n d e r r o r . T h e o t h e r i s a M I M O

c o n t r o l l e r b a s e d o n t h e l i n e a r i s e d m o d e l . T o o b t a i n t h e a i m o f a u t o n o m o u s i g h t i n h o v e r , t h e

a t t i t u d e a n d p o s i t i o n o f t h e X - P r o n e e d s t o b e c o n t r o l l e d .

A s i t i s n o t e x p e c t e d t o m a i n t a i n a n e x a c t a t t i t u d e a n d p o s i t i o n d u r i n g i g h t , c a u s e d b y e x t e r n a l

d i s t u r b a n c e s , a s e t o f s u c c e s s r e q u i r e m e n t s f o r a u t o n o m o u s i g h t i n h o v e r a r e o u t l i n e d :

1 . T h e z a x i s p o s i t i n g s h o u l d b e k e p t w i t h i n 0.05 m .

2 . T h e x a n d y a x i s t h e p o s i t i n g s h o u l d b e k e p t w i t h i n 0.1 m .

3 . T h e a n g l e a r o u n d t h e z a x i s s h o u l d b e k e p t w i t h i n 0.1 r a d i a n .

4 . W h e n c h a n g i n g t h e p o s i t i o n 0 . 5 m e t e r i n e i t h e r t h e x o r y a x i s , t h e X - P r o s h o u l d m o v e

a n d p l a c e i t s e l f a n d b e s t a b l e i n t h e n e w p o s i t i o n w i t h i n 2 s e c o n d s .

T h e a n g l e a r o u n d t h e x a n d y a x i s d o e s n o t h a v e a n y r e q u i r e m e n t s a s t h e s e c h a n g e w h e n e v e r

t h e X - P r o i s a d j u s t i n g p i t c h a n d r o l l t o m a i n t a i n t h e p o s i t i o n .

1 3


24/136

3 R e q u i r e m e n t S p e c i c a t i o n

3 . 1 A c c e p t t e s t S p e c i c a t i o n

T o t e s t t h e f o u r r e q u i r e m e n t s o u t l i n e d a b o v e a n a c c e p t t e s t s p e c i c a t i o n i s n e e d e d . T h i s s p e c i -

c a t i o n e x p l a i n s h o w t h e s e r e q u i r e m e n t s c a n b e t e s t e d . F o r t h e s e t e s t s t h e p o s i t i o n a n d a t t i t u d e

f r o m t h e V i c o n M o t i o n T r a c k i n g S y s t e m a r e u s e d . R e q u i r e m e n t o n e , t w o a n d t r e e c a n b e t e s t e d

a t t h e s a m e t i m e , w h i l e r e q u i r e m e n t f o u r h a s t o b e t e s t e d b y i n d e p e n d e n t l y .

T e s t 1 : K e e p i n g p o s i t i o n a n d a n g l e

I n t h i s t e s t i s i s v e r i e d i f t h e c o n t r o l l e r i s a b l e t o k e e p t h e p o s i t i o n a n d y a w a n g l e o f t h e X - P r o

i n a u t o n o m o u s h o v e r .

1 . T h e X - P r o i s s t a r t e d a n d b r o u g h t i n t o h o v e r p o s i t i o n .

2 . F r o m t h e p o i n t w h e r e t h e X - P r o i s i n h o v e r , t h e a t t i t u d e a n d p o s i t i o n o f t h e X - P r o s h o u l d

b e r e c o r d e d .

3 . A f t e r 1 0 s e c o n d s o f i g h t i n h o v e r , t h e r e c o r d i n g c a n s t o p a n d t h e X - P r o i s b r o u g h t b a c k

t o t h e g r o u n d .

4 . T h e a t t i t u d e a n d p o s i t i o n d a t a a r e s e p a r a t e d a n d t h e p o s i t i o n a n d y a w a n g l e a r e c h e c k e d

a g a i n s t t h e i r g i v e n r e q u i r e m e n t s .

T e s t 2 : C h a n g i n g p o s i t i o n

T h i s t e s t i s u s e d t o v e r i f y i f t h e c o n t r o l l e r i s a b l e t o c h a n g e t h e p o s i t i o n o f t h e X - P r o a n d i f i t s

a b l e t o s t a b i l i s e t h e X - P r o w i t h i n t h e r e q u i r e d t i m e .

1 . T h e X - P r o i s s t a r t e d a n d b r o u g h t i n t o h o v e r p o s i t i o n .

2 . F r o m t h e p o i n t w h e r e t h e X - P r o i s i n h o v e r , t h e a t t i t u d e a n d p o s i t i o n o f t h e X - P r o i s

r e c o r d e d .

3 . T h e r e f e r e n c e f o r t h e x p o s i t i o n o r t h e y p o s i t i o n a r e c h a n g e d w i t h 0 . 5 m e t e r .

4 . A f t e r 2 s e c o n d s o f i g h t i n h o v e r i n t h e n e w p o s i t i o n , t h e r e c o r d i n g c a n s t o p a n d t h e X - P r o

i s b r o u g h t b a c k t o t h e g r o u n d .

5 . T h e a t t i t u d e a n d p o s i t i o n d a t a a r e s e p a r a t e d a n d t h e p o s i t i o n i s c h e c k e d a g a i n s t t h e g i v e n

r e q u i r e m e n t s .

1 4


25/136

P a r t I I

M o d e l l i n g

1 5


26/136


27/136

Chapter 4M o d e l l i n g O v e r v i e w

I n t h i s p a r t o f t h e r e p o r t , t h e m o d e l f o r t h e e n t i r e X - p r o w i l l b e d e r i v e d . T h e m o d e l w i l l b e

d i v i d e d u p i n t o f o u r p a r t s w h i c h a r e s h o w n i n g u r e 4 . 1 . F u r t h e r m o r e t h e g u r e s h o w s t h e

i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e p a r t s .

F i g u r e 4 . 1 : B l o c k d i a g r a m o f t h e X - P r o m o d e l .

A s h o r t d e s c r i p t i o n o f t h e 4 p a r t s f o l l o w s :

F o r c e G e n e r a t i o n T h e F o r c e G e n e r a t i o n i s a p a r t t h a t c o n s i s t s o f t h e 3 e l e m e n t s , m o t o r s , g e a r a n d r o t o r .

T h e r e s u l t o f t h e 3 e l e m e n t s w i l l b e 4 l i f t f o r c e s a n d 4 d r a g f o r c e s .

P r o j e c t i o n P r o j e c t i o n t r a n s l a t e s t h e l i f t a n d d r a g f o r c e s a e c t i n g t h e b o d y t o a t o t a l f o r c e a n d a t o r q u e

v e c t o r . I n t h e p r o j e c t i o n p a r t , t h e e x t e r n a l f o r c e s a n d t o r q u e s a e c t i n g t h e X - P r o i s a l s o

d i s c u s s e d .

D y n a m i c s T h e D y n a m i c s t r a n s l a t e s t h e t o t a l f o r c e a n d t o r q u e t o a n l i n e a r a c c e l e r a t i o n a n d a n g u l a r

a c c e l e r a t i o n o f t h e b o d y .

K i n e m a t i c s T h e K i n e m a t i c s t r a n s l a t e s t h e a c c e l e r a t i o n s t o E u l e r a n g l e s a n d a p o s i t i o n o f t h e X - p r o .

1 7


28/136

4 M o d e l l i n g O v e r v i e w

C o m b i n i n g t h e p a r t s , a c o m p l e t e m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n w i l l b e d e r i v e d . F r o m t h i s j o i n t

f o r m u l a a c o n t r o l l e r f o r t h e X - P r o c a n b e d e s i g n e d .

4 . 1 O r i e n t a t i o n

A p a r t o f t h e m o d e l l i n g i s c l a r i f y i n g t h e o r i e n t a t i o n o f t h e X - P r o . T o d o t h i s 2 c o o r d i n a t e s y s t e m

w i l l b e u s e d . O n e t h a t d e s c r i b e s t h e u n i v e r s e t h e X - P r o i s y i n g i n , a n d a n o t h e r p l a c e d i n t h e

c e n t e r o f t h e X - P r o . T h e u n i v e r s a l c o o r d i n a t e s y s t e m c a n p l a c e d f r e e l y o n a s u r f a c e t h a t i s n o n

a c c e l e r a t i n g c o m p a r e d t o t h e X - P r o . F o r i n s t a n c e i n t h i s c a s e t h e u n i v e r s a l c o o r d i n a t e s y s t e m i s

p l a c e d o n t h e g r o u n d . I n o r d e r t o i d e n t i f y w h i c h d i r e c t i o n t h e b a s e o f t h e X - P r o i s o r i e n t a t e d ,

t h e c o o r d i n a t e s y s t e m i s p l a c e d i n t h e c e n t e r o f m a s s o f t h e X - P r o .

T h e p l a c e m e n t o f t h e c o o r d i n a t e s y s t e m s h a s b e e n o u t l i n e d i n g u r e 4 . 2 w h e r e t h e X - P r o i s s e e n

f r o m b e h i n d a n d i n g u r e 4 . 3 w h e r e i t i s s e e n f r o m a b o v e . E a c h o f t h e c o o r d i n a t e s y s t e m s h a s

a r e f e r e n c e f r a m e i n d e x - a n d w i l l b e r e f e r r e d t o a s a f r a m e . T h e b a s e c o o r d i n a t e s y s t e m B w i l l

a l w a y s b e d e s c r i b e d r e l a t i v e t o t h e u n i v e r s e c o o r d i n a t e s y s t e m I . A f r a m e i s a s e t o f 4 v e c t o r s

d e s c r i b i n g t h e g i v i n g p o s i t i o n a n d o r i e n t a t i o n . A d e s c r i p t i o n o f a f r a m e r e l a t e d t o t h e X - P r o ,

c o u l d b e a p o s i t i o n v e c t o r a n d a r o t a t i o n m a t r i x .

Y

Z

Z

Y

{I}

{B}

P C o M I

CoM

P RP L

PL,z PR,z

F i g u r e 4 . 2 : T h e X - P r o f r o m b e h i n d , w i t h t h e c o o r d i n a t e s y s t e m s i n t h e b a s e a n d t h e u n i v e r s e i n s e r t e d .

T h e r s t p a r t t o b e m o d e l l e d i s t h e f o r c e g e n e r a t o r s , w h i c h i s d o n e i n t h e f o l l o w i n g c h a p t e r .

1 8


29/136

4 . 1 . O r i e n t a t i o n

X

Y

{I}

{B}

CoM

I P C o M

P L

P F

P R

P B

X

Y

F i g u r e 4 . 3 : T h e X - P r o f r o m a b o v e w i t h t h e c o o r d i n a t e s y s t e m s i n s e r t e d .

1 9


30/136

4 M o d e l l i n g O v e r v i e w

2 0


31/136


32/136

5 F o r c e G e n e r a t i o n

l i n e a r a n d a d r y f r i c t i o n t h a t a r e n o n - l i n e a r . F u r t h e r m o r e i t i s d e c i d e d t o m o d e l t h e m o t o r / g e a r

w i t h t h e r o t o r a t t a c h e d . A s t h e d r a g f r o m t h e r o t o r w i l l b e i n c l u d e d i n t h i s m o d e l i t w i l l b e c o m e

n o n - l i n e a r .

T o o v e r c o m e t h e n o n - l i n e a r i t y p r o b l e m s o m e a s s u m p t i o n s w i l l b e m a d e . F r o m t h e r e q u i r e m e n t

s p e c i c a t i o n i n c h a p t e r 3 t h e m a i n o b j e c t i v e f o r t h e p r o j e c t i s t o m a k e t h e X - P r o a b l e t o h o v e r .

I n t h a t c a s e t h e m o d e l f o r t h e m o t o r / g e a r w i l l b e b a s e d o n d a t a m e a s u r e d c l o s e t o t h e r o t a t i o n a l

v e l o c i t y w h e r e t h e X - P r o w i l l h o v e r . P a r a l l e l t o m o d e l l i n g t h e m o t o r , t h e m o d e l f o r t h e r o t o r

w i l l b e m a d e . F r o m t h i s w o r k t h e l i f t f r o m t h e r o t o r w i l l b e d e r i v e d , a s a f u n c t i o n o f t h e

r o t a t i o n a l v e l o c i t y . I n t h i s c h a p t e r , i n f o r m a t i o n a b o u t t h e l i f t w i l l b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e

n e e d e d r o t a t i o n a l v e l o c i t y o f t h e r o t o r s , i n o r d e r t o m a k e t h e X - P r o h o v e r . T h i s v e l o c i t y w i l l b e

u s e d a s t h e e q u i l i b r i u m p o i n t t h a t w i l l b e u s e d f o r a l i n e a r m o d e l f o r t h e m o t o r / g e a r .

I t i s d e c i d e d t o m a k e t h e m o d e l o f t h e m o t o r / g e a r u s i n g s y s t e m i d e n t i c a t i o n ( S I D ) , a s i t c a n

b e d i c u l t t o d e r i v e a l l t h e e q u a t i o n s m a t h e m a t i c a l l y w i t h t h e g e a r a n d r o t o r a t t a c h e d t o t h e

m o t o r .

F i r s t t h e g e n e r a l a p p r o a c h o n s y s t e m i d e n t i c a t i o n w i l l b e d e s c r i b e d . T h e n t h e m e t h o d t h a t a r e

u s e d i n s y s t e m i d e n t i c a t i o n i s d e s c r i b e d . T h e n l o g g i n g t h e d a t a f o r t h e e s t i m a t i o n p a r t w i l l b e

d o n e , a n d l a s t l y t h e e s t i m a t i o n t h e m o d e l p a r a m e t e r s i s d e r i v e d .

5 . 2 . 1 S y s t e m I d e n t i c a t i o n o f M o t o r i n c l . G e a r

T o m a k e a m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n o f t h e m o t o r i n c l u d i n g t h e g e a r , s y s t e m i d e n t i c a t i o n w i l l

b e u s e d . T o v e r i f y t h e m o d e l , a d a t a s e t d i e r e n t f r o m t h e o n e u s e d f o r t h e s y s t e m i d e n t i c a t i o n ,

w i l l b e u s e d . S y s t e m i d e n t i c a t i o n w i l l b e b a s e d o n o u t p u t r e a c t i o n d u e t o a s p e c i e d i n p u t .

