Bachelor's Thesis

2DOF helicopter model

Final Thesis 2.64 MB Appendix 12.01 MB

Author of thesis: Bc. Jakub Braun

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Lukáš Pohl, Ph.D.

Reviewer: Ing. Luděk Buchta, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design of a 2DOF helicopter model, the derivation of its mathematical model, and its control. It describes the configuration of the STM G474R microcontroller peripherals for controlling the two BLDC motors used in the model, using MATLAB Simulink and STM32 CubeMX software. Furthermore, it addresses the mechanical design of the model and its control system.

Keywords:

2DOF helicopter, Simulink, six-step commutation BLDC motor, STMicroelectronics, hall sensor, SPI

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Student odprezentoval připravenou prezentaci. Po přečtení posudků student následně odpovídal na šest dotazů položené oponentem závěrečné práce. Odpovědi na otázky oponenta: 2) Student pouze odpověděl, že navrhoval tak aby se systém choval stabilně. 3) Odpovědí bylo, že možná/pravděpodobně v systému je nestabilní nula, ale student to nedokáže určit. A, že "intenzita podkmitu" byla závislá na derivační složce regulátoru 6) Deska nemá integrované chlazení, řešením bylo přidání chladiče. V následné diskusi se komise zajímala o mechanické vlastnosti přípravku a dotazovala se zda existuje video o funkčnosti přípravku. Vedoucí práce potvrdil, že video viděl a průběhy to potvrzují. Zda magnetické enkodéry jsou koupené a jaký je jejich výstup? Jakým způsobem bylo zpracováno měření proudů? Student obhájil diplomovou/bakalářskou práci s výhradami. V rámci obhajoby dokázal přesvědčit komisi o správnosti svých postupů a navrženého řešení. V průběhu odborné rozpravy reagoval na dotazy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Fialka, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Petyovský, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D.

Student Jakub Braun navázal na neobhájenou bakalářskou práci a rozšířil ji o části požadované oponentem a vedoucím práce tak, aby došlo ke splnění zadání. Po prezentační a formální stránce bohužel došlo pouze k drobnému zlepšení a podařilo se odstranit jen některé z dříve vytýkaných nedostatků. Student se v závěrečné fázi práce opět dostal do časové tísně, a doplnění i finální úpravy textu proto řešil na poslední chvíli.
Praktická část práce je již na vyhovující úrovni. Model helikoptéry se volně otáčí v obou osách a z průběhů regulace je patrné, že se vazba mezi osami projevuje tak, jak lze u tohoto typu úlohy očekávat. Regulátory obou os reagují na změnu požadované hodnoty, přičemž regulátor otáčení kolem jedné osy vhodně kompenzuje poruchu způsobenou momentem od osy druhé.
Ve srovnání s předchozí verzí práce je patrný dostatečný posun vpřed, a proto navrhuji hodnocení D, 60 bodů. Points proposed by supervisor: 60

Grade proposed by supervisor: D

Reviewer’s report
Ing. Luděk Buchta, Ph.D.

Pan Jakub Braun vypracoval bakalářskou práci na téma: Přípravek 2DOF helikoptéry. Zadání práce lze po odborné stránce považovat za průměrně náročné, avšak nutnost úprav mechanického modelu činí práci časově náročnější. Cílem studenta bylo navrhnout a implementovat algoritmus řízení úhlu natočení ramene helikoptéry se dvěma stupni volnosti do mikrokontroleru řady STM32. Dále vytvořit a verifikovat odpovídající model v prostředí MATLAB Simulink.

Práce je rozdělena na teoretickou a praktickou část. V teoretické části se student věnuje matematickému popisu 2DOF helikoptéry, výběru BLDC motorů a základům jejich řízení. Tato část textu působí místy velmi nepřehledně. Text obsahuje velké množství stylistických i technických nedostatků, překlepů a nekonzistentního značení proměnných. Kapitola 1.3.1 obsahuje řadu nepřesných a místy zavádějících formulací týkajících se odůvodnění výběru motorů.

V praktické části se student věnuje popisu použitého hardwaru, návrhu algoritmu řízení BLDC motorů a prezentaci dosažených výsledků. I zde však práce trpí nízkou úrovní technické dokumentace. Naproti tomu návrh a realizace PI a PID regulátorů, které představují důležitou část práce, jsou popsány nedostatečně. Student uvádí pouze výsledné hodnoty parametrů, avšak struktura regulátorů, jejich diskrétní realizace i způsob návrhu v práci chybí nebo jsou zmíněny pouze okrajově. V důsledku toho není možné řádně ověřit a reprodukovat výsledky. Na tento nedostatek byl student upozorněn již v posudku předchozí verze práce, přesto nebyl uspokojivě odstraněn. Také komentář k dosaženým výsledkům je velmi stručný. Série obrázků 2.13–2.16 a 2.18–2.20 prezentující měřené průběhy při regulaci polohy nejsou dostatečně analyzovány, přestože se jedná o jeden z hlavních výstupů práce. Student se prakticky nevěnuje hlubší interpretaci výsledků ani diskusi o omezeních navrženého řešení. V textu práce často chybí odkazy na obrázky, které nejsou dostatečně propojeny s popisovanou problematikou. Obrázky by měly přímo doplňovat prezentované informace a podporovat závěry uváděné v jednotlivých kapitolách. V práci se navíc objevují časté formální nedostatky, například chybný odkaz na Obr. 2.7, nesprávně přiřazené popisky průběhů v legendě Obr. 2.19 nebo neodpovídající popisek Obr. 2.20.

Výhrady mám rovněž k jazykové a stylistické úrovni práce. Text obsahuje značné množství překlepů, gramatických chyb a stylisticky nevhodných formulací. Často se objevují věty s nadbytečnými slovy, pravděpodobně vzniklé neúspěšným spojováním vět během následných úprav textu. Práce je psána ve slovenštině, avšak autor zjevně nemá dostatečnou jazykovou jistotu, což negativně ovlivňuje čitelnost i odbornou úroveň textu. Velmi problematické je, že práce evidentně neprošla ani základní jazykovou korekturou, přestože na tento problém byl student upozorněn již v předchozím posudku. Ani v této verzi práce není vysvětlena řada zkratek (UART, ADC, USB, SRAM, MCU, MOSFET, ABI a další). Také práce s literaturou má své rezervy. Vhodné by bylo využít i literaturu doporučenou vedoucím práce.

Přestože student prokazatelně věnoval značné úsilí realizaci a úpravám mechanické konstrukce přípravku 2DOF helikoptéry a implementaci jeho řízení, zadání práce je splněno pouze v minimálním akceptovatelném rozsahu. Zásadní výhrady však mám k úrovni zpracování textové formy práce, která je po odborné, formální i jazykové stránce velmi slabá.

Práci hodnotím známkou E, 50 bodů. Topics for thesis defence:
  1. 1. Popište použitý postup při návrhu konstant PID reg. pro řízení polohy ramene a uveďte diskrétní realizaci regulátoru. Dále diskutujte volbu proudového omezení na 3,5 A (2.4.1) a volbu periody vzorkování.
  2. 2. Řešil jste vliv vámi navržených PI a PID regulátorů na stabilitu systému?
  3. 3. Diskutujte příčinu podkmitu při regulaci polohy na obr. 2.26 v čase 25 s po změně žádané hodnoty. Jak způsobem by se dala minimalizovat? Pomohla by změna struktury regulátoru?
  4. 4. Přibližte způsob řízení motoru Y a vysvětlete, proč při jeho řízení není nutné měření proudu.
  5. 5. Zamyslel jste se nad měřením nebo identifikací elektrických parametru motorů? A dále nad metodou, kterou by bylo možné navrhnout konstanty proudových regulátorů na základě znalosti elektrických parametrů motoru?
  6. 6. V textu práce často uvádíte, že jste měl problém s přehříváním driveru (kapitola 2.4.1, 2.4.2). Pokusil jste se identifikovat příčinu tohoto problému a jakými způsoby by jej bylo možné odstranit?
Points proposed by reviewer: 50

Grade proposed by reviewer: E

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová