Implementação de controle preditivo para rastreamento de trajetórias de um bicóptero com empuxo vetorial

• Autor(a) principal: Alves, Gabriel Renato Oliveira
• Data de Publicação: 2022
• Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
• Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34333
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::CONTROLE DE SISTEMAS MECANICOS; Controle preditivo; Predictive control; Tratamento de restrições; Constraint handling; Programação multiparamétrica; Multiparametric programming; Bicóptero; Bicopter; Vetorização da força de empuxo; Thrust force vectoring

A vetorização da força de empuxo gerada pelos motores pode aumentar a manobrabilidade de veículos aéreos, possibilitando, por exemplo, pousos e decolagens verticais. Isso ocorre pois torna-se possível controlar separadamente as dinâmicas de atitude e posição, manipulando-se as magnitudes e as direções de tais forças. Então, adotando um sistema de controle adequado é possível rastrear referências de posição mantendo-se uma atitude constante ou alterar a atitude sem afetar a posição do veículo. Com esse propósito, pode se adotar o controle preditivo baseado em modelo (Model-based Predictive Control – MPC), uma vez que essa técnica é aplicável a sistemas com múltiplas entradas e saídas. No MPC, a ação de controle é obtida resolvendo-se um Problema de Controle Ótimo (PCO), que pode incluir restrições do sistema. Consequentemente, tem-se uma ação de controle ótima que garante o respeito às restrições. Como desvantagem, a implementação de abordagens convencionais de MPC tem um elevado custo computacional envolvido na resolução numérica do PCO. Isso pode inviabilizar a implementação dessa abordagem, sobretudo em plantas de dinâmica rápida. Uma possibilidade para reduzir o custo computacional consiste em adotar estratégias de MPC explícito. Nesse tipo de estratégia divide-se o espaço de estados em regiões nas quais a ação de controle ótimo é afim por partes. Então, durante a operação, basta verificar em que região do espaço de estados o sistema se encontra e empregar a ação de controle correspondente. Neste contexto, o presente trabalho envolve o emprego de uma abordagem de MPC explícito no controle de um bicóptero dotado de vetorização da força de empuxo. Resultados de simulação e experimentais mostram que a estratégia de controle, tanto adotando a implementação convencional quanto a explícita, foi capaz de rastrear as referências com eliminação do erro em regime estacionário e respeito às restrições de entrada. Cabe salientar que, para eliminação de tal erro, foram adotadas diferentes técnicas. No caso particular do MPC considerou-se uma perturbação constante de saída, que foi estimada por um observador de estados. Essa técnica permite compensar eventuais descasamentos de modelo que, em regime permanente, se comportem como perturbação constante de saída. Para avaliar o custo computacional envolvido, mediu-se o tempo para calcular a ação de controle resolvendo-se o PCO numericamente e empregando a abordagem explícita. Observou-se que não houve uma redução no tempo médio para o MPC explícito. Por outro lado, tal abordagem proporcionou um tempo computacional mais uniforme ao longo da operação.