Συνεργατικός έλεγχος μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων με προσδεμένους ρομποτικούς βραχίονες

• Κύριος συγγραφέας: Γκούντας, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Gkountas, Konstantinos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Ρομποτική; Θεωρία ελέγχου; Μη επανδρωμένα αεροσκάφη; Μη επανδρωμένα εναέρια συστήματα; Ρομποτικοί βραχίονες; Συνεργατικός έλεγχος; Robotics; Control theory; Unmanned aerial vehicles; Unmanned aerial systems; Robotic manipulators; Cooperative control

Η διατριβή αυτή πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση των εναέριων ρομποτικών βραχιόνων, καθώς επίσης και τον σχεδιασμό κατάλληλων συστημάτων ελέγχου. Αναλυτικότερα, θα μελετηθεί το πώς μπορεί ένα τέτοιο σύστημα να ασκήσει δυνάμεις και ροπές στο περιβάλλον του, καθώς και το πώς μπορεί να ανταπεξέλθει σε εξωτερικές δυνάμεις. Απώτερος σκοπός είναι η συνεργασία μεταξύ δύο ή περισσοτέρων τέτοιων συστημάτων προς υλοποίηση ενός κοινού στόχου. Η χρήση εναέριων ρομποτικών συστημάτων, τα οποία μπορούν να μεταφέρονται οπουδήποτε στον τρισδιάστατο χώρο και να εκτελούν μικρο-εργασίες, απαραίτητες, όμως, για την καλή λειτουργία μεγαλύτερων συστημάτων, έχει γίνει απαραίτητη. Για να επιτευχθεί η ενσωμάτωση των ρομποτικών βραχιόνων σε μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα, πρέπει να επιλεχθούν κατάλληλα συστήματα για την εκάστοτε περίπτωση. Το κύριο χαρακτηριστικό των υπό μελέτη συστημάτων είναι η πολυπλοκότητά τους, η οποία λόγω της σύζευξής τους αυξάνεται σημαντικά. Τα ερευνητικά αντικείμενα που εξετάζονται είναι η επιλογή του εναέριου βραχίονα, βάσει της εφαρμογής και των χαρακτηριστικών τους, ο έλεγχος της κίνησης και, τέλος, ο σχεδιασμός της τροχιάς για τα δυο αυτά συστήματα. Η μοντελοποίηση του συστήματος είναι αναγκαία, αν επιθυμούμε να γνωρίζουμε τη συμπεριφορά του πριν την αξιοποίησή του. Μελετώντας, λοιπόν, την ενέργεια του συστήματος ή τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μπορούμε να δημιουργήσουμε εκφράσεις που περιγράφουν το υπό μελέτη σύστημα. Οι εκφράσεις αυτές είναι πολύτιμες καθώς, εκτός από την αξιοποίηση τους σε προσομοιώσεις, βοηθούν στον σχεδιασμό ελεγκτών, οι οποίοι εγγυώνται την ευστάθεια του συστήματος. Η ευστάθεια μπορεί να δειχθεί αξιοποιώντας βασικές έννοιες της θεωρίας ελέγχου περί ευστάθειας, όπως είναι η θέση των πόλων ενός συστήματος ή η μέθοδος Lyapunov. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν ως προς τα χαρακτηριστικά τους και την καταλληλότητά τους δυο μεγάλες κατηγορίες βραχιόνων, που δύνανται να αξιοποιηθούν σε συνδυασμό με τα εναέρια οχήματα, οι σειριακοί βραχίονες και οι παράλληλοι. Η μοντελοποίηση αλλά και οι εκτενείς προσομοιώσεις έδειξαν ότι το κλειδί στην αποτελεσματική εκτέλεση εργασιών είναι η γνώση των υποσυστημάτων του υπό μελέτη συστήματος. Ο κάθε τύπος βραχίονα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα αλλά και μειονεκτήματα, τα οποία αναδύονται αναλόγως το πόσο αναλυτικά εξάγονται οι δυναμικές του εξισώσεις. Με σκοπό την όσο τον δυνατόν πιο ρεαλιστική απόκριση του εναέριου βραχίονα, εκτός από την μελέτη των υποσυστημάτων, μελετήθηκε και η μεταξύ τους αλληλεπίδραση. Αποτέλεσμα της μελέτης αυτής είναι η δημιουργία ενός συστήματος που περιγράφει αρκετά καλά το πραγματικό σύστημα. Οι εκφράσεις όμως είναι υπερβολικά εκτενείς, με αποτέλεσμα να μη δύνανται, ενδεχομένως, να αξιοποιηθούν σε σύστημα χαμηλού κόστους με χαμηλή επεξεργαστική ισχύ. Βασισμένοι στα αναλυτικά μοντέλα περιγράψαμε την συνεργασία αλλά και τον τρόπο ελέγχου δυο εναέριων βραχιόνων, οι οποίοι συνεργάζονται ώστε να μεταφέρουν ένα αντικείμενο, το οποίο είχε μεγαλύτερο βάρος από όσο μπορούν να διαχειριστούν μόνοι τους. Η αξιολόγηση των ερευνητικών μας αποτελεσμάτων πραγματοποιείται μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων δυο διαφορετικών τρόπων περιγραφής των συστημάτων. Πιο συγκεκριμένα, έγινε χρήση ενός προσομοιωτή φυσικής, ένα είδος προσομοιωτή που χρησιμοποιείται εκτενώς πλέον στη βιομηχανία παιχνιδιών, και προσομοιώνει τις κινήσεις φυσικών στερεών σωμάτων και ενός συστήματος επίλυσης διαφορικών εξισώσεων. Οι αποκρίσεις ήταν παρόμοιες, γεγονός που δείχνει ότι οι δυναμικές που εξήχθησαν περιγράφουν αρκετά καλά το μοντέλο που προσομοιώθηκε στον προσομοιωτή φυσικής.