Path tracking control of a suspended load using a tilt-rotor UAV

Abstract

Este trabalho trata o problema de transporte de carga usando um veículo aéreo não tripulado (VANT) do tipo tilt-rotor. Um VANT tilt-rotor é uma aeronave híbrida capaz de realizar voos com velocidade de cruzeiro elevada, como VANTs de asa fixa, e decolagem e pouso vertical, como VANTs de asa rotativa. Aborda-se o problema de rastreio de trajetória da carga suspensa, no qual a carga deve seguir uma trajetória desejada enquanto o VANT tilt-rotor é mantido estável. A cinemática do sistema é formulada do ponto de vista da carga, a partir da qual um modelo dinâmico rigoroso é obtido através da formulação de Euler-Lagrange. Obtém-se uma representação em espaço de estados não linear altamente acoplada e afim nas entradas, na qual a posição e a orientação da carga são diretamente representadas por variáveis de estado. Este fato permite que estratégias de controle por realimentação de estados possam conduzir a carga através de uma trajetória de referência com relação a um sistema de coordenadas inercial. Assumindo que todos os estados do sistema são medidos, duas estratégias de controle linear em tempo discreto são propostas para solucionar o problema de rastreio de trajetória da carga com rejeição a perturbações constantes: um regulador linear quadrático de tempo discreto e um controlador H-2/H-infinito misto de tempo discreto com restrições na alocação de polos. O primeiro controlador é projetado através da solução de uma equação algébrica de Riccati de tempo discreto, enquanto o segundo controlador é projetado através de uma abordagem de desigualdades matriciais lineares. As equações de estado são linearizadas em torno da trajetória de referência, aumentadas com ações integrais e discretizadas para que os controladores sejam projetados. Por outro lado, considerando que nem todos os estados estão disponíveis para realimentação, medições estão corrompidas com ruído e sensores possuem diferentes períodos de amostragem, propõe-se estratégias de estimação de estados com o intuito de fornecer todo o vetor de estados para os controladores. Um filtro de Kalman linearizado é proposto para um cenário no qual apenas a metade do vetor de estados é medida (variáveis de posição), e corrompida com ruído Gaussiano com média nula. Para a segunda estratégia de estimação propõe-se um estimador de estados zonotópico, considerando um cenário no qual as medições são fornecidas por sensores que possuem diferentes períodos de amostragem, corrompidas com ruído desconhecido porém limitado. Ambos os estimadores são projetados baseados em equações dinâmicas linearizadas e discretizadas, aumentadas com perturbações externas que afetam o sistema. Para corroborar o bom desempenho das estratégias propostas, resultados de simulação numérica são apresentados.