S y s t e m i d e n t i c a t i o n i s a w a y t o m a k e a t r a n s f e r f u n c t i o n t h a t d e s c r i b e s t h e i n p u t / o u t p u t r e l a -

t i o n s h i p . T o g e t a n o v e r v i e w o f t h e p r o c e s s e s a n d t h e i n p u t s a n d o u t p u t s , a b l o c k d i a g r a m o f

t h e m o t o r / g e a r a n d r o t o r h a s b e e n m a d e a n d c a n b e s e e n i n g u r e 5 . 2 . T h e b l o c k d e s c r i b e d i n

t h i s c h a p t e r i s t h e m o t o r / g e a r , w h e r e i n p u t s a r e P W M s i g n a l a n d t h e o u t p u t s a r e t h e r o t a t i o n a l

v e l o c i t y o f t h e r o t o r . B e c a u s e t h e r o t o r i s a t t a c h e d t o t h e m o t o r d u r i n g t h e S I D , t h e d r a g f r o m

t h e r o t o r w i l l c o n t r i b u t e w i t h s o m e r e s i s t a n c e . T h i s i s a l s o i l l u s t r a t e d o n t h e g u r e .

Motor/gear RotorPWM rad/s

lift

drag

F i g u r e 5 . 2 : B l o c k d i a g r a m o f t h e m o t o r i n c l u d i n g t h e g e a r a n d t h e r o t o r .

T h e i n p u t s i g n a l w h i c h i s a P W M s i g n a l , h a s t h e l o w l e v e l a t 0 V a n d t h e h i g h l e v e l a t 1 2 V a n d

c o n s t a n t f r e q u e n c y a t 1 9 6 H z . T h e r e s u l t i n g v o l t a g e o n t h e m o t o r i s t h e m e a n o f t h e v o l t a g e

2 2


33/136

5 . 2 . M o t o r a n d G e a r

o v e r t i m e w h i c h m e a n s t h a t t h e v o l t a g e o n t h e m o t o r c a n b e v a r i e d b y t h e d u t y c y c l e o n l y .

T h e o u t p u t s i g n a l i s t h e r e v o l u t i o n o n t h e g e a r m e a s u r e d i n r a d i a n s p e r s e c o n d ( r a d / s ) . F r o m

t h i s t h e t r a n s f e r f u n c t i o n c a n b e e x p r e s s e d a s

G =gear revolutions

dutycyclerad / sPWM

( 5 . 1 )

W i t h a g e n e r a l d e s c r i p t i o n o f t h e t r a n s f e r f u n c t i o n , s y s t e m i d e n t i c a t i o n w i l l b e u s e d i n o r d e r t o

i d e n t i f y t h e f u n c t i o n .

5 . 2 . 2 S t e p s i n S y s t e m I d e n t i c a t i o n

S y s t e m i d e n t i c a t i o n i s o f t e n a n i t e r a t i v e p r o c e s s a s s e e n i n g u r e 5 . 3 . T h a t i s b e c a u s e i t c a n b e

n e c e s s a r y t o g o b a c k a n d a d j u s t s o m e p a r a m e t e r s e t c .

Structure decision

Experiment

Parameter estimation

Model test

F i g u r e 5 . 3 : S t e p s i n s y s t e m i d e n t i c a t i o n .

A m o d e l s t r u c t u r e i s t h e r s t t h i n g t h a t n e e d s t o b e c h o s e n . C h o o s i n g a s t r u c t u r e c a n b e d o n e

o n b a s i s o f k n o w l e d g e o f n o i s e a s p e c t s a n d p h y s i c a l b e h a v i o r . F o r i n s t a n c e i f n o i s e a p p e a r s a t

t h e i n p u t c h a n n e l , a c e r t a i n m o d e l m i g h t b e m o r e p r e f e r a b l e t o c h o o s e t h a n o t h e r s . T h e s a m e

t h i n g a p p l i e s t o s y s t e m s w h e r e t h e k n o w l e d g e o f t h e s y s t e m i n d i c a t e s t h a t t h e m o d e l o r d e r i s

v e r y h i g h .

A f t e r t h i s e x p e r i m e n t , d e s i g n m u s t b e d o n e i n o r d e r t o g e t t h e i n p u t o u t p u t r e l a t i o n s h i p . T h i s

e x p e r i m e n t i s d e s c r i b e d i n a p p e n d i x B .

2 3


34/136


T h e p a r a m e t e r s a r e t y p i c a l l y e s t i m a t e d u s i n g f u n c t i o n s i n s y s t e m i d e n t i c a t i o n t o o l b o x i n M a t -

l a b . M o d e l v a l i d a t i o n i s t h e n a l s t e p , a n d i s d o n e i n o r d e r t o v e r i f y t h e r e s u l t . T h i s c a n b e

d o n e w i t h d a t a f r o m i n p u t - o u t p u t m e a s u r e m e n t s , a n d i f t h e r e s u l t i s a c c e p t a b l e t h e m o d e l i s

v e r i e d . O t h e r w i s e i t i s n e e d e d t o g o b a c k a n d a d j u s t s o m e p a r a m e t e r s .

T h e s t r a t e g y i n c h o o s i n g t h e m o d e l i s t o s t a r t w i t h a s i m p l e l i n e a r e . g . r s t o r d e r A R X m o d e l ,

a n d t h e n i f i t i s n e c e s s a r y , i t e r a t i v e l y a p p r o x i m a t e a m o r e s u i t a b l e o n e . F i r s t i t i s n e c e s s a r y t o

h a v e a l i t t l e i n t r o d u c t i o n i n m o d e l s t r u c t u r e s t o c h o o s e b e t w e e n .

5 . 2 . 3 S t r u c t u r e d e c i s i o n

T h e r e a r e s e v e r a l s t r u c t u r e s t o c h o o s e b e t w e e n i n s y s t e m i d e n t i c a t i o n . T h e m o d e l s a r e b a s e d

o n f o l l o w i n g :

A R ( A u t o R e g g r e s i v e )

M A ( M o v i n g a v e r a g e )

X ( e X o g e n o u s )

T h e A R p a r t i s t h e l i n e a r r e g r e s s i o n o f t h e c u r r e n t v a l u e o f t h e s e r i e s a g a i n s t o n e o r m o r e p r i o r

v a l u e s o f t h e s e r i e s , a n d a r e g i v e n b y :

A(q)y(n) = e(n) ( 5 . 2 )

F i g u r e 5 . 4 s h o w s a n A R m o d e l o f a s y s t e m , a n d i t c a n b e s e e n t h a t a s i g n a l c a n b e r e c o n s t r u c t e d

i f o n l y t h e w h i t e n o i s e a n d t h e A ( q ) c o e c i e n t s a r e k n o w n .

)(

1

q Ay(n)

e(n)

F i g u r e 5 . 4 : A R m o d e l .

