Modelling and Control of Thrust Vectoring Mono-copter
Author
Jacobsen, Emil Bjerregaard
Term
4. term
Education
Publication year
2021
Abstract
Private companies have rapidly advanced reusable rockets, creating demand for graduates with hands-on skills. Yet real rocket hardware remains out of reach for most universities, and no ready-made teaching platform exists. This thesis explores mono-copters—small flying vehicles with a single rotor—as a practical way to mimic the key behaviors of reusable rockets in a safe setting. We design a custom hardware platform and propose a model-based control strategy using an LQR (Linear Quadratic Regulator), a method that balances stability and control effort to keep the vehicle upright. Because some required measurements are not available, we implement a Kalman filter, an optimal estimator that fuses a model with noisy sensor data to infer the missing states. Using this approach, the proposed controller stabilizes the system, enabling the mono-copter to perform vertical take-off, steady hovering, and controlled landings that resemble a reusable rocket in a safe laboratory environment.
Private virksomheder har på få år accelereret udviklingen af genbrugelige raketter og skabt et behov for kandidater med praktisk erfaring. Alligevel er rumteknologi uden for rækkevidde for de fleste uddannelsesinstitutioner, og der findes ingen let tilgængelig undervisningsplatform. Denne afhandling undersøger monokoptere—små flyvende køretøjer med én rotor—som en praktisk måde at efterligne genbrugelige raketters adfærd i et sikkert miljø. Vi udvikler en skræddersyet hardware-platform og foreslår en modelbaseret styringsstrategi med en LQR (Linear Quadratic Regulator), en metode der afbalancerer stabilitet og styreindsats for at holde køretøjet opret. Fordi ikke alle nødvendige målinger er tilgængelige, implementerer vi et Kalman-filter, en optimal estimator der kombinerer en model med støjfyldte sensordata for at udlede de manglende tilstande. Med denne tilgang er den foreslåede styring i stand til at stabilisere systemet, så monokopteren kan udføre lodret start, stabil svævning og kontrollerede landinger—ligesom en genbrugelig raket i en sikker laboratorieopsætning.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]