Στη συνέχεια της ερευνητικής προσπάθειας που πραγματοποιήθηκε σχεδιάστηκε η τελική έκδοση του Μη Επανδρωμένου Οχήματος Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης τύπου Quadrotor. Στο ακόλουθο κείμενο θα παρουσιασθεί η τελική σχεδίαση, το πειραματικό πρωτότυπο καθώς και οι στρατηγικές για τον αυτόνομο έλεγχο αυτού. Για κάθε ξεχωριστή στρατηγική ελέγχου παρουσιάζονται τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα που πιστοποιούν την απόδοση του αυτόνομου συστήματος.

Μοντελοποίηση του Quadrotor

 Η κίνηση του Quadrotor επιτυγχάνεται από τις δυνάμεις ώσης που παράγουν οι περιστρεφόμενες έλικες, ενώ η κίνηση στον χώρο και η περιστροφική κίνηση επιτυγχάνεται με έλεγχο της διαφοράς των αντίρροπα κινούμενων ελίκων. Συγκεκριμένα, η πρόσθια κίνηση επιτυγχάνεται από τη διαφορά της ώσης που παράγει ο μπροστά και ο πίσω ρότορας, η πλάγια ολίσθηση επιτυγχάνεται στα πλαίσια της διαφοράς των δύο πλευρικών ρότορων, ενώ η περιστροφή yaw επιτυγχάνεται στα πλαίσια του ελέγχου της διαφοράς της ροπής που παράγουν οι αντίρροπα κινούμενες έλικες. Τέλος, η κίνηση στον κάθετο άξονα παράγεται από τη συνολική ώση των κινητήρων.

Το Quadrotor είναι ένα ισχυρά μη γραμμικό σύστημα. Η μοντελοποίηση της δυναμικής της κίνησης του γίνεται με βάση τις αρχές της Νευτώνιας μηχανικής. Ο πυρήνας του μοντέλου είναι οι εξισώσεις κίνησης ενός σώματος στον ελεύθερο χώρο. Οι εξισώσεις αυτές περιγράφουν τους 6 βαθμούς ελευθερίας (6 Degrees of Freedom – 6DOF). Κάθε ένας βαθμός ελευθερίας περιγράφει μια από τις καταστάσεις p,q,r,u,v,w. Συνολικά συνεπώς αναπτύσσονται 12 συνήθεις διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν αυτές τις καταστάσεις σε συνδυασμό με τις απόλυτες γωνίες και θέσεις φ,θ,ψ,x,y,z αντιστοίχως.

Υποσυστήματα μοντελοποίησης της δυναμικής του Quadrotor

Σχεδίαση του τελικού πρωτοτύπου Quadrotor

Η σχεδίαση του αεροσκάφους πραγματοποιήθηκε στη βάση των παρακάτω κύριων απαιτήσεων:

• Το σκάφος θα έπρεπε να είναι μικρού-μεσαίου μεγέθους με διάμετρο περίπου 0.5m.
• Το σκάφος δεν θα έπρεπε να ξεπερνά το 1.5kg σε βάρος ενώ παράλληλα θα προσέφερε έως και 0.5kg ωφέλιμο φορτίο.
• Το σκάφος θα έπρεπε να παρέχει πολύ υψηλές δυνατότητες υπολογιστικής ισχύος.
• Το σκάφος θα έπρεπε να είναι αυτόνομο ως προς τη δυνατότητα εκτίμησης της θέσης και ευρύτερα του διανύσματος κατάστασης του.

Το σκάφος θα έπρεπε να δίνει πολλαπλές δυνατότητες συνδεσιμότητας με τα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας.

Η τελική σχεδίαση του πρωτοτύπου UPATcopter Quadrotor αποτελεί ένα αρκετά συμπαγές σύστημα το οποίο είναι εξ ολοκλήρου κατασκευασμένο από ανθρακονήματα και ανωδιωμένο αεροπορικό αλουμίνιο. Όλα τα τμήματα είναι κομμένα με τεχνικές CNC για αυξημένη ακρίβεια. Για τους άξονες του σκάφους επιλέχθηκαν τετραγωνικοί σωλήνες με σκοπό την καλύτερη απόρριψη των μηχανικών ταλαντώσεων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τις μετρήσεις του αδρανειακού συστήματος (Xsens MTi-G IMU), το οποίο σε κάθε περίπτωση βρίσκεται πάνω σε μηχανικούς αποσβεστήρες. Το τελικό σύστημα τροφοδοτείται από μπαταρίες τεχνολογίας Λιθίου Πολυμερών με 3Cells. Ο τύπους που κύρια χρησιμοποιήθηκε είναι ο Vislero 3Cell 3300mAh.Το σύστημα πρόωσης είναι ικανό να σηκώσει το σκάφος και να το σταθεροποιήσει σε κατάσταση στάσιμης αιώρησης (hovering mode) στο 40% της συνολικής του ισχύος, καλύπτοντας, έτσι, και τη δυνατότητα επιπρόσθετου ωφέλιμου φορτίου.

Τελική μορφή του UPATcopter Quadrotor

Έλεγχος πλοήγησης του Quadrotor

Το βασικό επόμενο βήμα ανάπτυξης του UPATcopter Quadrotor ήταν η σχεδίαση και πειραματική επιβεβαίωση του συστήματος αυτομάτου ελέγχου. Στόχος του αυτομάτου ελέγχου είναι ο έλεγχος του προσανατολισμού (attitude) και, ως εκ τούτου, ο έλεγχος τροχιάς. Θα πρέπει να τονισθεί ότι το Quadrotor είναι ένα ασταθές σύστημα με αποτέλεσμα η πρόκληση ελέγχου του να είναι ιδιαίτερα αυξημένη. Μάλιστα σε αντίθεση με πολλά κλασσικά Remotely Controlled Helicopters δεν διαθέτει μηχανικό σύστημα σταθεροποίησης του, και ως εκ τούτου, όλα επαφίενται στον αυτόματο έλεγχο και γενικότερα στο σύστημα του αυτομάτου πιλότου. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την ανάπτυξη σύγχρονων και πολύ γρήγορων αισθητήρων, τελικά, δίνει τη δυνατότητα ανάπτυξης ενός συστήματος το οποίο χαρακτηρίζεται από καλύτερα πτητικά χαρακτηριστικά, κυρίως ως προς την ακρίβεια της πτήσης και τη δυνατότητα απότομων ελιγμών. Συμπερασματικά, ναι μεν η ασταθής δυναμική σε συνδυασμό με την έλλειψη μηχανικού συστήματος σταθεροποίησης οδηγεί σε ένα δυσκολότερο ως προς τον έλεγχο του σύστημα, αλλά τελικά αυτό ξεδιπλώνει τη δυνατότητα ανάπτυξης ενός συστήματος με ιδιαίτερα βελτιωμένα χαρακτηριστικά.

Τα Quadrotors βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογικής έρευνας στα μη επανδρωμένα συστήματα σε όλο τον κόσμο. Τα μεγαλύτερα και γνωστότερα πανεπιστήμια όπως το MIT, το Stanford, το Georgia Tech, το ETH Zurich, το EPFL και το TU Munich έχουν αναπτύξει τα πρώτα πρωτότυπα. Σήμερα η έρευνα με βάση αυτά τα οχήματα συνεχίζεται με εντυπωσιακά αποτελέσματα. Σε αυτά τα πλαίσια, μια άλλη πρόκληση αυτής της εργασίας είναι να ορίσει και το ιδιαίτερο ερευνητικό πεδίο ώστε να προσφέρει μια συγκεκριμένη και ουσιαστική συμβολή στην διεθνή ερευνητική κοινότητα.

Σε αυτά τα πλαίσια επιλέχθηκε να δοθεί έμφαση στην ανάπτυξη πρωτότυπων και αποδοτικών νόμων ελέγχου που θα δίνουν τη δυνατότητα να βελτιωθούν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της πτήσης των Quadrotors, και ως εκ τούτου, των μη επανδρωμένων ελικοπτέρων γενικότερα.

Βασικό κριτήριο για την επιλογή ενός νέου νόμου ελέγχου ήταν το κατά πόσο μια νέα μέθοδος θα προσφέρει κάτι περισσότερο, δηλαδή αν θα βελτιώσει συγκεκριμένα πτητικά χαρακτηριστικά του συστήματος. Για να το θέσουμε αλλιώς, πέρα από τη σημασία της έρευνας σε ένα καθαρά αφαιρετικό επίπεδο, θεωρήθηκε ότι, εν τέλει, θα πρέπει να επιτυγχάνεται και συγκεκριμένη πρακτική βελτίωση. Στο σύνολο αυτών των συστημάτων, τα μη επανδρωμένα ελικόπτερα μπορούν να πετάξουν με ελέγχους τύπου PID (Proportional Integral Derivative), έλεγχος που χαρακτηρίζεται για την απλότητα υλοποίησής του και την ευκολία κατανόησης από τον άνθρωπο. Κατά αυτή την έννοια, θα πρέπει να υπάρχει πραγματικός λόγος για να χρησιμοποιήσει κανείς μια άλλη μέθοδο ελέγχου.

