Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle

Abstract

Technological advancements in semiconductor industry creates many new possibilities that are unreachable previously. Autonomous multirotor unmanned aerial vehicles are the one of the most attracted topics among these possibilities. There are many products developed by global companies to the mass market and also many academic researches that aim to create new areas of usage by institutes and universities. The most up-to-date areas of usage are payload grasping and transportation with multirotor unmanned aerial vehicle. Payload grasping studies began with the simple grippers attached under the multirotors, therefore they need to be almost land to grasp target payload which is not an efficient way. To solve this problem industrial robotic manipulators integrated under the vehicles, but they are not designed for aerial vehicles so they become heavy loads for these vehicles and also provide limited usage on air. Thus, different research groups develop their own context specific lightweight robotic manipulator designs that has different degrees of freedom and end-effector. In addition, some groups designed novel manipulators like using serial chain that differs from the robotic ones that has undesired inertial issues. Load transportation with rotary aerial vehicles began with the helicopters that has cable suspended load under them. This is followed by multirotors that are carried cable suspended load. Research groups studied the dynamical effects of the cable suspended load on the multirotor detailly and propose several modelling and control methodologies to handle these effects and safely transport different loads. In this thesis, a novel grasping mechanism that consists of a DC motor driven spool which works as a winch and a 4 meters long cable suspended gripper on that winch to grasp and drop payload. Therefore, proposed mechanism eliminates negative sides of these two topics like undesired inertial issues of robotic manipulators and dynamical effects of cable suspended load is proposed. Also, it associates their positive sides like aerial grasping of manipulators and load transportation without landing. Designed mechanism will have tested on Hüma-3 rotary wing UAV. Design of the winch driven grasping mechanism begins with the selection of a gripper mechanism that is suitable for the proposed concept. Among the different gripper mechanism options rotary linkage gripper is selected due to its lightweight, relatively small size especially in height since many gripper mechanisms has variable height when operating, and also it is easy to manufacture and assembly. This is followed by the design of the winch spool that begins with the estimation of required inner and outer radii to wind 4-meter cable on a spool. Then, with respect to these radii required motor torque to rotate this spool when pulling and releasing the 4-meter cable suspended gripper is calculated to select suitable dc motor. In addition, since gripper that is pulled and released needs 3 wire cable which is the suspended cable to operate and these wires should be connected to a microcontroller and power, a slip ring is required to eliminate cable twisting problem when spool rotates. Lastly, by using these calculations and selections final winch spool is designed. After the design process is finalized and required electrical components to operate this system is determined, mathematical model or transfer function that takes voltage or duty cycle as input and gives rpm or degree for output of the motor and winch spool is obtained by analyzing the time response of the system for both speed and position. This analysis and the controller design process is done by using Legacy MATLAB and Simulink Support for Arduino Hardware package in MATLAB that provides the possibility of taking real-time like measurements and giving commands to an Arduino hardware from Simulink. When designing a controller for the obtained model, if only a position controller is used to control the length of released or pulled cable suspended gripper, it is observed that large oscillations occur on the cable. To eliminate this problem, releasing or pulling speed should have controlled too. Therefore, controller is designed and simulated to control both position and speed of the winch spool motor for pulling and releasing the gripper at desired amount of length. But, it is achieved that not by using a cascade control scheme instead using a switch-mode