Modelagem e controle de um microveículo aéreo: uma aplicação de estabilidade robusta com a técnica backstepping em uma estrutura hexarrotor

In this Thesis, the development of the dynamic model of multirotor unmanned aerial vehicle with vertical takeoff and landing characteristics, considering input nonlinearities and a full state robust backstepping controller are presented. The dynamic model is expressed using the Newton-Euler laws, aiming to obtain a better mathematical representation of the mechanical system for system analysis and control design, not only when it is hovering, but also when it is taking-off, or landing, or flying to perform a task. The input nonlinearities are the deadzone and saturation, where the gravitational effect and the inherent physical constrains of the rotors are related and addressed. The experimental multirotor aerial vehicle is equipped with an inertial measurement unit and a sonar sensor, which appropriately provides measurements of attitude and altitude. A real-time attitude estimation scheme based on the extended Kalman filter using quaternions was developed. Then, for robustness analysis, sensors were modeled as the ideal value with addition of an unknown bias and unknown white noise. The bounded robust attitude/altitude controller were derived based on globally uniformly practically asymptotically stable for real systems, that remains globally uniformly asymptotically stable if and only if their solutions are globally uniformly bounded, dealing with convergence and stability into a ball of the state space with non-null radius, under some assumptions. The Lyapunov analysis technique was used to prove the stability of the closed-loop system, compute bounds on control gains and guaranteeing desired bounds on attitude dynamics tracking errors in the presence of measurement disturbances. The controller laws were tested in numerical simulations and in an experimental hexarotor, developed at the UFRN Robotics Laboratory

Um modelo de unidade de medida inercial utilizando três acelerômetros triaxiais

No espaço tridimensional, um corpo rígido qualquer pode efetuar translações e ou rotações em relação a cada um de seus eixos. Identificar com precisão o deslocamento realizado por um corpo é fundamental para alguns tipos de sistemas em engenharia. Em sistemas de navegação inercial tradicionais, utilizam-se acelerômetros para reconhecer a aceleração linear e giroscópios para reconhecer a velocidade angular registrada durante o deslocamento. O giroscópio, entretanto, é um dispositivo de custo mais elevado e com alto consumo de energia quando comparado a um acelerômetro. Essa desvantagem deu origem a pesquisas a respeito de sistemas e unidades de medidas inerciais que não utilizam giroscópios. A ideia de utilizar apenas acelerômetros para calcular o movimento linear e angular surgiu no início da década de 60 e vem se desenvolvendo através de modelos que variam no número de sensores, na maneira como estes são organizados e no modelo matemático que é utilizado para derivar o movimento do corpo. Esse trabalho propõe um esquema de configuração para construção de uma unidade de medida inercial que utiliza três acelerômetros triaxiais. Para identificar o deslocamento de um corpo rígido a partir deste esquema, foi utilizado um modelo matemático que utiliza apenas os nove sinais de aceleração extraídos dos três sensores. A proposta sugere que os sensores sejam montados e distribuídos em formato de L . Essa disposição permite a utilização de um único plano do sistema de coordenadas, facilitando assim a instalação e configuração destes dispositivos e possibilitando a implantação dos sensores em uma única placa de circuito integrado. Os resultados encontrados a partir das simulações iniciais demonstram a viabilidade da utilização do esquema de configuração proposto