Modelagem, planejamento de movimentos e controle PID sintonizado com algoritmo genético de um veículo aéreo autônomo do tipo quadrirrotor
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Data de Publicação: | 2021 |
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Tipo de documento: | Dissertação |
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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. |
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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 |
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