Οι βασικές μέθοδοι ελέγχου που επιλέχθηκαν έχουν αρχιτεκτονική που επιτρέπει τη βελτίωση των πτητικών χαρακτηριστικών του Quadrotor στους παρακάτω τομείς:

1. Ομαλότερη πτήση: ένα από τα κλασσικά προβλήματα κατά την σχεδίαση ελεγκτών για συστήματα με πολύ γρήγορα δυναμικά χαρακτηριστικά είναι ότι, συνήθως, ή ο έλεγχος είναι ασθενής και δεν μπορεί να εγγυηθεί αποδοτική και σθεναρή πτητική λειτουργία ή είναι πιο απότομος από ότι θα έπρεπε με αποτέλεσμα να προκαλεί ταλαντώσεις μικρότερου εύρους αλλά μεγάλης συχνότητας. Και τα δύο φαινόμενα (ιδίως το πρώτο) είναι, φυσικά, ανεπιθύμητα. Οι βασικοί νόμοι ελέγχου που αναπτύχθηκαν έχουν τη δυνατότητα να εγγυηθούν ομαλότερη πτητική λειτουργία, όχι απλώς στα πλαίσια μιας καλύτερης ρύθμισης για το συγκεκριμένο σύστημα (κάτι που δεν εγγυάται ότι μπορεί να επαναληφθεί και σε ένα άλλο σύστημα), αλλά μέσα από την ίδια τους την αρχιτεκτονική, όπως θα εξηγηθεί παρακάτω.
2. Μεγαλύτερο Φάκελο Πτήσης: παραδοσιακά τα μικρά μη επανδρωμένα ελικόπτερα πετούν σε μια κατάσταση «στάσιμης αιώρησης» ή hover. Ουσιαστικά, όλος ο έλεγχος αναπτύσσεται γύρω από την ανάγκη το ελικόπτερο να μείνει στον αέρα σε ισορροπία. Από εκεί και πέρα η πτήση του ελικοπτέρου γίνεται γύρω από μικρές γωνίες και μικρές ταχύτητες μακριά από αυτό το σημείο ισορροπίας. Αυτό όμως σημαίνει ότι οι πραγματικές δυνατότητες του συστήματος, τα γρήγορα δυναμικά του χαρακτηριστικά, δεν χρησιμοποιούνται. Οι βασικοί έλεγχοι που προτείνονται συνυπολογίζουν, ήδη από το επίπεδο της μοντελοποίησης, την ανάγκη να πλοηγηθεί το Quadrotor με μεγαλύτερους ρυθμούς περιστροφής και μεγαλύτερες ταχύτητες.
3. Αντοχή στην επίδραση Διαταραχών Ανέμου: τα κλασσικά ελικόπτερα έχουν πολύ καλές επιδόσεις ως προς την επίδραση διαταραχών, λόγω του πολύπλοκου μηχανισμού με τον οποίο αλλάζουν τη γωνία του κεντρικού στροφείου. Επίσης, συνήθως, είναι σχετικά μεγάλα συστήματα, οπότε η αδράνεια βοηθά στην ανάπτυξη συστημάτων που είναι πιο σθεναρά απέναντι στις διαταραχές του ανέμου. Αυτό δεν ισχύει για τα Quadrotors, τόσο λόγω της έλλειψης μηχανισμού που να αλλάζει τη γωνία των στροφείων όσο και λόγω του τυπικά μικρού μεγέθους τους. Αυτό φυσικά δεν αποτελεί πρόβλημα όταν οι πτήσεις γίνονται εντός ενός εργαστηρίου, όμως, αντικειμενικά θα πρέπει να βελτιωθεί ώστε να επιτευχθούν πιο σθεναρά συστήματα ικανά να πετάξουν σε πραγματικές αποστολές. Οι νόμοι ελέγχου που προτείνονται συνυπολογίζουν την επίδραση των διαταραχών ανέμου στο επίπεδο της μοντελοποίησης, προσθέτοντας ένα διάνυσμα διαταραχών το οποίο ο έλεγχος συνυπολογίζει ακολούθως.
4. Συνυπολογισμός των φυσικών περιορισμών του συστήματος: όπως είναι προφανές αυτά τα μικρά συστήματα έχουν συγκεκριμένους – συχνά αυστηρούς – περιορισμούς. Για παράδειγμα, το ίδιο το ελικόπτερο δεν μπορεί να πλοηγηθεί με οποιαδήποτε ταχύτητα ή να εκτελέσει τον οποιονδήποτε ελιγμό. Αυτοί οι φυσικοί περιορισμοί συνήθως συνυπολογίζονται ως όρια στον έλεγχο με την έννοια ότι, αν ο «τυπικός» αλγόριθμος του ελέγχου υπολογίσει μεγαλύτερη τιμή τότε αυτή απλά περιορίζεται σε ένα συγκεκριμένο όριο. Υπάρχει όμως η θεωρία ώστε αυτοί οι περιορισμοί να συνυπολογισθούν στο επίπεδο του αλγορίθμου ελέγχου, με αποτέλεσμα ο έλεγχος να παράγει τιμές που γίνονται όλο και πιο ομαλές καθώς το ελικόπτερο πλησιάζει τα φυσικά του όρια.