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A toolbox for quadrotors: from aerodynamic science to control theory

Un Toolbox pour quadrotors: de la science aérodynamique à la théorie du contrôle

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Abstract

In this paper the quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) is studied. Aerodynamic forces and moments are explained together with aerodynamic coefficients and a complete quadrotor model is illustrated. After that, feedback control, trajectory generation and proportional integrative derivative (PID) control algorithms are applied. Notions of controllability, observability and area of attraction are also introduced. It is always very hard to conciliate aerodynamic science with control theory because of different hypothesis. Thus, the main focus of this paper is to group them to create a basic guide that lets the reader to understand how quadrotors work and how to build a first linear control effectively, covering aerodynamics and control background together. Important remarks are done to the simplifications of aerodynamic coefficients and flight dynamic equations useful for control theory. Two quadrotor Simulink models are provided together with the article. One is built using the highly nonlinear aerodynamic coefficients, the other with some simplifying hypothesis. Both of them use only blocks provided with basic Simulink environment to ensure a better compatibility with most of Simulink versions, avoiding integrated matlab functions and any other auxiliary toolbox.
Dans cet article, le véhicule aérien sans pilote quadrotor (UAV) est étudié. Les forces aérodynamiques et les moments sont expliqués avec des coefficients aérodynamiques et un modèle quadrotor complet est illustré. Après cela, des algorithmes de contrôle de rétroaction, de génération de trajectoire et de contrôle de dérivée intégrative proportionnelle (PID) sont appliqués. Des notions de contrôlabilité, d'observabilité et de zone d'attraction sont également introduites. Il est toujours très difficile de concilier la science aérodynamique avec la théorie du contrôle en raison d'hypothèses différentes. Ainsi, l'objectif principal de cet article est de les regrouper pour créer un guide de base qui permet au lecteur de comprendre comment fonctionnent les quadrotors et comment construire efficacement un premier contrôle linéaire, couvrant l'aérodynamique et le contrôle de fond ensemble. Des remarques importantes sont faites sur les simplifications des coefficients aérodynamiques et des équations dynamiques de vol utiles pour la théorie du contrôle. Deux modèles Simulink quadrirotors sont fournis avec l'article. L'un est construit en utilisant les coefficients aérodynamiques hautement non linéaires, l'autre avec quelques hypothèses simplificatrices. Les deux utilisent uniquement des blocs fournis avec l'environnement Simulink de base pour assurer une meilleure compatibilité avec la plupart des versions de Simulink, évitant les fonctions matlab intégrées et toute autre boîte à outils auxiliaire.
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Dates and versions

hal-01696344 , version 1 (30-01-2018)

Identifiers

  • HAL Id : hal-01696344 , version 1

Cite

Gabriele Perozzi. A toolbox for quadrotors: from aerodynamic science to control theory. 2018. ⟨hal-01696344⟩
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