Modelagem, simulação e controle de uma nova proposta de aeronave tricóptero tilt-wing-coaxial-rotor

• Autor(a) principal: Arroyo, Alvaro Daniel Herrera
• Data de Publicação: 2021
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
• Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34026; http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.716
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO::ESTABILIDADE E CONTROLE; CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO; Controle Ótimo; Optimal Control; Controle PID; PID Control; Mecânica do Voo; Flight Mechanics; Modelagem Dinâmica; Dynamic Modelling; Rastreamento de Trajetória; Trajectory Tracking; Rotor-coaxial; Coaxial-rotor; Tilt-rotor; Tilt-rotor; VTOL; VTOL; Engenharia elétrica; Aeronaves - Métodos de simulação; Drone- Métodos de simulação

Na última década, com o desenvolvimento contínuo de Drones ou Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), uma grande variedade de modelos foi testada e criada, destacando dois tipos de Drones: multicópteros e asas fixas. Contudo, recentemente, tem havido uma demanda crescente por explorar a combinação entre esses dois tipos de veículos, levando aos modelos de decolagem e pouso vertical (Vertical Take Off and Landing - VTOL), que buscam produzir uma aeronave capaz de ter as características de estabilidade de um multicóptero no modo de voo pairado no ar (hover) e a velocidade e autonomia de voo elevada que uma asa fixa geralmente fornece no modo de voo cruzeiro (voo reto nivelado). Em contrapartida às vantagens do VTOL, o desafio com esta classe de aeronaves é que estas estão sujeitas a um alto grau de não-linearidade, próprio da mistura entre duas arquiteturas de aeronave diferentes. Adicionalmente, como todo veículo aéreo, devem ser capazes de lidar com perturbações atmosféricas no ar. O objetivo principal deste trabalho é o de propor uma nova arquitetura de VANT VTOL com topologia tricóptero. Esta aeronave conta com inclinação independente de rotores em conjunto com asas, vetorizando forças de propulsão e forças aerodinâmicas, com o objetivo de auxiliar no controle da aeronave, diminuir o impacto de downwash e aproveitar uma mesma estrutura de rotores para exercer movimento do veículo em várias direções. O veículo usa rotores-coaxiais para balancear o torque induzido entre os rotores para todo ângulo de inclinação dos mesmos e, adicionalmente, aumentar a força de tração. A modelagem dinâmica foi desenvolvida tomando como base as leis físicas que regem sobre os princípios propulsivos, aerodinâmicos e inerciais. Destacando especialmente o centro de gravidade (CG) móvel devido ao veículo se caracterizar por ser um sistema multi corpo, com capacidade de assumir uma morfologia não simétrica. O design da aeronave foi feito através do software de desenho 3D SolidWorks®, considerando componentes elétricos e mecânicos reais de forma a obter um modelo teórico da aeronave o mais próximo da realidade. O tensor de inércia do veículo foi validado através da comparação do tensor de inércia gerado pelo modelo matemático e o tensor de inércia gerado pelo SolidWorks®. Para a simulação, o modelo da aeronave foi linearizado nas condições de voo hover e cruzeiro e o controle da aeronave foi implementado através de uma estratégia de controle em cascata. Um controlador regulador linear quadrático com integração de estados (LQRI) foi utilizado para controlar as velocidades lineares e angulares da aeronave, enquanto que um controlador proporcional integral derivativo (PID) foi usado para controlar a posição e atitude da aeronave no espaço. A estratégia de controle adotada permitiu realizar o seguimento de trajetórias de forma satisfatória, mesmo na presença de perturbações atmosféricas.