RotorSuite ni kisanduku cha zana kilichotengenezwa kwa ajili ya uundaji wa miundo na uigaji wa kiparameta katika mazingira ya MATLAB/Simulink kwa familia pana ya majukwaa ya vyombo vya anga vyenye rota nyingi, kuanzia quadrotor za kawaida zenye rota zilizo kwenye ndege moja na mhimili mmoja hadi vyombo changamano zaidi vya rota nyingi ambavyo mihimili ya rota imeinamishwa kwa pembe zisizobadilika au inaweza kubadilisha mwelekeo wakati wa kuruka. Lengo kuu la programu ni kutoa mfumo wa uundaji wa miundo unaoweza kutumiwa tena kupitia idadi ndogo ya vigezo vya kimwili kama vile idadi ya rota, urefu wa mkono, nafasi ya rota, pembe za cant na dihedral, mielekeo ya mzunguko wa rota, vigawo vya thrust/torque, uzito na momenti ya inertia, badala ya kujenga upya kwa mkono modeli ya dinamiki kwa kila jiometri mpya ya multirotor.

RotorSuite hutoa tabaka mbili za uigaji zinazokamilishana. Katika tabaka la kwanza kuna modeli ya MATLAB/Simulink iliyo fupi zaidi na ya uchanganuzi inayotumia milinganyo ya Newton–Euler. Katika tabaka la pili hutumika modeli inayotegemea fizikia ambapo mwili, mikono, vikundi vya motor–propeller na, inapohitajika, mifumo ya kuinamisha rota huwakilishwa kwa vipengele tofauti vya Simscape Multibody. Katika utafiti, mbinu hizi mbili zililinganishwa kwa kutumia kidhibiti kilekile cha kijiometri kwenye hexarotor yenye rota sita, uzito wa 3,5 kg, pembe za cant na dihedral, na iliyo na full actuation. Chombo kilifanya kupaa, kufuatilia njia yenye umbo la nane katika mwinuko usiobadilika, na kutua. Njia za pande tatu za modeli ya uchanganuzi na modeli inayotegemea fizikia zilifanana kwa kiasi kikubwa; mikengeuko ya mpito katika makosa ya nafasi ya x na y ilibaki chini ya 10 cm, huku modeli inayotegemea fizikia ikionyesha tofauti ndogo za mwelekeo na kasi ya rota zinazohusiana na mgawanyo wa kina wa inertia na dinamiki ya actuator.

Matokeo haya hayamaanishi kwamba modeli ya Simscape imethibitishwa kwa jaribio halisi la ndege la UAV ya kimwili. Uthibitishaji katika utafiti unachunguza ulinganifu kati ya uwakilishi mbili tofauti wa uigaji wa jukwaa lilelile. Upepo, athari za aerodinamiki za mwili, mwingiliano wa propeller–propeller, kelele ya sensa, ucheleweshaji halisi wa driver ya motor na hali za uwanjani hazijajaribiwa kwa majaribio ya kina ya ndege halisi.

Kwa nini zana mpya ya uundaji wa modeli za multirotor inahitajika?

Katika modeli za kawaida za quadrotor, propeller kwa ujumla ziko kwenye ndege moja na mihimili ya rota huwa sambamba na mhimili wima wa mwili. Jiometri kama hiyo ni muhimu sana, hasa katika matatizo ya msingi ya udhibiti wa ndege; hata hivyo, katika matumizi ya kisasa ya aerial robotics kunaweza kuhitajika vyombo vinavyoweza kugusa uso, kuzalisha nguvu ya upande, kuwa na full actuation au kuwa over-actuated.

Kwa kusudi hili, mihimili ya mzunguko wa rota inaweza kuinamishwa kwa pembe zisizobadilika kuhusiana na mwili au kubadilishwa kimekanika wakati wa kuruka. Pembe za cant na dihedral za rota tofauti pia zinaweza kuwa huru kutoka kwa kila moja. Kwa hivyo, kusema tu “quadrotor” au “hexarotor” hakutoshi kueleza muundo halisi wa actuation wa chombo.

Utafiti chanzo unaeleza kwamba, licha ya zana zilizopo za MATLAB/Simulink kutoa sifa nyingi za UAV, mfumo wa pamoja unaoweza kufafanua jiometri za tilted/tilting rotor kiholela kwa kubadilisha vigezo pekee bado ni mdogo. RotorSuite inalenga kupunguza mzigo wa kuunda modeli.

RotorSuite inaweza kuwakilisha jiometri gani za multirotor?

Jedwali I la utafiti linaainisha majukwaa kwa makundi matatu makuu ya sifa: nafasi za rota, mwelekeo wa mihimili ya rota na idadi ya rota.

Kwa mfumo huu wa majina, kwa mfano, CS_4R huwakilisha jukwaa la kawaida lenye rota nne, coplanar, star-shaped na zero-tilt; huku CS_α0-Ted_6R ikiwakilisha jukwaa la rota sita, coplanar, star-shaped na lenye mwinamo usiobadilika wenye pembe ya pamoja ya cant.

Nafasi ya rota hufafanuliwa kwa vigezo gani?

Kwa chombo cha jumla chenye rota \(n\), mfumo wa kuratibu wa dunia unafafanuliwa kwa \(\mathcal{F}_W\), na mfumo wa kuratibu wa mwili kwa \(\mathcal{F}_B\). Asili ya mfumo wa mwili iko kwenye kitovu cha uzito cha chombo.

Nafasi ya chombo katika mfumo wa dunia:

\[ \mathbf{p}\in\mathbb{R}^{3} \]

na mwelekeo wake:

\[ \mathbf{R}\in SO(3) \]

huonyeshwa kwa namna hii.

Milinganyo ya kinematiki ni:

\[ \dot{\mathbf p}=\mathbf v \]

na:

\[ \dot{\mathbf R}=\mathbf R[\boldsymbol{\omega}]_\times \]

.

Hapa \(\mathbf v\) ni kasi ya mstari katika mfumo wa dunia, na \(\boldsymbol{\omega}\) ni kasi ya angular katika mfumo wa mwili.

Nafasi ya propeller moja kwenye mwili huhesabiwaje?

Nafasi ya kitovu cha propeller ya i katika kuratibu za mwili:

\[ \mathbf p_i= \ell \mathbf R_z(\gamma_i) \mathbf R_y(\delta_i) \mathbf x_B \]

huamuliwa kwa namna hii.

Hapa:

• \(\ell\): urefu wa takriban wa mkono kati ya kitovu cha mwili na kitovu cha propeller,
• \(\gamma_i\): pembe ya azimuth ya rota kuzunguka mwili,
• \(\delta_i\): pembe ya elevation ya kitovu cha rota kuhusiana na ndege ya xy ya mwili.

Katika vyombo vya Coplanar:

\[ \delta_i=0 \]

.

Kwa n-rotor ya star-shaped yenye ulinganifu:

\[ \gamma_i=(i-1)\frac{2\pi}{n} \]

hutumika.

Pembe za cant na dihedral hubadilisha nini?

Kigezo kikuu kinachoamua mwelekeo wa thrust ya rota ni vekta ya kitengo \(\mathbf z_i\) iliyo katika mwelekeo wa mhimili wa mzunguko.

Katika chanzo, Equation (4) imechapishwa kama:

\[ \mathbf z_i= \mathbf R_z(\gamma_i) \mathbf R(\beta_i) \mathbf R_x(\alpha_i) \mathbf z_B \]

.

\(\alpha_i\) hufafanua pembe ya cant na mzunguko wa mhimili wa rota kuzunguka mhimili wa \(x_B\) katika mwelekeo wa mkono; \(\beta_i\) hufafanua pembe ya dihedral na mzunguko kuzunguka mhimili wa \(y_B\) ulio perpendicular na mkono.

Dokezo la chanzo: Ingawa \(R_y(\beta)\) imefafanuliwa katika sehemu ya notation ya utafiti na \(\beta_i\) imeelezwa kuwa mzunguko kuzunguka mhimili wa y, katika Equation (4) matrix ya pili ya mzunguko imechapishwa tu kama \(R(\beta_i)\). Kwa kuwa uwezekano wa kukosekana kwa subscript ni sehemu ya equation asili, haujarekebishwa kimya kimya hapa.

Katika hali ya Zero-tilt:

\[ \alpha_i=\beta_i=0 \]

.

Katika vyombo vya Tilted, mwelekeo huu ni wa kudumu. Katika vyombo vya Tilting, kwa kuwa mhimili wa rota unaweza kubadilika wakati wa kuruka, \(\mathbf z_i\) na hivyo matrix za nguvu/moment za udhibiti zinaweza kutegemea muda.

Rota moja huzalisha nguvu na moment gani?

Kasi ya mzunguko ya propeller ya i:

\[ \omega_i\geq0 \]

hufafanuliwa.