M A i s t h e m o v i n g a v e r a g e m o d e l , w h i c h r e p r e s e n t s a s e r i e s o f d a t a g e n e r a t e d b y p e r f o r m i n g

l i n e a r r e g r e s s i o n o n w h i t e n o i s e . I t m a k e s a m e a n o f a n u m b e r o f s a m p l e s . B y r e w r i t i n g e q u a t i o n

( 5 . 2 ) i t i s p o s s i b l e t o g o f r o m a n A R t o a M A a n d v i c e v e r s a , w h i c h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s h o w s .

y(n) = A(q)e(n) ( 5 . 3 )

T h e p o l y n o m i a l A(q) i s

A(q) = 1 + a1q 1 + a2q 2 + + an a q n a ( 5 . 4 )

2 4


35/136


36/136


5 . 2 . 4 E q u i l i b r i u m p o i n t

I n o r d e r t o e n d u p w i t h a l i n e a r i z e d c o n t r o l l e r , t h e m o t o r n e e d s t o b e l i n e a r i z e d a r o u n d a n

e q u i l i b r i u m p o i n t . S i n c e t h e a i m i s t o h a v e t h e X - P r o h o v e r , a o p t i m a l e q u i l i b r i u m p o i n t w o u l d

b e t h e a n g u l a r v e l o c i t y w h i c h c r e a t e s j u s t e n o u g h l i f t t o o v e r c o m e t h e g r a v i t a t i o n a l f o r c e . T h i s

p o i n t i s f o u n d b y m e a s u r i n g t h e w e i g h t o f t h e X - P r o a n d t h e n u s i n g t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n

f o r c e c r e a t i o n a n d r o t a t i o n a l v e l o c i t y f o u n d i n s e c t i o n 5 . 3 . T h e w e i g h t o f t h e X - P r o w i t h o u t t h e

b a t t e r y i s 1 9 9 0 g r a m . A s t h e X - P r o i s t o b e o w n i n d o o r s d u r i n g t h i s p r o j e c t , c o n n e c t e d t o a

p o w e r s u p p l y , t h e w e i g h t o f t h e b a t t e r y i s i r r e l e v a n t . T h e n e c e s s a r y l i f t f o r c e r e q u i r e d f o r e a c h

o f t h e 4 r o t o r s i s t h e n

F =9.82 1.990

4= 4 .885 [N] ( 5 . 1 0 )

U s i n g e q u a t i o n ( 5 . 1 6 ) f r o m s e c t i o n 5 . 3 t o c a l c u l a t e t h e n e c e s s a r y a n g u l a r v e l o c i t y r e q u i r e d t o

g e n e r a t e t h i s f o r c e

F Lift () = 0 .2263 10 3 2 2.488 10 3 + 11.97 10 3 [N] ( 5 . 1 1 )

S o l v i n g t h i s e q u a t i o n f o r g i v e s

= 152.35rad

s( 5 . 1 2 )

T h i s g i v e s a n e q u i l i b r i u m p o i n t a t 1 5 2 . 3 5 r a d p e r s e c o n d s w h i c h i s u s e d t o c h o o s e t h e e x p e r i m e n t

d a t a t o b e u s e d f o r p a r a m e t e r e s t i m a t i o n .

5 . 2 . 5 E x p e r i m e n t

I n p u t a n d o u t p u t w a s m e a s u r e d a s d e s c r i b e d i n a p p e n d i x B a t a f r e q u e n c y o f 1 0 0 H z i n a t i m e

p e r i o d a t 6 0 s e c o n d s . T w o d a t a s e t s a r e p i c k e d o u t , o n e f o r e s t i m a t i o n a n d o n e f o r v a l i d a t i o n .

T h e s e t s a r e p i c k e d o u t i n a m a t t e r s o t h e y v a r y a r o u n d t h e e s t i m a t e d e q u i l i b r i u m p o i n t . B e f o r e

t h e d a t a s e t s c a n b e u s e d f o r e s t i m a t i n g t h e p a r a m e t e r s t h e t r e n d s i n t h e s i g n a l s a r e r e m o v e d .

T h e s i g n a l s m e a s u r e d i n t h e l a b o r a t o r y a r e n a m e d z . T h e s e t f o r e s t i m a t i o n a r e n a m e d ze a n d t h e s e t f o r v a l i d a t i o n zv . T h e t r e n d s i n t h e t w o s e t s a r e r e m o v e d b y t h e M a t l a b c o m m a n d , d e t r e n d , a n d w i l l b e n a m e d zed a n d zvd r e s p e c t i v e l y . T h e s i g n a l c a n b e s e e n i n g u r e 5 . 6 .

D e t r e n d i n g i n t h i s p a r t i c u l a r c a s e r e m o v e s t h e m e a n f r o m s i g n a l , t h u s r e s u l t i n g i n a s i g n a l w i t h o u t

o s e t . T h e r e f o r e t h e o s e t m u s t b e a d d e d t o t h e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e e n d . W i t h t h i s i n m i n d ,

t h e s i g n a l s a r e p r e p a r e d f o r p a r a m e t e r e s t i m a t i o n .

5 . 2 . 6 P a r a m e t e r E s t i m a t i o n

T o e s t i m a t e a m o d e l f o r t h e m o t o r i n c l u d i n g t h e g e a r a n d w i t h a r o t o r a t t a c h e d , t h e p r o c e -

d u r e d e s c r i b e d p r e v i o u s l y i n s e c t i o n 5 . 2 . 2 w i l l b e u s e d . T h e e s t i m a t i o n w i l l b e d o n e w i t h t h e

2 6


37/136

5 . 2 . M o t o r a n d G e a r

0 10 20 30 40 50 6050

0

50

100

150

200

Time (s)

r a d / s

rad per seconds

0 10 20 30 40 50 6050

0

50

100

pwm

Time (s)

%

zzezvzedzvd

F i g u r e 5 . 6 : M e a s u r e d o u t p u t a n d i n p u t . O u t p u t i s t h e a n g u l a r v e l o c i t y a n d i n p u t i s t h e d u t y c y c l e o f t h e P W M

s i g n a l .

u s e o f M a t l a b a n d t h e m - l e w h i c h i s u s e d t h r o u g h o u t t h e e s t i m a t i o n c a n b e f o u n d o n t h e

C D \ m o d e l s \ m o t o r \ m o t o r g e a r . m .

D e c i d i n g t h e M o d e l O r d e r

T h e m o d e l i s b a s e d o n a n A R X m o d e l a n d t o d e c i d e t h e o r d e r o f t h e m o d e l a s p e c t r a l a n a l y s i s

i s d o n e . T h e s p e c t r a l a n a l y s i s r e p r e s e n t s t h e f r e q u e n c i e s i n t h e s i g n a l a n d c a n b e s e e n i n g u r e

5 . 7 .

F r o m t h e s p e c t r a l a n a l y s i s i t c a n b e s e e n t h a t t h e a m p l i t u d e i s d e c r e a s i n g b y 2 d e c a d e s p e r 1

d e c a d e i n f r e q u e n c y . T h i s r e s u l t s i n a s e c o n d o r d e r m o d e l a n d u s i n g a n A R X m o d e l t h e m o d e l

w i l l b e a A R X ( 2 , 2 ) .

5 . 2 . 7 M o d e l T e s t

T h e A R X m o d e l w i t h t h e e s t i m a t e d p a r a m e t e r s h a s b e e n c o m p a r e d t o t h e d e t r e n d e d v a l i d a t i o n

d a t a , zvd . T o c o m p a r e t h e m o d e l w i t h t h e e s t i m a t e d p a r a m e t e r s , t h e c o m m a n d c o m p a r e i n M a t l a b h a s b e e n u s e d . T h e c o m m a n d c o m p u t e s a n e s t i m a t e d o u t p u t s i g n a l y b y t h e u s e o f t h e A R X m o d e l a n d a n a c t u a l i n p u t s i g n a l . T h e m e a s u r e d o u t p u t s i g n a l i s c o m p a r e d t o y a n d a t i s c o m p u t e d b y

2 7


38/136


10 0 10 1 10 2 10 310 -3

10 -2

10-1

10 0

A m p

l i t u

d e

From pwm to rad per seconds

10 0 10 1 10 2 10 3

-200

0

200

400

P h a s e

( d e g r e e s

)

Frequency (rad/s)

F i g u r e 5 . 7 : S p e c t r a l a n a l y s i s o f t h e m e a s u r e d s i g n a l .

t = 100 1 norm( y y)norm(y y)

( 5 . 1 3 )

w h e r e y i s t h e m e a n o f y . I n g u r e 5 . 8 t h e c o m p a r i s o n o f t h e s i g n a l s c a n b e s e e n .

F r o m e q u a t i o n ( 5 . 1 3 ) t h e A R X m o d e l t h a s b e e n c a l c u l a t e d t o b e 8 9 . 4 7 % a n d w i t h t h e f a c t i n

m i n d t h a t t h e s i g n a l s i n c l u d e n o i s e t h e t i s a c c e p t e d .

E x t r a c t i n g t h e T r a n s f e r F u n c t i o n

W h e n e s t i m a t i n g t h e A R X m o d e l t h e p a r a m e t e r s f o r t h e t r a n s f e r f u n c t i o n a r e a l s o e s t i m a t e d .

T h e t r a n s f e r f u n c t i o n , w h i c h i s a d i s c r e t e f u n c t i o n , f r o m t h e P W M s i g n a l t o t h e r e v o l u t i o n s i n

r a d / s i s t h e n :

G(z) =0.0433z 0.0227

z2 1.6306z + 0 .6496rad / sPWM

( 5 . 1 4 )

F u r t h e r m o r e t h e o s e t m e n t i o n e d i n s e c t i o n 5 . 2 . 5 m u s t b e a d d e d t o c o m p l e t e t h e m o d e l f o r t h e

m o t o r / g e a r . T h e o s e t h a s b e e n c a l c u l a t e d t o b e 8 5 , 7 9 r a d / s .

A m o d e l t h a t d e s c r i b e s t h e p r o c e s s o f a m o t o r w i t h g e a r a n d r o t o r a t t a c h e d a r e n o w d e r i v e d .

T h e m o d e l w i l l b e u s e d i n c o n t r o l l e r d e s i g n .

2 8


39/136

5 . 2 . M o t o r a n d G e a r

37 37.5 38 38.5 39 39.5

20

15

10

5

0

5

10

15

20rad per seconds. (sim)

Time (s)

r a d

p e r s e c o n

d s

( r a

d / s )

zvd; measuredm; fit: 87.18%

F i g u r e 5 . 8 : A R X m o d e l s c o m p a r e d t o a n a c t u a l o u t p u t s i g n a l .

5 . 2 . 8 S i m u l i n k I m p l e m e n t a t i o n

T o c o m p l e t e t h e e n t i r e m o d e l o f t h e X - P r o a l l e l e m e n t s a r e m o d e l l e d a n d i m p l e m e n t e d i n

S i m u l i n k . T h e m o d e l f o r t h e m o t o r / g e a r w i l l b e i m p l e m e n t e d i n S i m u l i n k i n t h e f o l l o w i n g

s e c t i o n . T h e m o d e l w i l l b e i m p l e m e n t e d a s a d i s c r e t e f u n c t i o n i n t h e z - d o m a i n . F r o m t h e m - l e

u s e d t o e s t i m a t e d t h e m o d e l , t h e n u m e r a t o r a n d d e n o m i n a t o r w i l l b e e x t r a c t e d .

D u r i n g t h e p a r a m e t e r e s t i m a t i o n t h e m e a s u r e d i n p u t a n d o u t p u t s i g n a l s w h e r e d e t r e n d e d . T h i s

m e a n s t h a t t h e m e a n o f t h e s i g n a l s w a s s u b t r a c t e d . T o c o m p e n s a t e t o t h a t t h e m e a n s m u s t b e

a d d e d i n t h e m o d e l . T h e a d d i t i o n o f t h e o s e t m e a n s t h e a t z e r o i n p u t t h e o u t p u t w i l l b e e q u a l

t o t h e o s e t v a l u e . T h e i m p l e m e n t e d m o d e l c a n b e s e e i n g u r e 5 . 9 .

\Omega1

Motormeanoutput constant

motormeanoutput

Motormeaninput constant

motormeaninput

DiscreteTransfer Fcn

motornumd (z)

motordend (z)dutycycle1

F i g u r e 5 . 9 : I m p l e m e n t e d m o t o r m o d e l .

2 9


40/136


5 . 2 . 9 M o d e l v e r i c a t i o n

T h e i n p u t t o t h e m o d e l i s t h e m e a s u r e d P W M s i g n a l . T h e m e a n o f t h e i n p u t s i g n a l i s s u b t r a c t e d

t o m a t c h t h e s e q u e n c e u s e d i n t h e p a r a m e t e r e s t i m a t i o n , i n g u r e 5 . 6 . T h e d i s c r e t e t r a n s f e r

f u n c t i o n c a l c u l a t e s a n o u t p u t t o w h i c h t h e m e a n o f t h e o u t p u t s e q u e n c e i s a d d e d . T h e S i m u l i n k

m o d e l u s e d f o r v a l i d a t i o n o f t h e m o t o r / g e a r m o d e l c a n b e s e e n i n g u r e 5 . 1 0 .

motor scope

motor difference

To Workspace1

motordiff

To Workspace

simoutFront motor

dutycycle \Omega

FromWorkspace1

zvsimin

FromWorkspace

zvsimout

simin omega

simoutsimout

F i g u r e 5 . 1 0 : M o d e l u s e d f o r v a l i d a t i o n o f t h e i m p l e m e n t e d S i m u l i n k m o d e l o f t h e m o t o r / g e a r .

T h e m o d e l o u t p u t i s c o m p a r e d t o t h e m e a s u r e d o u t p u t s i g n a l . T h e s i g n a l s c a n b e s e e n i n g u r e

5 . 1 1 .

