Analysis and design of the flight control system for battery powered mini drones.
Autor(a) principal: | |
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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 |
Resumo: | 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. |
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Analysis and design of the flight control system for battery powered mini drones.Análise e projeto do sistema de controle de voo para mini drones alimentados por bateria.QuadrotorsLinear and nonlinear controlLiPo batteriesController designModellingQuadrotoresControle linear e não linearBaterias LiPoProjeto de ControleModelagemCuadricópterosControl lineal y no linealBaterías LiPoDiseño de controlModeladoQuadricoptèresContrôle linéaire et non linéaireContrôle linéaire et non linéaireBatteries LiPoConception de contrôleModélisationEngenharia elétrica.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.This doctoral dissertation studies how the electrical subsystem of a battery-powered quadrotor mini drone affects its altitude and attitude dynamics, and how to compensate for the negative effects on the performance caused by the drop in battery voltage during flight. The presented study shows that the closed-loop dynamic behavior degrades as the battery discharges during flight, due to the electrical subsystem being ignored during the flight controller design phase. A study of the relevant bibliography is conducted, showing that this research topic is of interest to the academic community, but has not been explored to the degree presented in this work. A model of a battery-powered quadrotor is constructed, from which a mathematical analysis is conducted showing how the electrical subsystem parameters and the battery discharge affect the closed-loop altitude and attitude dynamics. This system model included the modeling of a LiPo battery, which resulted in the proposal of a lumped parameter model for this type of battery. The mathematical analysis of the quadrotor model showed that the system dynamics get slower as the battery discharges. Compensation for this effect is proposed through two approaches: a battery-aware controller design and by generating the motor commands based on the actual battery voltage instead of the nominal voltage value. A discussion is conducted regarding the impact of the aggressiveness of the attitude controller reference dynamics over the energy consumption, stating that the more aggressive controllers lead to a slower battery discharge. These proposals were tested in simulated and experimental environments using a Parrot Mambo mini drone. The results showed that the proposed compensation techniques positively impacted both the altitude and attitude loops, resulting in a consistent closed-loop behavior for different battery voltage values, along with a smaller steady-state error. The effect of the proposed compensation approaches over the attitude loop was less pronounced than over the altitude loop. These improvements present a trade-off in the form of increased energy consumption. The choice of a more aggressive control strategy when performing a test flight was shown to result in a slower battery discharge when compared to a less aggressive one.CapesUniversidade Federal de Campina GrandeBrasilCentro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEIPÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICAUFCGLIMA, Antonio Marcus Nogueira.LIMA, A. M. N.http://lattes.cnpq.br/2237395961717699LUIZ, Saulo Oliveira Dornellas.LUIZ, S. O. D.http://lattes.cnpq.br/5704594745207397PERKUSICH, Angelo.NASCIMENTO, Tiago Pereira do.DREWS JÚNIOR, Paulo Lilles Jorge.OLIVEIRA, Alexandre Cunha.MORAIS, Marcos Ricardo de Alcântara.TAVARES, Augusto de Holanda Barreto Martins.2023-04-052023-08-17T17:21:08Z2023-08-172023-08-17T17:21:08Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/31477TAVARES, Augusto de Holanda Barreto Martins. Analysis and design of the flight control system for battery powered mini drones. 2023. 153 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2023.enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCGinstname:Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)instacron:UFCG2023-08-17T17:21:08Zoai:localhost:riufcg/31477Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bdtd.ufcg.edu.br/PUBhttp://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/oai/requestbdtd@setor.ufcg.edu.br || bdtd@setor.ufcg.edu.bropendoar:48512023-08-17T17:21:08Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFCG - Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)false |
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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. |
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