scheme which provides transition between speed and position control when it is necessary for a predefined offset. Simple PI and P controller are designed and simulated individually and respectively for speed and position control of winch spool motor and its gains are calculated by using algebraic pole placement method. Then, designed speed and position controllers are applied on the real system again by using the same Simulink package and results are almost same as the simulations individually. Proposed controllers are combined in switch-mode controller and by using a logic algorithm they are designed to operate alternately with respect to the switch state that is determined by comparing the error with predefined offset. This switch-mode controller again tested for real hardware by using same package and results are satisfactory. Finally, designed switch-mode controller is embedded an Arduino Nano, and mechanism with its controller is assembled under the UAV. Some test flights are performed and results again are very satisfactory. After the test flights, to design a controller that can control both quadrotor and the location of grasping mechanism, 8 DOF coupled dynamics of the system is modelled by using Euler-Lagrange method. Change in cable length gives system an extra degree of freedom, but since dynamics of the UAV does not affect dynamics of the grasping mechanism, it can be treated as an input for the 8DOF coupled dynamics. Also, previously obtained grasping mechanism model and its controller can be used individually like a trajectory generator to produce required cable length. After equations of motion are obtained for 𝑞⃗=[𝑥𝑞 𝑦𝑞 𝑧𝑞 𝜙 𝜃 𝜓 𝛼 𝛽]𝑇, controller design process begins with linearizing these equations around hovering condition. Proposed controller is a nonlinear nested loop controller that is designed from the second order error definition and dynamic model of the system. Architecture for position control developed from the second order error definition which contains control laws for quadrotor and gripper position in 3D space. After linearizing quadrotor equations of motion in hover condition, desired roll, pitch and thrust definitons are developed from the linearized translational dynamics of quadrotor and nonlinear effects from the cable suspended gripper. Designed controllers basically behaves like a PD controller that has second order feedforward term. Attitude control architecture again developed from both second order error definition and rotational dynamics of the quadrotor. Then, obtained control laws produce desired thrust, and moment values, but designed model requires desired angular velocities for actuators which are basicly DC brushless motors. Actuator dynamics are modeled as quadratic equation which has a thrust and drag coefficient. These coefficients are estimated experimentally. Also, inertia values on the principal axis for the quadrotor with cable suspended load system is obtained from the Solidworks drawings. After design process finish and controller gains are tuned, 3 test simulations are prepared for designed controller. Firstly, an initial 0.5 radian deflection is defined for gripper cable around the body x-axis, then, both for x-axis and y-axis at the same time. Designed controller succeed to eliminate oscillations within 7 seconds, and preserved quadrotor position and orientation within 8 seconds. Finally, a trajectory is generated to go [5,5,5,1(yaw)] by using minimum jerk trajectory method. Again, designed controller succeed to track generated trajectory and reached desired position within 6 seconds and also eliminate vibrations due to suspended gripper within 10 seconds. Finally, a variable gain position controller is implemented in position control of swing angles, because when cable length is changed system dynamics will changed drastically for constant gain controller. Controller gains for swing angles are defined as polynomials that are found by tuning gains in sample cable lengths and curve fitting for these lengths. Results become similar for same test conditions that are done before when an untuned cable length is selected.

Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler daha önceleri ulaşılması güç olan birçok yeni olasılıklara yer açtı. Bunlar arasında en çok parlayanlardan birisi olan çok rotorlu otonom insansız hava araçları birçok küresel ölçekli şirket tarafından piyasaya sürülmenin yanı sıra dünya çapındaki birçok enstitü ve üniversitelerde çalışan bilim insanlarının akademik araştırma konusu oldu. Çok rotorlu insansız hava aracı yardımıyla havadan yük alma-bırakma ve yük taşınması konuları güncel olarak en çok ilgi çeken araştırma konularıdır. İnsansız hava aracı yardımı ile yük alma araştırmaları çok rotorlu araçların altlarına çok basit standart yakalayıcı veya tutucu mekanizmaların entegre edilmesi ile başladı. Fakat görüldü ki bu şekilde yük alabilmek için aracın neredeyse iniş yapması gerekiyordu ve bu çok verimli bir yöntem değildi. Araştırmacılar bu problemi çözmek amacıyla endüstriyel robot kolları veya manipulatörleri insansız hava aracı altına entegre ettiler, fakat bu çözümde etkili değildi çünkü bu manipülatörler hava araçları için tasarlanmamıştı ve bu araçlar için ağır ve ataletli kalmışlardı. Bu gelişmeleri takiben farklı araştırma grupları kendi çalışmalarına özgü tutucuya sahip hafif robot kolları tasarlamaya başladılar. Bu tasarımlar yalnızca robot kolları başlığında da kalmadı ve birçok grup özgün ve hafif manipulator tasarımları yaptı ve yapmaya devam ediyor. İnsansız hava aracı yardımı ile yük taşıma araştırmaları ise altlarından ip ile sarkıtılmış yüklerin helikopterler ile taşınması ile başladı. Bu tür sistemler yükün teslim edilmesi sırasında büyük kolaylık sağlar çünkü yükü teslim ederken aracın inmesine gerek yoktur. Yine çok rotorlu araçlar kullanılarak bu konuda da çalışmalar yapıldı. Bu çalışmalarda özellikle ip ile sarkıtılmış yükün çok rotorlu araç dinamiğine yaptığı etkinin farklı teknikler ile modellenmesi ve bu etkinin tasarlanan kontrolcüler yardımı ile azaltılarak hızlı ve emniyetli yük taşınması hedeflendi. Bu tez çalışması kapsamında DC motora bağlı bir makaranın döndürülmesi ile çekilip salınabilen 4 metrelik kablonun ucundaki tutucu ile yük alıp bırakabilen özgün bir mekanizma sunulmuştur. Sunulan mekanizma yukarıda bahsedilen uygulamalardaki ağırlık, atalet ve istenmeyen dinamik etkiler gibi kötü yanları etkisizleştirirken, yük tesliminde iniş yapılmaması ve havadan yük alma-bırak gibi iyi yanları ise birleştirmektedir. Makaralı yük alma-bırak mekanizması tasarımı uygun tutucu mekanizmasının olası diğer seçenekler ile kıyaslanarak seçilmesi ile başlamıştır. Hafiflik, üretim kolaylığı, özellikle tutma eylemi esnasında boyu değişmediği için görece diğerlerine göre ufak boyutlarda olması sebebiyle döner eklemli tutucu mekanizmasının kullanılmasına karar verilmiştir. Tutucu seçiminden sonra makaranın tasarımına başlanmıştır. İlk olarak makara iç ve dış çapının belirlenmesi amacıyla 4 metrelik kablonun sarılacağı iç çap ile buna bağlı dış çap arasındaki ilişki formülüze edilmiş ve optimum çap değerleri seçilmiştir. Daha sonra belirlenen çap değerlerini ve tutucu ile sarkıtıldıkça artan kablo ağırlığını da kullanarak makarayı döndürmek için gerekli tork değerleri hesaplanmış ve Pololu 12V 260RPM 25Dx50L 20.4:1 redüktörlü ve 48 CPR enkoderli motor seçilmiştir. Tutucudan gelen kablonun bir mikrodenetleyici ile güç girişine bağlanması gerekmektedir fakat makara döndükçe içinden çıkan kablo burulacaktır. Son olarak bu problemin çözümü için makaraya döner kablo mafsalı takılmış ve makara ölçülendirmeleri tamamlanmıştır. Mekanik tasarımın bitmesi ile bu tasarımın gerçekleştirilmesi için gerekli sürücü kartı olarak Pololu MAX14870, ve Arduino Nano mikrodenetleyi olarak belirlenmiştir. Tasarlanan makara ve motorun matematik modeli sistemin zaman cevabını inceleyerek voltaj veya duty cycle girdisine hız (devir/dakika) veya konum (derece) çıktı olacak şekilde transfer fonksiyon olarak elde edilmiştir. Sistemin zaman cevabının incelenmesi bir Simulink donanım destek paketi olan "Legacy MATLAB and Simulink Support for Arduino Hardware" yardımı ile yapılmıştır. Bu paket Simulink üzerinden Arduino'dan gerçek zamanlı ölçümler yapılmasına ve ona kontrol sinyalleri gönderilmesine olanak sağlamaktadır. Elde edilen modele kontrolcü tasarlarken eğer sadece konum kontrolcüsü uygulanırsa çekilen ve bırakılan tutucu kablosu üzerinde istenmeyen şiddette salınımlar meydana gelmektedir. Bu sorunu engellemek için çekme ve bırakma hızınında control edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, mekanizmanın tutucuyu istenilen uzunlukta salıp çekmesi için tasarlanan kontrolcü hem hız hem de konum kontrolcüsü içermektedir, fakat bu kontrolcüler kademeli olarak değil önceden belirlenmiş bir eşiğe göre geçişli olarak ayrı ayrı çalışmaktadır. Yani ayrı ayrı tasarlanabilirler. Standart bir PI kontrolcü hız, başka bir P kontrolcü ise konum kontrolü için cebirsel pol atama yöntemi kullanılarak