0 50 100 150 200 250 300 350 40020

40

60

80

100

120

140

160

180

Samples

R a d

i a s p e r s e c o n d

[ r a d

/ s ]

D u t y c y c

l e [ % ]

Simulated and measured output

Sim outputMeas outputInput PWM

F i g u r e 5 . 1 1 : P l o t o f m e a s u r e d i n p u t a n d o u t p u t a n d s i m u l a t e d o u t p u t .

T h e i m p l e m e n t e d m o d e l c o m p u t e s a n a c c e p t a b l e o u t p u t c o m p a r e d t o a n a c t u a l m e a s u r e d o u t p u t

s i g n a l . F u r t h e r m o r e t h e s i m u l a t e d o u t p u t h a v e b e e n s u b t r a c t e d f r o m t h e m e a s u r e d o u t p u t t o

s e e n t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e 2 s i g n a l s . T h e r e s u l t c a n b e s e e n i n g u r e 5 . 1 2 .

I t i s a s s u m e d t h a t t h e r e m a i n i n g v a r i a t i o n s i n t h e d i e r e n c e a r e d u e t o n o i s e i n t h e m e a s u r e d

i n p u t a n d o u t p u t s i g n a l s . H e n c e t h e m o d e l o f t h e m o t o r / g e a r i s a c c e p t e d .

3 0


41/136

5 . 3 . R o t o r

0 50 100 150 200 250 300 350 400-20

-15

-10

-5

0

5

10

Samples (sample rate 0.01 sec)

R a

d i a s p e r s e c o n

d ( r a

d / s )

Difference between measured and simulated output

F i g u r e 5 . 1 2 : P l o t o f t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d o u t p u t .

5 . 3 R o t o r

T h e r o t o r m o d e l d e s c r i b e s h o w t h e r o t a t i o n s p r o v i d e d b y t h e m o t o r t r a n s l a t e s i n t o t h e 2 f o r c e s ,

l i f t a n d d r a g . I n o r d e r t o p u s h a i r d o w n w a r d s b y r o t a t i o n a l m o v e m e n t , t h e r o t o r b l a d e n e e d s

t o b e t i l t e d , w h i c h a l s o r e s u l t s i n a i r b e i n g p u s h e d i n a c i r c u l a r m o t i o n , c r e a t i n g l i f t a n d d r a g

r e s p e c t i v e l y . T h e s e f o r c e s a r e a e c t e d b y t h e a i r , b y t h e r o t o r , b y t h e p o s i t i o n o f X - P r o a n d h o w

i t i s t i l t e d , t h u s m a k i n g t h e d e r i v a t i o n o f a m a t h e m a t i c a l m o d e l c o m p l e x . L i m i t i n g t h e m o d e l t o

c o n s i d e r p o s i t i o n s a n d a t t i t u d e s c l o s e t o h o v e r s i m p l i e s t h e m o d e l c o n s i d e r a b l y . T h e r e s u l t i n g

m o d e l c a n b e d e s c r i b e d b y a s e c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l t a k i n g t h e r o t a t i o n a l s p e e d a s i n p u t a n d

p r o v i d i n g l i f t a n d d r a g a s o u t p u t . T h a t t h e m o d e l i s a s e c o n d o r d e r p o l y n o m i a l i s s h o w n b y

t h e q u a d - r o t o r g r o u p f r o m 2 0 0 6 , a n d i s a l s o i n d i c a t e d b y h o w t h e f o l l o w i n g m e a s u r e m e n t s t

t h e f u n c t i o n [ 0 6 g 0 6 , p . 1 5 1 ] . I n o r d e r t o i d e n t i f y t h e p a r a m e t e r s f o r t h i s m o d e l , a s e r i e s o f

m e a s u r e m e n t s a r e c o n d u c t e d .

5 . 3 . 1 M e a s u r i n g l i f t

M e a s u r i n g l i f t r e q u i r e s t h e X - P r o t o b e s t a b i l i z e d a r o u n d h o v e r w i t h o u t h a v i n g a n y x a t i o n f o r

p i t c h . I . e . t h e a r m w i t h t h e r o t o r u s e d f o r m e a s u r i n g c a n m o v e f r e e l y v e r t i c a l l y w h i l e a l l o t h e r

d e g r e e s o f f r e e d o m a r e e l i m i n a t e d . M e a s u r i n g e v e r y t h i n g a r o u n d h o v e r i s d o n e b y a t t a c h i n g a

l a r g e w e i g h t t o a s t r i n g a n d t h e n a t t a t c h i n g i t t o t h e X - P r o a r m . T h e s t r i n g i s s t r e t c h e d j u s t f a r

e n o u g h t o e n s u r e t h e X - P r o c a n n o t r i s e t h e s e l e c t e d r o t o r a b o v e h o v e r w i t h o u t a l s o e l e v a t i n g t h e

w e i g h t . T h e x a t i o n i s d o n e u s i n g s t r i n g s a t t a c h e d t o t h e X - P r o p r e v e n t i n g i t f r o m r o t a t i n g a s

w e l l a s m a k i n g a n y r o l l m o v e m e n t s . T h e m e a s u r e m e n t s a r e t h e n c o n d u c t e d b y p l a c i n g t h e w e i g h t

o n a n e l e c t r o n i c s c a l e a n d t h e n i n c r e a s i n g t h e r o t a t i o n a l s p e e d o f t h e r o t o r g r a d u a l l y . T h e n t h e

l i f t p r o v i d e d b y t h e r o t o r c a n b e d i r e c t l y d e r i v e d f r o m t h e r e a d i n g s o n t h e s c a l e k n o w i n g t h a t

F = m g [N] ( 5 . 1 5 )

T h e s e t u p i s s k e t c h e d i n g u r e 5 . 1 3

3 1


42/136


43/136

5 . 3 . R o t o r

Newtonmeter

X-Pro from above

F i g u r e 5 . 1 4 : T h e t e s t s e t u p f o r m e a s u r i n g d r a g .

5 . 3 . 3 P a r a m e t e r E s t i m a t i o n

U s i n g t h e f i t c o m m a n d i n M a t l a b p r o v i d e s a t t i n g o f t h e p o i n t s t o a g i v e n c u r v e . T h e c u r v e

u s e d i s a s e c o n d o r d e r p o l y n o m i a l . T h e f o l l o w i n g g u r e s s h o w t h e m e a s u r e m e n t d a t a a s w e l l a s

t h e c u r v e t t e d t o t h a t d a t a . T h e m - l e i n c l u d i n g t h e m e a s u r e m e n t d a t a a n d t h e c u r v e t t i n g

c a n b e f o u n d o n t h e C D . T h e r e s u l t i n g e q u a t i o n s f o r t h e l i f t a n d f o r t h e d r a g a r e

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

1

2

3

4

5

6

7

Angular velocity

L i f t F o r c e

fitted curve

F i g u r e 5 . 1 5 : T h e m e a s u r e d l i f t a n d t h e c u r v e t t e d .

F Lift () = 0 .2263 10 3 2 2.488 10 3 + 11.97 10 3 [N] ( 5 . 1 6 )

F Drag () = 26 .57 10 6 2 1.933 10 6 + 18.84 10 3 [N] ( 5 . 1 7 )

T h e m e a s u r e d d a t a m a t c h a s e c o n d o r d e r f u n c t i o n a c c e p t a b l e , h o w e v e r l i f t i s a b e t t e r t t h a n

d r a g . T h i s c o u l d b e c a u s e d b y t h e t e s t s e t u p f o r d r a g t u r n i n g o u t t o b e f a i r l y u n s t a b l e , t h u s

r e s u l t i n g i n t h e g y r o s c o p e a l t e r i n g t h e r o t a t i o n a l s p e e d .

3 3


44/136


0 20 40 60 80 100 120 140 1600.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Angular velocity

D r a g

f o r c e

fitted curve

F i g u r e 5 . 1 6 : T h e m e a s u r e d d r a g a n d t h e c u r v e t t e d .

5 . 3 . 4 S i m u l i n k M o d e l

S i n c e t h e d y n a m i c s o f t h e r o t o r i s i n c l u d e d i n t h e m o t o r m o d e l b y k e e p i n g t h e r o t o r m o u n t e d

o n t h e m o t o r d u r i n g m o t o r m e a s u r e m e n t s , t h e s e c o n d - o r d e r p o l y n o m i a l s c a n b e u s e d d i r e c t l y a s

m o d e l s c a l c u l a t i n g t h e l i f t a n d d r a g b a s e d o n r o t a t i o n a l v e l o c i t y . L i f t g e n e r a t e s m o v e m e n t o n

t h e z - a x i s w h i l e d r a g g e n e r a t e s m o v e m e n t i n e i t h e r t h e x - o r t h e y - a x i s a n d n e g a t i v e o r p o s i t i v e ,

d e p e n d i n g o n w h i c h r o t o r t h e d r a g i s c a l c u l a t e d f o r . T h i s i s s h o w n f o r t h e f r o n t r o t o r i n g u r e

5 . 1 7 .

Drag front2

Lift front1

Lift z -axis

f(u)

Lift y -axis0

Lift x -axis

0

Gain

-1

Drag z-axis0

Drag y-axis

f(u)

Drag x-axis

0

1

1

MotorVelocity

1

F i g u r e 5 . 1 7 : T h e S i m u l i n k m o d e l u s e d f o r t h e f r o n t r o t o r .

3 4


45/136

Chapter 6P r o j e c t i o n

F i g u r e 6 . 1 : M o d e l f o r t h e p r o j e c t i o n .

6 . 1 F o r c e

T h e f o r c e F , i l l u s t r a t e d i n g u r e 6 . 1 , i s t h e s u m o f a l l f o r c e s a n d t h e f o r c e g e n e r a t e d b y t h e r o t o r s

w i l l b e p o s i t i v e a n d t h e f o r c e g e n e r a t e d b y t h e g r a v i t y a e c t i n g t h e X - P r o w i l l b e n e g a t i v e . T h e

i n d i v i d u a l f o r c e s a c t i n g o n t h e X - P r o h a s e a c h b e e n d e r i v e d i n c h a p t e r 5 . 3 . I n g u r e 4 . 2 t h e

X - P r o i s s e e n f r o m b e h i n d . T h e f o r c e s t h a t a r e p r o d u c e d b y t h e r o t o r s , a r e i n t h e s a m e d i r e c t i o n

a s t h e c o o r d i n a t e s y s t e m o f t h e b a s e i n t h e z - a x i s . T h e f o r c e s f r o m t h e r o t o r s w i l l b e c a l c u l a t e d

a s p o s i t i v e , a n d t h e g r a v i t y w i l l b e c a l c u l a t e d a s n e g a t i v e .

T h e X - P r o i s a e c t e d b y e x t e r n a l f o r c e s w h i l e y i n g . T o g e t a b e t t e r u n d e r s t a n d i n g o f t h e f o r c e s

a s h o r t d e s c r i p t i o n i s m a d e :

G r a v i t y

G r a v i t y i s t h e o n l y f o r c e a e c t i n g t h e X - P r o i n t h e n e g a t i v e d i r e c t i o n s e e n f r o m t h e b a s e c o o r d i -

n a t e s y s t e m . T h e f o r c e a t t a c k s i n t h e c e n t e r o f m a s s o f t h e X - P r o , a n d w i l l a l w a y s p o i n t t o w a r d

t h e g r o u n d . T h e f o r c e d i r e c t i o n i s a l w a y s x e d t o t h e o r i e n t a t i o n s o f t h e u n i v e r s a l f r a m e I .

3 5


46/136


47/136

6 . 2 . T o r q u e

I n e q u a t i o n ( 6 . 1 ) ,

I g i s t h e g r a v i t y v e c t o r i n t h e u n i v e r s a l f r a m e I , t h e g r a v i t y o n l y e e c t s i n t h e z a x e s a n d c a n b e e x p r e s s e d a s e q u a t i o n ( 6 . 2 ) . T h e

B f Lift,j i s t h e l i f t f o r c e f r o m r o t o r j , f o u n d i n s e c t i o n 5 . 3 .

I g =00

9.82[m/ s2] ( 6 . 2 )

6 . 2 T o r q u e

I n t h i s s e c t i o n t h e t o r q u e w i l l b e d e s c r i b e d a s a r e s u l t o f t h e d r a g a n d l i f t . T h e

B f Lift,j

i s a

v e c t o r , w i t h t h e l i f t f o r c e f r o m t h e j ' t h r o t o r .

B f Lift,j =00f j

( 6 . 3 )

W h e n a r o t o r g e n e r a t e s a f o r c e , i t l e a d s t o a t o r q u e o n t h e X - P r o r e l a t i v e t o t h e d i s t a n c e o f t h e

r o t o r f r o m t h e c e n t e r . T h e l i f t t o r q u e f r o m o n e r o t o r i s t h e c r o s s p r o d u c t o f t h e p o s i t i o n a n d t h e

l i f t f o r c e , w h i c h i s t h e d i s t a n c e f r o m t h e c e n t e r o f t h e b a s e t o t h e r o t o r . T h e

P jv e c t o r r e p r e s e n t

t h e d i s t a n c e f r o m t h e b a s e t o t h e r o t o r , i n t h e x , y a n d z d i r e c t i o n s . T h e t o t a l l i f t t o r q u e , Lift , f r o m t h e r o t o r s c a n b e c a l c u l a t e d a s t h e s u m o f t h e 4 l i f t t o r q u e s .

Lift =4

j =1

P j B f Lift,j ( 6 . 4 )

W h e n a r o t o r g e n e r a t e s a l i f t f o r c e , i t a l s o g e n e r a t e s a d r a g f o r c e . T h e d r a g i s f o u n d i n s e c t i o n

5 . 3 . T h e t o r q u e f r o m o n e r o t o r i s t h e c r o s s p r o d u c t o f t h e d r a g f o r c e a n d t h e p o s i t i o n . T h e t o t a l

d r a g t o r q u e i s t h e s u m o f t h e 4 d r a g t o r q u e s .

Drag =4

j =1

P j B f Drag j ( 6 . 5 )

T h e t o t a l t o r q u e o n t h e b a s e , i s t h e s u m o f F Drag a n d Lift

Total = f Drag + Lift ( 6 . 6 )

3 7


48/136

6 P r o j e c t i o n

I n t h i s c h a p t e r t h e l i f t f o r c e s a n d d r a g f o r c e s f r o m e a c h o f t h e 4 r o t o r s h a s b e e n p r o j e c t e d

a n d s u m m e d i n t o t o t a l t o r q u e s . T h e t o r q u e s w i l l b e u s e d i n t h e n e x t c h a p t e r t o c a l c u l a t e t h e

a c c e l e r a t i o n c o n c e r n i n g t h e X - P r o .

3 8


49/136


50/136

7 D y n a m i c s

I v = I B RBv ( 7 . 4 )

I v = I B R Bv + I B R Bv ( 7 . 5 )

T h e d e r i v a t i v e o f t h e v e l o c i t y , i s f o u n d b y u s i n g t h e c h a i n r u l e o n e q u a t i o n ( 7 . 5 ) . T h i s c a n f u r t h e r

b e r e a r r a n g e d t o b e a n e x p r e s s i o n o f t h e a c c e l e r a t i o n i n t h e b o d y f r a m e .

Bv = BI RI v BI R

I B R

Bv ( 7 . 6 ) Bv = BI R

I v I B RT I

B RBv ( 7 . 7 )

T h e e x p r e s s i o n

I B R

T I B R

B v c a n b e r e w r i t t e n i n t o B Bv [ B a k 0 2 , p . 8 ] a s t h e f r a m e I i s x e d , w h e r e

B i s t h e a n g u l a r v e l o c i t y o f t h e b o d y . E q u a t i o n ( 7 . 2 ) f o r t h e a c c e l e r a t i o n I v c a n b e i n s e r t e d i n s t e a d , w h i c h r e s u l t s i n t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n .

Bv = BI RI B R

B F 1m

B Bv ( 7 . 8 )

T h e r o t a t i o n

BI R

I B R c a n b e r e d u c e d w h i c h r e s u l t s i n t h e n a l e q u a t i o n

Bv = B F 1m

B Bv ( 7 . 9 )

7 . 2 M o m e n t t o A n g u l a r A c c e l e r a t i o n

T h e X - P r o i s d e s c r i b e d a s a r i g i d b o d y , w h i c h i s r o t a t i n g w i t h a n a n g u l a r v e l o c i t y , , a n d h a s a n g u l a r a c c e l e r a t i o n , . T h e m o m e n t , w h i c h c a u s e s t h i s m o t i o n s , i s g i v e n b y E u l e r ' s e q u a t i o n [ C r a 8 9 , p . 1 9 6 ] :

B = I B + B I B ( 7 . 1 0 )

w h e r e I i s t h e i n e r t i a t e n s o r o f t h e b o d y , w h o s e o r i g i n i s l o c a t e d a t t h e c e n t e r o f m a s s . T h e i n e r t i a t e n s o r c a n b e w r i t t e n a s t h e f o l l o w i n g [ C r a 8 9 , p . 1 9 1 ]

I =I xx I xy I xz

I xy I yy I yz

I xz I yz I zz

( 7 . 1 1 )

4 0


51/136

7 . 2 . M o m e n t t o A n g u l a r A c c e l e r a t i o n

T h e d e s c r i p t i o n o f h o w t h e I n e r t i a t e n s o r i s f o u n d c a n b e s e e n i n a p p e n d i x F . E q u a t i o n ( 7 . 1 0 )

c a n b e r e w r i t t e n i n t o a n e x p r e s s i o n o f t h e a n g u l a r a c c e l e r a t i o n o f t h e b o d y .

B = I 1 B I 1 B I B ( 7 . 1 2 )

I n t h i s c h a p t e r t h e l i n e a r a c c e l e r a t i o n a n d a n g u l a r a c c e l e r a t i o n h a s b e e n d e r i v e d . T h e p a r a m e t e r s

w i l l t h e n b e u s e d i n t h e k i n e m a t i c s t o d e r i v e d t h e n a l s t a t e s , p o s i t i o n , E u l e r a n g l e s a n d E u l e r

r a t e s .

4 1


52/136

7 D y n a m i c s

4 2


53/136

Chapter 8K i n e m a t i c s

F i g u r e 8 . 1 : M o d e l f o r t h e k i n e m e t i c s .

I n t h i s c h a p t e r t h e e x p r e s s i o n s f o u n d i n t h e p r e v i o u s l y c h a p t e r s w i l l b e u s e d t o d e r i v e t h e c o r -

r e l a t i o n b e t w e e n a c c e l e r a t i o n a n d t h e r e s u l t i n g v e l o c i t y o f t h e r i g i d b o d y , i l l u s t r a t e d i n g u r e

8 . 1 .

8 . 1 L i n e a r A c c e l e r a t i o n

T h e l i n e a r a c c e l e r a t i o n f r o m t h e b a s e c o o r d i n a t e s y s t e m f r o m s e c t i o n 7 . 9 y i e l d s

Bv = B F 1m

B Bv ( 8 . 1 )

( 8 . 2 )

T h e p o s i t i o n i s d e r i v e d i n 3 s t e p s . T h e r s t s t e p i s t o d e r i v e t h e l i n e a r v e l o c i t y f r o m t h e l i n e a r

a c c e l e r a t i o n .

Bv = Bv ( 8 . 3 ) T h e n e x t s t e p i s t o d e r i v e d t h e l i n e a r v e l o c i t y o f t h e b a s e r e l a t i v e t o t h e u n i v e r s a l f r a m e .

I v B = I B RBv ( 8 . 4 )

I n t h e l a s t s t e p t h e p o s i t i o n o f t h e b a s e f r a m e w i l l b e d e s c r i b e d r e l a t i v e t o t h e u n i v e r s a l f r a m e .

I

P = I

v B( 8 . 5 )

4 3


54/136

8 K i n e m a t i c s

8 . 2 A n g u l a r V e l o c i t y

T h e a n g u l a r a c c e l e r a t i o n o f f r a m e B i s u s e d t o n d t h e a n g u l a r v e l o c i t y i n t h e u n i v e r s a l f r a m e I .

B = I 1 B I 1 B I B ( 8 . 6 )

B = B ( 8 . 7 ) T h e v e l o c i t y o f t h e f r a m e B a n d t h e r o t a t i o n m a t r i x c a n b e u s e d t o n d t h e E u l e r a n g l e s a n d t h e E u l e r r a t e s , . I t c a n b e d e r i v e d f r o m t h e k i n e m a t i c d i e r e n t i a l e q u a t i o n f o r t h e ( 3 - 2 - 1 ) s e q u e n c e [ B a k 0 2 , p . 2 5 ] .

123

=1

cos(2)

cos(2) sin(1) sin(2) cos(1) sin(2)0 cos(1) cos(2) sin(1) cos(2)0 sin(1) cos(1)

123

( 8 . 8 )

( 8 . 9 )

Date post:	07-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	sarfaraz-nawaz-shaha
View:	224 times
Download:	0 times

08gr833 Student Report

Documents