Thrust inayozalishwa na rota:

\[ \mathbf f_i= c_{f_i}\omega_i^2\mathbf z_i \]

moment ya drag:

\[ \boldsymbol{\tau}_i^d= \kappa_i c_{\tau_i}\omega_i^2\mathbf z_i \]

na moment inayotokana na thrust kuhusiana na kitovu cha mwili:

\[ \boldsymbol{\tau}_i^t= c_{f_i}\omega_i^2 (\mathbf p_i\times\mathbf z_i) \]

huundwa kwa modeli.

\(\kappa_i=-1\) hutenganisha mwelekeo wa rota wa counterclockwise na \(\kappa_i=1\) mwelekeo wa clockwise.

Rota zote hubadilishwaje kuwa matrix moja ya udhibiti?

Ingizo la udhibiti:

\[ u_i=\omega_i^2 \]

na:

\[ \mathbf u= [u_1,\ldots,u_n]^T \]

likifafanuliwa hivyo, michango ya nguvu na moment ya rota zote huandikwa kwa kifupi kama:

\[ \mathbf f_c=\mathbf F\mathbf u \]

na:

\[ \boldsymbol{\tau}_c=\mathbf M\mathbf u \]

.

\(\mathbf F\in\mathbb{R}^{3\times n}\) huwakilisha matrix ya nguvu ya udhibiti, na \(\mathbf M\in\mathbb{R}^{3\times n}\) huwakilisha matrix ya moment ya udhibiti.

Mihimili ya rota inapobadilishwa wakati wa kuruka, matrix hizi pia hubadilika. Hii ni moja ya hoja kuu za kihisabati zinazotofautisha tilting multi-rotor na quadrotor za kawaida zenye jiometri isiyobadilika.

Dinamiki ya Newton–Euler ya jukwaa huandikwaje?

Athari za daraja la pili zikichukuliwa kuwa hazina umuhimu, dinamiki ya translational:

\[ m\ddot{\mathbf p} = -mg\mathbf e_3 + \mathbf R\mathbf F\mathbf u \]

na dinamiki ya rotational:

\[ \mathbf J\dot{\boldsymbol{\omega}} = -\boldsymbol{\omega}\times \mathbf J\boldsymbol{\omega} + \mathbf M\mathbf u \]

huundwa kwa modeli.

Hapa \(m\) ni uzito wa chombo, \(g\) ni kuongeza kasi ya mvutano wa dunia, na \(\mathbf J\) ni matrix ya inertia yenye positive definiteness katika kuratibu za mwili.

Kwa nini RotorSuite hutumia tabaka mbili tofauti za uigaji?

Sifa muhimu ya kisanduku cha zana ni uwezo wa kuunda jukwaa lilelile kwa viwango viwili tofauti vya undani.

Tabaka hizi mbili hazikutumika kutengeneza modeli tofauti, bali kuchunguza muundo uleule wa multirotor katika viwango tofauti vya fidelity ya uundaji wa modeli.

Block ya TMR - Tilt MultiRotor inakubali vigezo gani?

Block pekee inayoweza kusanidiwa katikati ya uigaji wa uchanganuzi ni TMR - Tilt MultiRotor.

Kulingana na chanzo, block hii inaweza kufafanua:

• idadi ya rota kati ya 3 na 8,
• uzito,
• matrix ya inertia,
• nafasi za kitovu cha rota,
• mielekeo ya mhimili wa rota,
• vigawo vya thrust,
• vigawo vya drag-torque,
• mielekeo ya mzunguko wa rota,
• nafasi na mwelekeo wa awali,
• kasi na acceleration za awali za mstari/angular

.

Ingizo la block linaweza kuwa moja kwa moja nguvu na moment ya jumla ya udhibiti \((\mathbf f_c,\boldsymbol{\tau}_c)\), au linaweza kuwa vekta ya udhibiti wa rota \(\mathbf u\). Katika majukwaa ya Tilting, pembe za cant/dihedral pia zinaweza kutolewa kama ingizo linalobadilika kwa muda.

Matokeo yanajumuisha pose, kasi, acceleration na kasi za mzunguko wa rota.

Kwa nini modeli ya Simscape ina undani zaidi?

Katika modeli inayotegemea fizikia, chombo hakiwakilishwi kama equation moja ya rigid-body. Mwili mkuu, mikono, vikundi vya motor–propeller na mifumo ya tilt inaweza kuundwa kwa vipengele tofauti vya Simscape Multibody.

Model viewer katika Kielelezo 3 cha utafiti inaonyesha hili moja kwa moja: upande wa kushoto kuna model tree inayoundwa na vipengele, sehemu ya chini ina sifa za kimwili za kitu kilichochaguliwa, na sehemu kuu upande wa kulia inaonyesha jiometri ya 3B ya jukwaa lenye mikono sita.

Muundo huu unawakilisha mgawanyo wa uzito juu ya chombo kwa undani zaidi kuliko modeli ya uchanganuzi ya lumped. Kwa hiyo, matrix ya inertia ya modeli inayotegemea fizikia huhesabiwa na Simscape kutokana na mgawanyo halisi wa sehemu za mekanika.

Ni multirotor gani iliyotumiwa katika uthibitishaji?

Use-case kuu iliendeshwa kwenye hexarotor ya tilted yenye full actuation, coplanar, star-shaped na yenye pembe za pamoja za cant na dihedral:

CS_α0β0-Ted_6R

.

Ukubwa wa pembe ya cant ni \(5\pi/36\), yaani takriban 25°; pembe ya dihedral ni \(\pi/18\), yaani takriban 10°. Ufafanuzi wa cant wa ishara zinazobadilishana \((-1)^i\) huhakikisha kwamba mihimili ya rota zilizo jirani ina mielekeo ya cant iliyo kinyume.

Kwa nini matrix ileile ya inertia haitumiki katika modeli zote mbili?

Uigaji wa uchanganuzi huwakilisha chombo kwa modeli moja ya rigid-body na lumped-parameter. Katika modeli hii \(\mathbf J^a\) huingizwa moja kwa moja kama kigezo.

Katika modeli ya Simscape, kwa kuwa mgawanyo wa uzito wa mwili na sehemu za mekanika hufafanuliwa tofauti, inertia huhesabiwa na modeli na kuonyeshwa kwa \(\mathbf J^p\).

Tofauti hii ndiyo maelezo makuu yaliyotolewa katika utafiti chanzo kwa kutengana kidogo kunakoonekana kati ya uigaji mbili, hasa katika makosa ya mwelekeo.

Kidhibiti kimeundwaje?

Katika modeli zote mbili hutumika muundo uleule wa udhibiti unaotegemea mbinu ya geometrical trajectory regulation kwenye SE(3).

Katika modeli ya uchanganuzi, \(\mathbf u\) inayotoka kwenye kidhibiti hutumika moja kwa moja kwenye block ya TMR. Katika modeli inayotegemea fizikia, kasi za mzunguko wa rota \(\omega_1,\ldots,\omega_6\) zinazopatikana kutoka humo hutumika kwenye block tofauti za actuator za motor/propeller.

Trajectory ya marejeo ilichaguliwaje?

Chombo hufuata trajectory yenye umbo la figure-eight kwenye ndege ya mlalo ikiwa na mwelekeo usiobadilika na mwinuko usiobadilika wa 1 m.

Katika chanzo, nafasi ya marejeo:

\[ \mathbf p_r= \begin{bmatrix} \sin\left(\frac{\pi}{15}t\right)\\ \sin\left(2\frac{\pi}{15}t\right)\\ 1 \end{bmatrix} \]

na mwelekeo wa marejeo:

\[ \mathbf R_r=\mathbf I_3 \]

hufafanuliwa.

Manevr pia imeongezewa awamu ya kupaa ya sekunde nane na awamu ya kutua ya sekunde nane.

Katika Kielelezo 5, picha zilizochukuliwa kutoka modeli ya Simscape inayotegemea fizikia ni:

• t = 0 s — mwanzo,
• t = 8 s — kupaa,
• t = 12 s — kufuatilia trajectory,
• t = 30 s — kufuatilia trajectory,
• t = 37 s — kutua,
• t = 45 s — hali ya mwisho

na zinaonyesha kwamba jukwaa limeundwa kwa modeli katika manevr yote.

Je, uigaji hizi mbili zinafuata trajectory ileile?

Katika Kielelezo 6 cha utafiti, trajectory ya marejeo, trajectory ya analytical simulation na physics-based simulation zinaonyeshwa katika mfumo uleule wa pande tatu. Mikunjo yote mitatu kwa kiasi kikubwa inaonekana kufuatana.

Uwakilishi wa kina zaidi wa matokeo haya ni ishara za kosa la nafasi na mwelekeo katika Kielelezo 7.

Kosa la nafasi:

\[ \mathbf e_p^\diamond= \mathbf p_r-\mathbf p^\diamond \]

limefafanuliwa.

Hapa \(\diamond=a\) inamaanisha uigaji wa uchanganuzi, na \(\diamond=p\) inamaanisha uigaji unaotegemea fizikia.

Kulingana na chanzo, mikengeuko ya mpito ya nafasi katika mwelekeo wa x na y hutokea wakati wa mabadiliko kati ya awamu za manevr na hubaki chini ya 10 cm katika mbinu zote mbili za uigaji.

Kwa nini makosa ya mwelekeo yanatofautiana?

Katika modeli ya uchanganuzi, makosa ya mwelekeo yako karibu sana na sifuri kwa sehemu kubwa ya uigaji. Katika modeli ya Physics-based, kuna mikengeuko midogo lakini inayoonekana ya mwelekeo.

Chanzo kinahusisha hali hii na matumizi ya matrix tofauti za inertia katika modeli ya uchanganuzi na modeli inayotegemea fizikia.

Makosa ya wastani ya absolute tracking ni makubwa kiasi gani?

Kosa la wastani la absolute katika mihimili ya x na y ya nafasi liko katika kiwango cha milimita chache katika modeli zote mbili. Tofauti kati ya modeli ya uchanganuzi na inayotegemea fizikia hapa ziko takriban katika kiwango cha \(10^{-5}\) m.

Kosa kubwa zaidi la wastani la absolute la physics-based katika mwelekeo limeripotiwa kuwa \(3,3220\times10^{-4}\) rad katika kipengele cha kwanza. Thamani hii pia ni ndogo; hata hivyo, ikilinganishwa na kosa la mwelekeo la karibu sifuri la modeli ya uchanganuzi, inaonyesha athari za maelezo ya ziada ya mekanika katika modeli inayotegemea fizikia.

Nini hubadilika katika kasi za rota?

Kielelezo 8 kinaonyesha tofauti kati ya kasi za mzunguko wa rota katika modeli ya uchanganuzi na physics-based kama:

\[ \Delta\omega_i= \omega_i^p-\omega_i^a \]

.

Tofauti kubwa zaidi hujitokeza wakati awamu za manevr ya marejeo zinapobadilika, kama vile kupaa, kufuatilia trajectory na kutua.

Sababu ni kwamba katika modeli ya uchanganuzi kasi za rota hutumika papo hapo kwenye dinamiki ya jukwaa; katika modeli ya physics-based, dinamiki ya actuator huongeza rise time yenye kikomo kwenye mfumo wa motor–propeller.

Mchoro wa Kielelezo 8 unaonyesha peaks za muda mfupi kubwa kuliko ±2 rad/s wakati wa mabadiliko ya awamu. Kwa upande mwingine, baada ya mabadiliko kukamilika, tofauti za kasi ya rota hurejea karibu na thamani ndogo. Kwa hiyo, kauli ya “[-2,2] rad/s” katika makala inapaswa kusomwa si kama kikomo kigumu cha kimataifa kinachofunika peaks zote za transient, bali hasa katika muktadha wa tabia ya hali tulivu.

Kwa nini modeli inayotegemea fizikia ni muhimu?

Modeli ya uchanganuzi ya rigid-body inaweza kutoa muundo rahisi zaidi kwa kubuni kwa haraka algorithms za udhibiti, uchanganuzi wa kinadharia na uchunguzi wa vigezo. Modeli ya Simscape, kwa upande mwingine, huonyesha baadhi ya athari za kimwili ambazo hazipo katika uwakilishi wa uchanganuzi kwa kuunda modeli ya mgawanyo halisi wa uzito wa mwili na dinamiki ya actuator.

Matokeo makuu ya uthibitishaji wa utafiti ni kwamba, licha ya maelezo haya ya ziada, tabia ya steady-state trajectory tracking ya modeli ya physics-based inabaki karibu na modeli ya uchanganuzi.

Hii ina maana gani kwa mtazamo wa Uturuki?

Utafiti ulitengenezwa na watafiti wa University of Padova nchini Italia na hauhusishi jukwaa lolote la UAV, anga, hardware au jaribio la uwanjani nchini Uturuki. Kwa hiyo, vigezo vya hexarotor au makosa ya tracking katika utafiti hayawezi kuhamishwa moja kwa moja kwa mfumo maalum wa UAV nchini Uturuki.

Hata hivyo, mbinu ya uundaji wa modeli si ya nchi fulani pekee. Kikundi cha utafiti nchini Uturuki kinachotengeneza tilted au tilting multirotor, aerial manipulation, ukaguzi au jiometri nyingine za UAV zenye full actuation lazima kiweke upya vigezo vya mfumo uleule wa kinadharia kwa kutumia uzito, inertia, jiometri ya rota, vigawo vya motor/propeller na tabia za actuator za jukwaa lake. Kwa matumizi halisi ya ndege, uthibitishaji huru kwenye jukwaa la kimwili pamoja na hali ya hewa na sifa za sensa na motor pia unahitajika.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• RotorSuite imeundwa kuunda modeli za jiometri mbalimbali za majukwaa ya rota nyingi, ikijumuisha tilted na tilting, katika mfumo mmoja wa MATLAB/Simulink.
• Nafasi za rota na mihimili ya mzunguko zinaweza kufafanuliwa kwa kiparameta kwa kutumia pembe za azimuth, elevation, cant na dihedral.
• Nguvu na moment za rota zinaweza kuonyeshwa kwa pamoja kwa kutumia matrix za ingizo za udhibiti F na M.
• Block ya TMR - Tilt MultiRotor imefafanuliwa ili kuunga mkono uigaji wa uchanganuzi wa majukwaa yenye rota 3–8.
• Tabaka la Simscape Multibody hutoa uundaji wa modeli wa kimwili wa kimoduli wa mwili, mikono, vitengo vya motor/propeller na mifumo ya tilt.
• Kwa jukwaa lilelile, modeli ya uchanganuzi na physics-based zimeonyesha tabia inayofanana sana ya trajectory tracking ya pande tatu chini ya kidhibiti cha pamoja.
• Katika use-case, mikengeuko ya transient ya nafasi ya x na y imeripotiwa kuwa chini ya 10 cm kwa modeli zote mbili.
• Katika modeli inayotegemea fizikia, orientation errors ndogo za ziada zimeonekana ikilinganishwa na modeli ya uchanganuzi.
• Dinamiki ya actuator husababisha tofauti za transient katika kasi za rota hasa wakati wa mabadiliko ya awamu za manevr.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono, haujajaribu au haujathibitisha

• Haijaonyeshwa kwamba RotorSuite ni sahihi zaidi kuliko zana zote zilizopo za uigaji wa UAV.
• Utafiti hauwasilishi jaribio la ndege na hexarotor halisi ya kimwili.
• Hakuna ulinganisho wa motion-capture au onboard telemetry unaoonyesha usahihi wa absolute model wa matokeo ya Simscape kwenye UAV halisi.
• Hakuna uthibitishaji tofauti ulioripotiwa kwa upepo, mwingiliano wa aerodinamiki wa rota, ground effect au athari za propeller downwash.
• Makosa ya tracking katika utafiti hayabaki moja kwa moja kuwa yale yale katika jiometri tofauti za multirotor.
• Utafiti huu haujaonyesha kwamba kidhibiti cha kijiometri katika use-case kinatoa dhamana ya stability au performance kwa vyombo vyote vya tilted/tilting.
• Kwa kuwa modeli ya physics-based ina undani zaidi haimaanishi kwamba ina usahihi wa kutosha kwa ndege halisi katika kila hali.
• Uthibitishaji katika utafiti unaonyesha hasa ulinganifu wa uwakilishi mbili wa uigaji; hauchukui nafasi ya uthibitishaji wa uwanjani.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Vipengele viwili vikuu vya programu ya RotorSuite

Majukwaa ya mfano yaliyotolewa katika chanzo

Kielelezo 2 na Kielelezo 4: usanifu mbili tofauti za Simulink

Katika analytical setup, ingizo la udhibiti hutumwa moja kwa moja kwenye block moja ya TMR - Tilt MultiRotor, na block hiyo hutoa matokeo ya jukwaa kama vile nafasi, kasi, mwelekeo wa RPY na kasi ya angular.

Physics-based setup ni mtandao mpana zaidi wa block. Mbali na Drone state, ground contact na modeli ya sehemu ya chini ya mwili, kuna minyororo sita tofauti ya arm na motor/propeller. Kielelezo 4 cha utafiti kinaonyesha kwamba undani huu wa mekanika umejengwa kweli kwa vipengele tofauti katika kiwango cha Simulink/Simscape.

Kielelezo 5: maneuver sequence ya sekunde 45

Picha hizi zinaonyesha kwamba modeli ya physics-based haitoi tu ishara za kihisabati, bali pia husimulatewa kama mwendo wa mekanika wa 3B ndani ya Simscape model viewer.

Kielelezo 6: ulinganisho wa trajectory ya pande tatu

Mikunjo ya Reference trajectory, analytical simulation na physics-based simulation iko karibu sana kwenye grafu ya pande tatu. Hakuna kutengana dhahiri kwa trajectory ya steady-state kunakoonekana.

Hitimisho linaloungwa mkono na kielelezo hiki ni kwamba modeli mbili huzalisha mwendo wa ndege wa kiwango cha jumla unaofanana chini ya kidhibiti na vigezo vilevile vya jukwaa. Kielelezo hakipimi usahihi wa jukwaa halisi.

Kielelezo 7: makosa ya nafasi na mwelekeo

Position errors katika paneli ya juu kwa ujumla hukaa karibu na sifuri; mikengeuko dhahiri hutokea karibu na mabadiliko ya kupaa na kutua ambapo awamu za manevr zinabadilika.

Katika paneli ya chini, orientation errors ziko karibu na sifuri kwa hesabu katika modeli ya uchanganuzi, huku katika modeli ya physics-based kukiwa na mikengeuko midogo ya transient na steady-state.

Jedwali IV linatoa kwa namba thamani ya mean absolute error ya tabia hii ya kuona katika uigaji mzima.

Kielelezo 8: tofauti ya kasi ya mzunguko wa rota

Tofauti za rota sita:

\[ \Delta\omega_i= \omega_i^p-\omega_i^a \]

zinawasilishwa kwenye grafu moja.

Peaks zinazoonekana zaidi hutokea karibu na 8 s na 37–40 s wakati wa maneuver transitions. Chanzo kinahusisha uchunguzi huu na tabia ya actuator rise time ya modeli ya physics-based.

Matokeo makuu ya uthibitishaji

Data za utafiti zikichunguzwa kwa pamoja, tabia za steady-state trajectory tracking za modeli ya uchanganuzi ya rigid-body na modeli ya Simscape Multibody yenye undani zaidi ziko karibu.

Maelezo ya ziada ya mekanika ya modeli inayotegemea fizikia yanaonekana katika maeneo mawili:

1. orientation errors ndogo zinazotokana na mgawanyo tofauti wa uzito/inertia,
2. rotor speed transients zinazotokana na dinamiki ya actuator ya motor/propeller wakati wa mabadiliko ya awamu.

Kwa hiyo, modeli mbili “hazifanani kabisa”; lakini kwa mujibu wa use-case ya chanzo, huzalisha mwendo uleule wa jumla wa closed-loop.

Vikwazo vikuu

• Validation kuu ni ulinganisho wa simulation-to-simulation.
• Data halisi za UAV flight-test hazijawasilishwa.
• Utafiti hautoi muda wa computation wala real-time factor benchmark.
• Utendaji wa CPU/GPU hauripotiwi.
• Hakuna modeli ya kina ya CFD ya aerodinamiki halisi ya rota.
• Sensor, estimator na ucheleweshaji halisi wa mawasiliano si kitovu cha uthibitishaji wa use-case kuu.
• Use-case imeonyeshwa kwa kina kwa jiometri moja maalum ya rota sita na controller gains zilizochaguliwa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asili: RotorSuite: A MATLAB/Simulink Toolbox for Tilt Multi-Rotor UAV Modeling

Waandishi na mpangilio asili: Nicola Cigarini; Giulia Michieletto; Angelo Cenedese.

Mwandishi wa mawasiliano: Nicola Cigarini.

Uandishi wa kwanza wa pamoja/mchango sawa: Hakuna taarifa ya mchango sawa katika toleo lililopakiwa.

Taasisi: Department of Information Engineering, University of Padova, Vicenza, Italy; Department of Land, Environment, Agriculture and Forestry, University of Padova, Legnaro, Italy; Department of Management and Engineering, University of Padova, Padova, Italy; Department of Industrial Engineering, University of Padova, Padova, Italy.

Aina ya chanzo: Programu ya kisayansi inayotegemea MATLAB/Simulink, uundaji wa modeli wa robotiki na utafiti wa uigaji.

Hali ya uchapishaji: Kazi hii ni preprint na haijapitia peer review.

Jukwaa: arXiv.

Kitambulisho cha arXiv: 2602.18814v1 [cs.RO].

DOI: 10.48550/arXiv.2602.18814.

Tarehe ya kuwasilisha: 21 Februari 2026.

Kategoria ya pili ya arXiv: Systems and Control (eess.SY) pia imeorodheshwa katika rekodi ya arXiv.

Jarida/mchapishaji: Toleo lililopakiwa ni preprint ya arXiv; kufikia 24 Agosti 2026, ukaguzi wa bibliografia haukubaini toleo tofauti la jarida lililothibitishwa na kupitiwa na peer review.

Leseni ya makala: Kiungo cha leseni katika rekodi ya arXiv kinaelekeza kwenye leseni ya Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Leseni ya programu: Katika utafiti uliopakiwa, hakujabainika taarifa tofauti ya leseni kwa programu ya RotorSuite. Leseni ya CC BY 4.0 ya makala haithibitishi kwamba msimbo wa programu unasambazwa chini ya leseni hiyo hiyo.

Msimbo wa chanzo: Katika toleo la kurasa saba lililopakiwa, hakuna URL ya hifadhi ya msimbo wa RotorSuite inayoweza kuthibitishwa moja kwa moja wala sehemu tofauti ya Code Availability.

Mazingira ya programu/uundaji wa modeli: MATLAB, Simulink na Simscape Multibody kwa tabaka la physics-based.

Mfumo endeshi: Chanzo kinaeleza RotorSuite kama cross-platform kwenye Windows, Linux na macOS.

Mbinu ya uchanganuzi: Modeli ya Newton–Euler rigid-body na block ya TMR - Tilt MultiRotor Simulink.

Mbinu inayotegemea fizikia: Vipengele vya kimoduli vya Simscape Multibody kwa mwili, mikono, motor–propeller assemblies na tilting mechanisms.

Jukwaa la uthibitishaji: Fully actuated coplanar star-shaped interdependent-cant&dihedral-tilted hexarotor, CS_α0β0-Ted_6R.

Aina ya uthibitishaji: Ulinganisho wa analytical versus physics-based simulation kwa kutumia jukwaa na controller ileile. Sio uthibitishaji wa physical UAV flight-test.

Dokezo la kiufundi ndani ya chanzo 1 — Equation (4): Ingawa Ry(β) imefafanuliwa katika sehemu ya notation na βi imeelezwa kuwa mzunguko wa dihedral kuzunguka mhimili wa yB, matrix husika imechapishwa kama R(βi) katika Equation (4). Kwa kuwa subscript inayoweza kuwa imekosekana imewasilishwa hivyo katika chanzo, haijasahihishwa kimya kimya.

Dokezo la kiufundi ndani ya chanzo 2 — Jedwali IV: Katika mstari wa eR,3, thamani ya uchanganuzi ni 7,1449×10⁻18 na thamani ya physics-based ni 1,6628×10⁻7, huku safu ya difference ikitoa 1,6228×10⁻7. Thamani hizi hazilingani kabisa kihesabu na thamani ya chanzo haijabadilishwa.

Dokezo la kiufundi ndani ya chanzo 3 — tofauti za kasi ya rota: Maandishi yanasema tofauti za Δωi zimezuiliwa katika safu ya [−2,2] rad/s; hata hivyo, Kielelezo 8 kinaonyesha peaks dhahiri za transient nje ya safu hii wakati wa maneuver transitions. Kwa hiyo, kauli ya ±2 rad/s haijatafsiriwa kama kikomo kigumu cha kimataifa katika uigaji mzima.

Ufadhili: Hakuna sehemu tofauti ya funding/acknowledgement katika preprint iliyopakiwa.

Mgongano wa maslahi: Hakuna taarifa tofauti ya competing-interest katika toleo lililopakiwa; kutokana na hilo haijahitimishwa kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

CRediT/michango ya waandishi: Hakuna CRediT authorship contribution statement tofauti katika preprint iliyopakiwa.

Kikomo cha tafsiri ya kisayansi: Use-case kuu ya RotorSuite inaonyesha kwamba tabaka mbili za uigaji huzalisha tabia za dinamiki zilizo karibu chini ya control task ileile. Matokeo haya si dhamana ya absolute model accuracy, reliability au control performance katika ndege halisi ya UAV.

Kikomo cha maudhui ya kisayansi: Jiometri ya rota, milinganyo, vigezo vya jukwaa, controller gains, usanifu wa Simulink/Simscape, matokeo ya trajectory tracking na thamani za namba za makosa katika makala hii ya Verianla zinategemea tu utafiti uliopakiwa. Vyanzo vya nje vilitumika tu kuthibitisha kibibliografia kichwa, waandishi, tarehe ya arXiv, DOI, hali ya sasa ya uchapishaji na leseni ya makala.