Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Marques, Felipe Machini Malachias
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22079
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135
Resumo: Trata-se de um trabalho desenvolvido pelo Laboratório de Aeronaves Autônomas com o intuido de investigar o comportamento dinâmico e novas técnicas de controle aplicadas a aeronaves multirrotoras.
id UFU_094f3f8431216f9f310b253ee1748119
oai_identifier_str oai:repositorio.ufu.br:123456789/22079
network_acronym_str UFU
network_name_str Repositório Institucional da UFU
repository_id_str
spelling Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-CopterModelagem, Simulação e Controle de uma Aeronave com Configuração Tilt-RotorUnmanned aerial vehiclesMulti-rotorsTilt rotorLinear quadratic regulatorVeículos aéreos não tripuladosMultirrotoresRegulador linear quadráticoCNPQ::ENGENHARIASTrata-se de um trabalho desenvolvido pelo Laboratório de Aeronaves Autônomas com o intuido de investigar o comportamento dinâmico e novas técnicas de controle aplicadas a aeronaves multirrotoras.Em geral, aeronaves multirrotoras convencionais são classificadas como sistemas dinâmicos subatuados uma vez que seu número de variáveis de controle é insuficiente para permitir que posição e atitude sejam controladas de forma independente. Desta forma, este trabalho trata da modelagem dinâmica genérica de uma aeronave multirrotora com configuração tilt-rotor e a aplicação das técnicas de controle moderno de forma a viabilizar o sistema a seguir uma trajetória. A modelagem dinâmica é feita baseada nas equações do movimento de Newton-Euler considerando a aeronave como um corpo rígido com seis graus de liberdade e ainda assumindo que cada motor seja capaz de executar dois tipos de movimento independentes (lateralmente ou longitudinalmente) introduzindo mais sinais de controle ao sistema. Em seguida, as equações do movimento são linearizadas utilizando a teoria de pequenas perturbações em tordo de uma posição de equilíbrio baseada na missão requerida de forma que as teorias de controle moderno possam ser aplicadas. A técnica de controle empregada é a Linear Quadratic Tracking (LQT) formulada como um problema de servomecanismo permitindo que o controlador seja projetado para diferentes sinais de entrada baseados em suas equações diferenciais. O modelo dinâmico e a lei de controle são validadas utilizando o ambiente do Matlab/Simulink® considerando os efeitos não lineares causados pelo mecanismo de tilt rotor utilizando como objeto de estudo um modelo quadrirrotor real desenvolvido pelo Laboratório de Aeronaves Autônomas da Universidade Federal de Uberlândia. Por fim, as condições de estabilidade do sistema são avaliadas para diferentes cenários variando as configurações de tilt rotor como também os sinais de entrada a partir do mapeamento de polos e zeros assim como a resposta temporal do sistema. As simulações mostram que a aeronave contendo um mecanismo lateral de tilt rotor possui vantagens para aplicações de seguidores de trajetória uma vez que melhora a controlabilidade do sistema principalmente no movimento de guinada. Porém, o mecanismo de tilt lateral deve ser utilizado com cautela uma vez que sua atuação amplifica os efeitos não lineares, como por exemplo os giroscópios, que não são previstos pelo modelo linear e podem divergir a resposta do sistema.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorDissertação (Mestrado)In general, standard multi-copters are classified as underactuated systems since their number of control inputs are insufficient to allow the control of position and orientation independently. In this context, this work deals with the dynamical modeling of a generic of a tilted rotor multi-copter aerial vehicle and the design of a trajectory tracking controller using modern control techniques. The dynamical model is developed using Newton-Euler equations of motion considering the aircraft as a six degrees of freedom rigid body and also assuming that each rotor is capable of two independent movements (tilt laterally and longitudinally) introducing more control inputs to the system. Later, the equations of motion are linearized around the desired trimmed operating conditions, considering small perturbations, based on the mission application so that the linear modern control techniques can be applied. The control method applied is a Linear Quadratic Tracking (LQT) controller formulated as a servomechanism problem permitting the controller to be designed for different reference input signals based on their time differential equations. The dynamical model and control law were validated using Matlab/Simulink® environment assuming all the deriving non-linear effects caused by tilt actuation using as research object a real quadcopter model developed by the Laboratório de Aeronaves Autônomas from the Federal University of Uberlândia. Finally, the stability conditions of the system are tested for different scenarios (tilt configurations and reference input signals) through pole and zeros mapping and time response analysis. The simulations have shown that the lateral tilt mechanism can be profitable for trajectory tracking applications once it improves the system controllability principally on the yaw dynamics. However, the tilt mechanism may be used wisely since their actuation amplifies the dynamical non-linear effects, such as the gyroscopic ones, which are not predicted by the linearized model and can make its response diverges.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaNeto, Roberto Mendes Finzihttp://lattes.cnpq.br/3792275882221002Sanches, Leonardohttp://lattes.cnpq.br/6978425622746671Gonçalves, Rogério Saleshttp://lattes.cnpq.br/9474579551520236Koroishi, Edson Hidekihttp://lattes.cnpq.br/9465293262026260Marques, Felipe Machini Malachias2018-07-30T14:34:09Z2018-07-30T14:34:09Z2018-03-16info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfMARQUES, Felipe Machini Malachias. Modeling, Simulation and Control of a Generic Til-rotor Multi-copter. 2018, 99p. Master Thesis, Federal University of Uberlândia, Uberlândia – MG, Brazil, 2018. Available in: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22079http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2018-07-30T14:35:01Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/22079Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2018-07-30T14:35:01Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
dc.title.none.fl_str_mv Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
Modelagem, Simulação e Controle de uma Aeronave com Configuração Tilt-Rotor
title Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
spellingShingle Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
Marques, Felipe Machini Malachias
Unmanned aerial vehicles
Multi-rotors
Tilt rotor
Linear quadratic regulator
Veículos aéreos não tripulados
Multirrotores
Regulador linear quadrático
CNPQ::ENGENHARIAS
title_short Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
title_full Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
title_fullStr Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
title_full_unstemmed Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
title_sort Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter
author Marques, Felipe Machini Malachias
author_facet Marques, Felipe Machini Malachias
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Neto, Roberto Mendes Finzi
http://lattes.cnpq.br/3792275882221002
Sanches, Leonardo
http://lattes.cnpq.br/6978425622746671
Gonçalves, Rogério Sales
http://lattes.cnpq.br/9474579551520236
Koroishi, Edson Hideki
http://lattes.cnpq.br/9465293262026260
dc.contributor.author.fl_str_mv Marques, Felipe Machini Malachias
dc.subject.por.fl_str_mv Unmanned aerial vehicles
Multi-rotors
Tilt rotor
Linear quadratic regulator
Veículos aéreos não tripulados
Multirrotores
Regulador linear quadrático
CNPQ::ENGENHARIAS
topic Unmanned aerial vehicles
Multi-rotors
Tilt rotor
Linear quadratic regulator
Veículos aéreos não tripulados
Multirrotores
Regulador linear quadrático
CNPQ::ENGENHARIAS
description Trata-se de um trabalho desenvolvido pelo Laboratório de Aeronaves Autônomas com o intuido de investigar o comportamento dinâmico e novas técnicas de controle aplicadas a aeronaves multirrotoras.
publishDate 2018
dc.date.none.fl_str_mv 2018-07-30T14:34:09Z
2018-07-30T14:34:09Z
2018-03-16
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.uri.fl_str_mv MARQUES, Felipe Machini Malachias. Modeling, Simulation and Control of a Generic Til-rotor Multi-copter. 2018, 99p. Master Thesis, Federal University of Uberlândia, Uberlândia – MG, Brazil, 2018. Available in: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22079
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135
identifier_str_mv MARQUES, Felipe Machini Malachias. Modeling, Simulation and Control of a Generic Til-rotor Multi-copter. 2018, 99p. Master Thesis, Federal University of Uberlândia, Uberlândia – MG, Brazil, 2018. Available in: http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135
url https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/22079
http://dx.doi.org/10.14393/ufu.di.2018.1135
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
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 Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Uberlândia
Brasil
Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFU
instname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
instname_str Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron_str UFU
institution UFU
reponame_str Repositório Institucional da UFU
collection Repositório Institucional da UFU
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
repository.mail.fl_str_mv diinf@dirbi.ufu.br
_version_ 1805569595625439232

Registros relacionados