katsayılarının belirlenmesi ile tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolcüler önceden elde edilmiş deneysel modellerde ayrı ayrı simüle edilmiş ve belirlenen kriterlerdeki sonuçlara ulaşılmıştır. Daha sonra bu kontrolcüler aynı Simulink donanım destek paketi kullanılarak ayrı ayrı gerçek zamanlı olarak sistem üzerinde denenmiş ve elde edilen sonuçlar yine belirlenen kriterlere ulaşmıştır. Ayrı ayrı tasarlanan bu kontrolcüler önceden belirlenen bir eşik açı değerine göre hangi kontrolcünün aktif olacağının da eklendiği tek bir control şeması içine yerleştirilmiş ve bu şemada aynı destek paketi kullanılarak test edilmiştir. Test sonuçları yine beklenen kriterleri sağlamıştır. Tasarlanan bu geçişli kontrolcü Arduino Nano içine gömülmüş ve mekanizmanın Hüma-3 İHA platformuna monte edilmesi ile birkaç test uçuşu yapılmıştır. Test uçuşlarındaki sonuçlarda yine önceden yapılan simülasyon çalışmaları ve testler ile örtüşmekte ve belirlenen kriterleri sağlamaktadır. Test uçuşları başarıyla tamamlandıktan sonra, sistemin 8 serbestlik dereceli bütünleşik dinamiğini kontrol edebilmek için Euler-Lagrange metodu kullanılarak sistem modellendi. Aslında kablo boyundaki değişim sisteme ekstra 1 serbestlik derecesi katmasına rağmen, system dinamiğinde olan herhangi bir değişim yakalayıcı mekanizmanın dinamiğinde hiçbir değişime sebep olmamaktadır. Bu yüzden system 8 serbestlik dereceli olarak modellenmiş ve kablo boyundaki değişim sisteme girdi olarak verilmiştir. Bu sebeple yakalayıcı mekanizma temelde bu sistemin modelleme yaklaşımını değiştirmemektedir. Dolayısıyla bu mekanizma ve kontrolcüsü bireysel olarak çalışıp sisteme arzu edilen kablo boyunu üretebilir. 𝑞⃗=[𝑥𝑞 𝑦𝑞 𝑧𝑞 𝜙 𝜃 𝜓 𝛼 𝛽]𝑇 olacak şekilde hareket denklemleri elde edilince, kontrolcü tasarım süreci elde edilen bu denklemlerin havada asılı kalma durumu kabulüyle lineerleştirilmesi ile başlamıştır. Tasarlanan kontrolcü ikinci mertebe hata tanımı ve sistemin dinamik modeli kullanılarak tanımlanmış lineer olmayan iç içe iki döngüden oluşan bir kontrolcüdür. Quadrotor ve yakalayıcının konum kontrolü için gerekli mimari ikinci mertebe hata tanımında yola çıkarak türetilmiştir. Havada asılı kalma durumu için lineerleştirilen doğrusal dinamik denklemleri ve bu mimariden faydalanılarak kumanda sinyali olarak kullanılacak yuvarlanma, yunuslama ve sapma sinyalleri üretilmiştir. Tasarlanan kontrolcüler temel olarak PD kontrolcü karakteri gösterse de ikinci mertebe ileri besleme terimide içermektedir. Yönelme kontrolü mimarisi yine ikinci mertebe hata tanımı ve sistemin açısal dinamiğinden faydalanılarak tasarlanmıştır. Elde edilen kontrol mimarisi arzu edilen itki ve momentleri üretmektedir. Fakat sistemin eyleyicileri olan fırçasız DC motorlar arzu edilen açısal hız verisini almak istemektedir. Bu sebeple bir motor mikser algoritması hazırlanmış ve üretilen değerler açısal hız verisine çevrilmiştir. Eyleyici dinamiği ikinci derece denklem şeklinde türetilmiş. Buradaki katsayılar deneysel olarak hesaplanmıştır. Aynı şekilde sistemin asal eksen takımı üzerindeki atalet değerleri Solidworks programında yapılan çizim yardımıyla bulunmuştur. Tasarım süreci bitiminde kontrolcü kazançları ayarlanmış ve 3 farklı senaryo için test simülasyonları yapılmıştır. Bunların ilkinde başlangıç durumu olarak quadrotor x eksenine göre kabloya 0.5 radyan açı verilmiş, ikinci durumda ise hem x hem y ekseninde 0.5 radyan başlangıç durumu verilmiştir. Sonuç olarak bu iki test simülasyonunda da, tasarlanan kontrolcü 7 saniye içerisinde kablo salınımını sönümlemeyi başarmış, 8 saniyede ise İHA'nın konum ve yönelimini ilk durumuna geitrmiştir. Son olarak, hedef [5,5,5,1(sapma)] olacak şekilde basit yörünge denklemleri minimum jerk yörüngesi metodu kullanılarak elde edilmiştir. Tasarlanan kontrolcü yine başarılı bir şekilde yörüngeyi takip etmiş 6 saniye içerisinde istenilen konuma gelmiş, 10 saniye içerisinde ise yakalayıcı kablosundaki salınımları sönümlemeyi başarmıştır. Son olarak kablo boyunun değişeceği göz önüne alınarak ve değişken kablo boyunda sistem dinamiğinde oluşacak değişikliklerden dolayı sabit katsayılı kontrolcü yetersiz kalacaktır. Bu durumu çözmek için konum kontrolcüsü içerisinde salınım kontrolü için konulan katsayılar kablo boyuna bağlı olarak değişen polinomlar olarak tanımlanmıştır. Bu polinomlar ise farklı kablo boyları için belirlenen kontrolcü katsayıları kullanılarak bulunmuştur. Bilinmeyen kablo boyları için yapılan simulasyonlar bilinen kablo boyu için yapılanlar ile benzer sonuçlar vermiştir.