MPC and LQ Control of an Autonomous Helicopter Dragging a Semi-submerged Slung Load
Translated title
MPC og LQ Kontrol af en Autonom Helikopter med Delvist Nedsænket Slung Load
Authors
Pedersen, Stefan Moeskjær ; Vutborg, Steffen
Term
10. term
Publication year
2012
Submitted on
2012-05-31
Pages
188
Abstract
Projektet undersøgte, om en autonom helikopter kan bruges i eftersøgnings- og redningsopgaver. Efter dialog med en SAR-helikopterpilot blev fokus indsnævret til et proof-of-concept: en helikopter, der trækker en delvist nedsænket last ophængt i en wire under helikopteren. Med udgangspunkt i en eksisterende helikoptermodel (Bisgaard-modellen) blev der opstillet en model af den delvist nedsænkede last samt en stivlegemsmodel, der beskriver samspillet mellem helikopter og last. Af hensyn til enkelhed blev wiretilslutningen antaget at sidde i helikopterens massemidtpunkt. Forsøg viste, at lastmodellen havde lidt anderledes dynamik end forventet og for lidt dæmpning, dvs. den svingede mere end observationerne tilsagde. Reguleringsdelen omfatter en række lineær-kvadratiske (LQ) regulatorer for både flyvning med og uden last, suppleret af en ydre sløjfe med modelprædiktiv regulering (MPC) til at generere sætpunkter. Systemet kan skifte mellem regulatorerne, så det kan flyve til en referenceposition og derefter gå i svæv. Acceptancetests viste, at regulatorerne kan stabilisere systemet, så kravene opfyldes, men der er fortsat gode muligheder for forbedringer i fremtidigt arbejde.
This project explored whether an autonomous helicopter could be used for search and rescue. After consulting with a search-and-rescue helicopter pilot, the scope was narrowed to a proof of concept: a helicopter towing a semi-submerged load hanging from a cable. Building on an existing helicopter model (the Bisgaard model), we developed a model of the semi-submerged load and a rigid-body model describing the interaction between the helicopter and the load. For simplicity, the cable was assumed to attach at the helicopter’s center of mass. Tests indicated that the load model had slightly different dynamics and too little damping, meaning it oscillated more than observations suggested. The control design uses a series of Linear Quadratic (LQ) controllers for flight with and without the load, complemented by an outer-loop Model Predictive Control (MPC) to generate set-points. The system can switch between controllers, allowing it to fly to a reference position and then hover. Acceptance tests showed that the controllers stabilize the system well enough to meet the requirements, while leaving ample room for future improvements.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents