Analysis and design of the flight control system for battery powered mini drones.

• Autor(a) principal: TAVARES, Augusto de Holanda Barreto Martins.
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG
• Texto Completo: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/31477
• topic: Engenharia elétrica.; Quadrotors; Linear and nonlinear control; LiPo batteries; Controller design; Modelling; Quadrotores; Controle linear e não linear; Baterias LiPo; Projeto de Controle; Modelagem; Cuadricópteros; Control lineal y no lineal; Baterías LiPo; Diseño de control; Modelado; Quadricoptères; Contrôle linéaire et non linéaire; Contrôle linéaire et non linéaire; Batteries LiPo; Conception de contrôle; Modélisation

Esta tese de doutorado estuda como o subsistema elétrico de um mini quadrotor alimentado por bateria afeta as suas dinâmicas de altura e de atitude, e como compensar os efeitos negativos sobre o desempenho decorrentes da queda da tensão da bateria durante o voo. O estudo apresentado mostra que a comportamento dinâmico em malha fechada piora a medida que a bateria descarrega durante o voo, devido ao subsistema elétrico ser desconsiderado durante a etapa de projeto do controlador de voo. Um estudo da bibliografia relevante é realizado, mostrando que este tópico de pesquisa é de interesse da comunidade acadêmico, mas não foi previamente explorado com a profundidade apresentada neste trabalho. O modelo de um quadrotor alimentado por bateria é elaborado, a partir de onde uma análise matemática é realizada demonstrando como os parâmetros do subsistema elétrico e a descarga da bateria afetam as dinâmicas de malha fechada de altura e de atitude. Esse modelo incluido a modelagem de uma bateria LiPo, que resultou na proposta de um modelo a parâmetros concentrados para este tipo de bateria. A análise matemática do modelo do quadrotor mostrou que as dinâmicas do sistema ficam mais lentas a medida que a bateria descarrega. A compensação deste efeito é proposta por meio de duas abordagens: o projeto de um controlador ciente da bateria e a geração de comandos para os motores a partir da tensão medida da bateria ao invés do valor nominal da tensão. Uma discussão a respeito do impacto da agressividade da dinâmica de referência do controlador de atitude sobre o consumo de energia é realizada, afirmando que dinâmicas de referência mais agressivas levam a uma descarga mais lenta da bateria. Estas propostas foram testadas em ambiente simulado e experimental, utilizando um mini drone Parrot Mambo. Os resultados mostraram que as técnicas de compensação propostas impactaram positivamente tanto as malhas de altura como a de atitude, resultando em um comportamento de malha fechada consistente para diferentes valores de tensão da bateria, além de um error de regime permanente menor. O efeito das técnicas de compensação sobre a malha de atitude foi menor do que sobre a malha de altura. Foi mostrado que a escolha de uma estratégia de controle mais agressiva ao realizar um voo de teste leva a um menor consumo de energia quando comparada a uma estratégia menos agressiva.