Stabilizacja lotu wielowirnikowego robota latającego z

Stanisław Gardecki
Politechnika Poznańska
Wydział Elektryczny
Instytut Automatyki i Inżynierii Informatycznej
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Stabilizacja lotu wielowirnikowego robota latającego z napędem
elektrycznym w warunkach zmiennego obciążenia i konfiguracji z
wykorzystaniem pokładowych systemów mikroawioniki.
Celem pracy doktorskiej jest rozszerzenie możliwości operacyjnych wielowirnikowych
platform latających. Obecnie roboty tego typu są używane głównie do wykonywania zadań
zwiadowczych oraz obserwacyjnych. Umożliwienie im przenoszenia oraz manipulacji
ładunkami, pozwoliłoby na wykorzystywanie ich do misji transportowych, naprawczych i
ratunkowych.
Rys.1: Robot latający Falcon V1 podczas lotu testowego. (autor Tomek Gajewski)
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Problemem badawczym podjętym w pracy jest konstrukcja robota latającego z
ramionami
manipulacyjnymi
wraz
z
systemem
sterowania
umożliwiającym
pracę
manipulatorów, podczas gdy robot jest w powietrzu. Z racji dodania dodatkowych mas (w
postaci ogniw manipulatorów) znacząco pogorszą się własności dynamiczne systemu, co
przy małych platformach latających utrudnia utrzymywanie się w powietrzu. Opracowany
algorytm sterowania ma za zadanie nie tylko radzenie sobie ze stabilizacją samej platformy
latającej w powietrzu, ale również ma skompensować dynamiczne zmiany środka masy
wynikające ze zmiany ułożenia manipulatorów oraz chwytania/puszczania dodatkowego
ładunku o określonej masie. Ruch manipulatorów generuje momenty nie tylko liniowe ale i
skręcające, które bezpośrednio naruszają warunki równowagi (utrzymanie stałej pozycji i
orientacji w przestrzeni).
Główną tezą rozprawy jest możliwość stabilizacji zawisu i lotu wielowirnikowego robota
latającego w warunkach zmiennego rozkładu mas i obciążenia.
Opracowywany robot latający może znaleźć szerokie zastosowanie w wielu gałęziach
przemysłu, również o strategicznym znaczeniu dla gospodarki regionu. Jednym z
ważniejszych celów, dla jakich została stworzona maszyna, jest realizacja zadań z zakresu
inspekcji i dozoru w środowisku niebezpiecznym dla człowieka. Łatwość osiągania trudno
dostępnych miejsc, otwiera szerokie spectrum zastosowań. Przykładowe zadania jakie mogą
być realizowane przez wielowirnikowego robota latającego to kontrola stanu infrastruktury
(dróg, kolei, wodociągów, cieków wodnych), ocena stanu rurociągów oraz cieków wodnych.
Monitorowanie zbiorników wodnych i rzek może się odbywać również pod kątem
występowania zagrożeń powodziowych, gdzie wczesne wykrycie problemu umożliwi szybszą
reakcję i zabezpieczenie terenów. Opracowana konstrukcja może znaleźć zastosowania przy
dozorowaniu
dachów
budynków,
kominów
przemysłowych,
napowietrznych
linii
elektroenergetycznych oraz innych instalacji położonych wszędzie tam, gdzie dostęp dla
człowieka jest utrudniony lub niebezpieczny. W chwili obecnej takie zadania wykonywane są
przez ludzi. Generuje to wysokie koszty, a przede wszystkim naraża personel na
niebezpieczeństwa. W powstającej konstrukcji zastosowano dodatkowo parę manipulatorów.
Przyczyniło się to do znacznego wzrostu walorów użytkowych platformy. Poprzez dodanie
sposobności ingerencji w otoczenie możliwym stało się prowadzenie misji naprawczych oraz
konserwatorskich w sposób znacznie bezpieczniejszy od dotychczasowego. Konstrukcja
zapewni przeprowadzanie prostych prac manualnych w środowiskach niebezpiecznych bądź
trudno dostępnych dla człowieka.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Skala zastosowań wielowirnikowego robota latającego podczas organizacji imprez
masowych lub w sytuacjach kryzysowych również może być również szeroka. Ze względów
bezpieczeństwa, zainstalowana na pokładzie maszyny kamera umożliwi bezpośredni nadzór
nad imprezą służbom bezpieczeństwa i policji. Maszyna może być używana do
monitorowania natężenia ruchu na ulicach i placach. Konstrukcja może zostać wykorzystana
również jako wsparcie dla osób związanych z ratownictwem medycznym w zadaniach
obejmujących duży obszar, jako prosta w obsłudze i niezawodna jednostka zwiadu
powietrznego. Dodatkowo, dzięki niewielkim wymiarom i dużej manewrowości robot jest w
stanie poruszać się w środowisku silnie zurbanizowanym, co może pozwolić na
zastosowanie maszyny podczas akcji ratowniczych na obszarze miejskim, wszędzie tam,
gdzie wysłanie człowieka naraziłoby go na niebezpieczeństwo. Jako przykład mogą posłużyć
stare, grożące zawaleniem się budynki.
Platforma może również znaleźć szerokie zastosowanie w dozorze środowiska
naturalnego. Tego typu robot latający zdolny jest do bezinwazyjnego dozoru zbiorników
wodnych, rozległych lasów oraz pól uprawnych. Zastosowanie podobnych maszyn w
rolnictwie umożliwiłoby szybką i rozległą kontrolę. Uprawy mogłyby być nadzorowane w
zakresie obecności chorób oraz określania liczby pasożytów (takich jak stonka, czy
szarańcza). Łatwa w obsłudze i transporcie platforma latająca poruszająca się wysoko nad
lasem mogłaby znaleźć zastosowanie również w leśnictwie, służąc do wykrywania pożarów,
śledzenia ruchów stad zwierząt czy dozoru wstępu do obszarów przyrody chronionej. Z
podobnych powodów robot mógłby zostać wykorzystany przez służby celne, do patrolowania
z powietrza rozległych odcinków granic, szczególnie w terenach trudno dostępnych takich jak
góry.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego