Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Welington de Souza
Data de Publicação: 2021
Outros Autores: welingtondesouzasilva@yahoo.com.br
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
Texto Completo: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17818
Resumo: Autonomous vehicles have proven themselves as agents of change and innovation in several areas. In urban centers, for example, they have great potential to solve several problems in the modern transport of goods and people, contributing to the development of smart cities. In agriculture, they they are applied in applications ranging from monitoring of plantations to soil fertilization. In industry, they carry out inspections, footage, transport equipment, etc. In this scenario, unmanned aerial vehicles are a promising class of mobile robots, with possible applications in monitoring and security, inspection of structures and equipment, emergency medical care, product delivery, search and rescue in remote areas, among others. Quadcopters stand out. Put in motion by four propellers, they offer freedom of movement in any direction, the ability to hover in the air and fly with low engine speed, in addition to the ease of landing and taking off from any flat surface. It is, however, an underactuaed system which presents challenges to be controlled. Several strategies are found in the literature to control the position and attitude of quadcopters, among which the most popular is the use of proportional-integral-derivative controllers. However, the proper choice of parameters for these controllers is still a complicated task. In this context, this Dissertation aims to contribute to the theme of autonomous movement of quadcopters, presenting the mathematical modeling of their kinematics and dynamics, the planning of feasible trajectories and especially, the implementation of controllers to track them. The proportional-integral-derivative controller scheme, initially tuned by the Ziegler-Nichols method, then has its 18 gains optimized using a genetic algorithm. Computational validation is performed using trajectories with distinct characteristics and evaluating the quadrotor ability and performance in tracking them with and without the influence of disturbances. The results prove the feasibility of the model and the control scheme, as well as the better performance of the tuning performed by the genetic algorithm. In addition, they provide a comparison basis for future experiments.
id UERJ_e80863bb27e5a7e638bfbbdd241bd243
oai_identifier_str oai:www.bdtd.uerj.br:1/17818
network_acronym_str UERJ
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
repository_id_str 2903
spelling Revoredo, Téo Cerqueirahttp://lattes.cnpq.br/4608803076140632Battistel, Andrei Giordano Holandahttp://lattes.cnpq.br/9775943221130678Mora-Camino, Felix Antoine Claudehttp://lattes.cnpq.br/2244858140054423http://lattes.cnpq.br/5831532514776203Silva, Welington de Souzawelingtondesouzasilva@yahoo.com.br2022-05-26T18:24:42Z2021-12-17SILVA, Welington de Souza. Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor. 2021. 175 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrônica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17818Autonomous vehicles have proven themselves as agents of change and innovation in several areas. In urban centers, for example, they have great potential to solve several problems in the modern transport of goods and people, contributing to the development of smart cities. In agriculture, they they are applied in applications ranging from monitoring of plantations to soil fertilization. In industry, they carry out inspections, footage, transport equipment, etc. In this scenario, unmanned aerial vehicles are a promising class of mobile robots, with possible applications in monitoring and security, inspection of structures and equipment, emergency medical care, product delivery, search and rescue in remote areas, among others. Quadcopters stand out. Put in motion by four propellers, they offer freedom of movement in any direction, the ability to hover in the air and fly with low engine speed, in addition to the ease of landing and taking off from any flat surface. It is, however, an underactuaed system which presents challenges to be controlled. Several strategies are found in the literature to control the position and attitude of quadcopters, among which the most popular is the use of proportional-integral-derivative controllers. However, the proper choice of parameters for these controllers is still a complicated task. In this context, this Dissertation aims to contribute to the theme of autonomous movement of quadcopters, presenting the mathematical modeling of their kinematics and dynamics, the planning of feasible trajectories and especially, the implementation of controllers to track them. The proportional-integral-derivative controller scheme, initially tuned by the Ziegler-Nichols method, then has its 18 gains optimized using a genetic algorithm. Computational validation is performed using trajectories with distinct characteristics and evaluating the quadrotor ability and performance in tracking them with and without the influence of disturbances. The results prove the feasibility of the model and the control scheme, as well as the better performance of the tuning performed by the genetic algorithm. In addition, they provide a comparison basis for future experiments.Veículos autônomos têm se provado agentes modificadores e de inovação em diversas áreas. Nos centros urbanos, por exemplo, têm grande potencial para solucionar vários problemas do transporte moderno de bens e pessoas contribuindo para o desenvolvimento de cidades inteligentes. No campo, possuem aplicações diversas na agricultura que vão desde o monitoramento de plantações à fertilização do solo. Na indústria, realizam inspeções, fazem filmagens, transportam equipamentos, etc. Nesse cenário, veículos aéreos não tripulados compõem uma classe promissora de robôs móveis, com aplicações possíveis em monitoramento e segurança, inspeção de estruturas e equipamentos, atendimento médico de urgência, entrega de produtos, busca e resgate em áreas remotas, dentre outros. Nesta classe de veículos, destacam-se os quadrirrotores que, movimentados por quatro hélices, oferecem liberdade de movimentação em qualquer direção, capacidade de pairar no ar e de voar com velocidade baixa de seus motores, além da facilidade de pousar e decolar de qualquer superfície plana. Trata-se, entretanto, de um sistema sub atuado que apresenta desafios para ser controlado. Diversas estratégias são encontradas na literatura para realizar o controle de posição e atitude de quadrirrotores, porém a mais popular é o emprego de controladores do tipo proporcional-integral-derivativo. Todavia, a escolha adequada dos parâmetros desses controladores ainda se apresenta como uma tarefa complicada. Nesse contexto, esta Dissertação visa contribuir no tema movimentação autônoma de quadrirrotores, apresentando a modelagem matemática das suas cinemática e dinâmica, o planejamento de trajetórias exequíveis e, especialmente, a implementação de controladores para o seguimento das trajetórias planejadas. O esquema de controladores do tipo proporcional-integral-derivativo, sintonizado inicialmente pelo método de Ziegler-Nichols, tem em seguida os seus 18 ganhos otimizados utilizando um algoritmo genético. Validação computacional é realizada com base em trajetórias com características distintas, avaliando-se a capacidade e o desempenho no rastreamento das mesmas com e sem a influência de perturbações. Os resultados comprovam a exequibilidade do modelo e do esquema de controle, bem como o melhor desempenho da sintonia realizada pelo algoritmo genético, e provêm base de comparação para experimentos futuros.Submitted by Julia CTC/B (julia.vieira@uerj.br) on 2022-05-26T18:24:42Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Welington de Souza Silva - 2021 - Completo.pdf: 4140972 bytes, checksum: ea7d36394819576f9c9640a788dc9da7 (MD5)Made available in DSpace on 2022-05-26T18:24:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Welington de Souza Silva - 2021 - Completo.pdf: 4140972 bytes, checksum: ea7d36394819576f9c9640a788dc9da7 (MD5) Previous issue date: 2021-12-17application/pdfporUniversidade do Estado do Rio de JaneiroPrograma de Pós-Graduação em Engenharia EletrônicaUERJBrasilCentro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de EngenhariaElectronic engineeringArtificial intelligencePID controllersGenetic algorithmsEngenharia eletrônicaInteligência artificialControladores PIDAlgoritmos genéticosENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOSModelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotorModeling, planning of movements and PID control tuned with a genetic algorithm of a quadrirrotor autonomous aerial vehicleinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJinstname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)instacron:UERJORIGINALDissertação - Welington de Souza Silva - 2021 - Completo.pdfDissertação - Welington de Souza Silva - 2021 - Completo.pdfapplication/pdf4140972http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/17818/2/Disserta%C3%A7%C3%A3o+-+Welington+de+Souza+Silva+-+2021+-+Completo.pdfea7d36394819576f9c9640a788dc9da7MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82123http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/17818/1/license.txte5502652da718045d7fcd832b79fca29MD511/178182024-02-27 15:16:49.309oai:www.bdtd.uerj.br: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Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.bdtd.uerj.br/PUBhttps://www.bdtd.uerj.br:8443/oai/requestbdtd.suporte@uerj.bropendoar:29032024-02-27T18:16:49Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)false
dc.title.por.fl_str_mv Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Modeling, planning of movements and PID control tuned with a genetic algorithm of a quadrirrotor autonomous aerial vehicle
title Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
spellingShingle Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
Silva, Welington de Souza
Electronic engineering
Artificial intelligence
PID controllers
Genetic algorithms
Engenharia eletrônica
Inteligência artificial
Controladores PID
Algoritmos genéticos
ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS
title_short Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
title_full Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
title_fullStr Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
title_full_unstemmed Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
title_sort Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
author Silva, Welington de Souza
author_facet Silva, Welington de Souza
welingtondesouzasilva@yahoo.com.br
author_role author
author2 welingtondesouzasilva@yahoo.com.br
author2_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Revoredo, Téo Cerqueira
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/4608803076140632
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Battistel, Andrei Giordano Holanda
dc.contributor.referee1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/9775943221130678
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Mora-Camino, Felix Antoine Claude
dc.contributor.referee2Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2244858140054423
dc.contributor.authorLattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/5831532514776203
dc.contributor.author.fl_str_mv Silva, Welington de Souza
welingtondesouzasilva@yahoo.com.br
contributor_str_mv Revoredo, Téo Cerqueira
Battistel, Andrei Giordano Holanda
Mora-Camino, Felix Antoine Claude
dc.subject.eng.fl_str_mv Electronic engineering
Artificial intelligence
PID controllers
Genetic algorithms
topic Electronic engineering
Artificial intelligence
PID controllers
Genetic algorithms
Engenharia eletrônica
Inteligência artificial
Controladores PID
Algoritmos genéticos
ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS
dc.subject.por.fl_str_mv Engenharia eletrônica
Inteligência artificial
Controladores PID
Algoritmos genéticos
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS
description Autonomous vehicles have proven themselves as agents of change and innovation in several areas. In urban centers, for example, they have great potential to solve several problems in the modern transport of goods and people, contributing to the development of smart cities. In agriculture, they they are applied in applications ranging from monitoring of plantations to soil fertilization. In industry, they carry out inspections, footage, transport equipment, etc. In this scenario, unmanned aerial vehicles are a promising class of mobile robots, with possible applications in monitoring and security, inspection of structures and equipment, emergency medical care, product delivery, search and rescue in remote areas, among others. Quadcopters stand out. Put in motion by four propellers, they offer freedom of movement in any direction, the ability to hover in the air and fly with low engine speed, in addition to the ease of landing and taking off from any flat surface. It is, however, an underactuaed system which presents challenges to be controlled. Several strategies are found in the literature to control the position and attitude of quadcopters, among which the most popular is the use of proportional-integral-derivative controllers. However, the proper choice of parameters for these controllers is still a complicated task. In this context, this Dissertation aims to contribute to the theme of autonomous movement of quadcopters, presenting the mathematical modeling of their kinematics and dynamics, the planning of feasible trajectories and especially, the implementation of controllers to track them. The proportional-integral-derivative controller scheme, initially tuned by the Ziegler-Nichols method, then has its 18 gains optimized using a genetic algorithm. Computational validation is performed using trajectories with distinct characteristics and evaluating the quadrotor ability and performance in tracking them with and without the influence of disturbances. The results prove the feasibility of the model and the control scheme, as well as the better performance of the tuning performed by the genetic algorithm. In addition, they provide a comparison basis for future experiments.
publishDate 2021
dc.date.issued.fl_str_mv 2021-12-17
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2022-05-26T18:24:42Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv SILVA, Welington de Souza. Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor. 2021. 175 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrônica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17818
identifier_str_mv SILVA, Welington de Souza. Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor. 2021. 175 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrônica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2021.
url http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/17818
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica
dc.publisher.initials.fl_str_mv UERJ
dc.publisher.country.fl_str_mv Brasil
dc.publisher.department.fl_str_mv Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia
publisher.none.fl_str_mv Universidade do Estado do Rio de Janeiro
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
instname:Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron:UERJ
instname_str Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
instacron_str UERJ
institution UERJ
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ
bitstream.url.fl_str_mv http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/17818/2/Disserta%C3%A7%C3%A3o+-+Welington+de+Souza+Silva+-+2021+-+Completo.pdf
http://www.bdtd.uerj.br/bitstream/1/17818/1/license.txt
bitstream.checksum.fl_str_mv ea7d36394819576f9c9640a788dc9da7
e5502652da718045d7fcd832b79fca29
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UERJ - Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ)
repository.mail.fl_str_mv bdtd.suporte@uerj.br
_version_ 1792352359860404224