Controllo e stabilizzazione di droni multirotore: aspetti teorici e prove sperimentali

Le unità Arduino possono essere programmate tramite l’ambiente di sviluppo Arduino IDE. Il linguaggio di programmazione è una versione del C++ ottimizzata per l’utilizzo nella programmazione dei microcontrollori. La struttura fondamentale degli script Arduino è costituita dalle due funzioni setup() e loop(). Le istruzioni poste in setup() vengono eseguite una sola volta, all’accensione dell’MCU. Le istruzioni in loop() vengono eseguite ripetutamente, in un ciclo senza fine che si arresta solo allo spegnimento del sistema. Segue una descrizione del programma che ho sviluppato, corredata dal codice sorgente commentato in dettaglio. [...]

PID e azione di controllo

Ottenuto l’angolo β, e memorizzato in angleX, questo è utilizzato per determinare l’errore rispetto al valore in setpoint. Le tre azioni del PID vengono dunque calcolate e sommate per ottenere il valore della funzione di controllo u. Il termine integrale e derivativo sono ottenuti mediante le procedure di integrazione e derivazione descritte nelle Sottosezioni 4.5.2, 1.1, 1.2 e 1.3. Il valore della spinta relativa a ogni elica è determinato in accordo con le equazioni 3.7 e 3.8.
Per controllare la velocità di rotazione dei due rotori utilizzo la funzione digitalWrite(). In questo modo il pin relativo a ciascun motore genera un’onda quadra che oscilla tra il valore logico 1 (5V) e 0 (0V) (Figura 4.8). In ogni periodo il rapporto tra il tempo per cui lo stato è 1 e il periodo stesso viene definito duty cycle. Un duty cycle pari al 100% si traduce in un segnale a 5V costante che attraverso il relativo MOSFET mantiene il motore alla sua massima velocità di rotazione. Riducendo il duty cycle si riduce la velocità di rotazione ω. ω è all’incirca proporzionale alla radice quadrata del duty cycle, pertanto non si rende necessario estrarre la radice della spinta per controllare la velocità come descritto dall’equazione 3.23. Infatti, se opportunamente riscalato, il valore della spinta può direttamente essere passato a digitalWrite() come valore del duty cycle (la funzione accetta valori interi nell’intervallo tra 0, corrispondente a un duty cyle dello 0%, e 255, corrispondente al 100%). Questa tecnica permette di modulare la velocità pur disponendo di output digitali (ovvero variabili tra due soli valori discreti, 0 e 1) ed è chiamata ”PWM” (pulse width modulation).