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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9Q6GFQ| Tipo: | Dissertação de Mestrado |
| Título: | Control strategies of a tilt-rotor UAV for load transportation |
| Autor(es): | Marcelino Mendes de Almeida Neto |
| primer Tutor: | Guilherme Vianna Raffo |
| primer miembro del tribunal : | Bruno Vilhena Adorno |
| Segundo miembro del tribunal: | Leonardo Antonio Borges Torres |
| Tercer miembro del tribunal: | Mario Fernando Montenegro Campos |
| Resumen: | Nessa dissertação são apresentadas estratégias de controle para solucionar o problema de transporte de carga suspensa ao longo de uma trajetória desejada por um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) na configuração Tilt-rotor. Para o presente estudo, é importante que a aeronave seja capaz de manter tanto a si mesma quanto a carga transportada estável mesmo na presença de perturbações externas, incertezas paramétricas e erros de medição. Em geral, é importante que se tenha um modelo dinâmico preciso do sistema para que se possa projetar estratégias de controle avançadas para o mesmo. Dessa forma, um modelo dinâmico para o VANT Tilt-rotor com carga suspensa é rigorosamente derivado usando a formulação de Euler-Lagrange. Com o modelo obtido, é possível então projetar leis de controle que satisfaçam as especificações desejadas. Para tanto, leis de controle lineares e não lineares são projetadas. Para projetar leis de controle lineares, lineariza-se o sistema em torno do seu ponto de operação. Com o sistema linearizado, duas leis de controle são projetadas: uma por D-estabilidade e outra que leva em consideração D-estabilidade e a norma H simultaneamente. Já para o projeto do sistema de controle não linear, uma estratégia em cascata é proposta. Cada nível do sistema em cascata executa uma lei de controle através do método de linearização por realimentação de saída, sendo considerados três níveis. Cada um desses níveis controla um grupo diferente de variáveis do sistema até que a aeronave esteja estável por completo. Para essa estratégia, dois controladores para seguimento de trajetória são especificados. O primeiro controlador considera a carga apenas como uma perturbação e não atua para impedi-la de balançar, preocupando-se apenas com o seguimento de trajetória. O segundo controlador, por sua vez, busca encontrar um compromisso entre seguir a trajetória e reduzir o balanço da carga. Por fim, como prova de conceito, a estratégia não linear é modificada de forma a fazer com que a aeronave estabilize um pêndulo invertido. Para os projetos de controle descritos, considera-se que todas as medições físicas da aeronave são precisamente conhecidas em todos instantes de tempo. Entretanto, ´r sabido que toda medição física é sujeita a erros e imprecisões e nem sempre é possível obter alta frequência de amostragem ao medir alguma variável de processo. Portanto, parte desse trabalho é destinada ao estudo de incertezas em medições de posição da aeronave em uma situação na qual o controlador possua frequência de amostragem superior à frequência de amostragem do GPS. Diante desse problema, deve-se estimar a posição da aeronave enquanto não se tem novas medições levando em consideração que existem entradas de perturbação no sistema. Esse problema é solucionado usando o Filtro de Kalman com Entradas Desconhecidas. |
| Abstract: | This dissertation presents control strategies to solve the problem of suspended load transportation by a Tilt-rotor Unmanned Air Vehicle (UAV) passing through a desired trajectory. For the present study, it is important for the aircraft to maintain itself and the load stable even in the presence of external disturbances, parametric uncertainties and measurement errors. In general, a precise dynamic model of a system is needed in order to design advanced control strategies to it. Therefore, a rigorous dynamic model is derived for the Tilt-rotor UAV with suspended load using Euler-Lagrange formulation. After obtaining the model, it is then possible to design control laws that satisfy the desired specifications. Consequently, linear and nonlinear control laws are designed. In order to design linear control laws, the system is linearized around its operation point. Two linear control laws are designed: one using D-stability control design and the second using simultaneous D-stability and minimization of the H1 norm. As for the nonlinear control design, a three-level cascade strategy is proposed. Each level of the cascade system executes a control law through the method of input-output feedback linearization. Each one of these levels controls a different group of the system's state variables until the aircraft becomes fully stable. Two path tracking controllers are specified for this strategy. The first considers the load only as a disturbance and does not actuate to avoid its swinging. The second controller, on the other hand, seeks to find a compromise between path tracking and reducing the load's swing. At last, as proof of concept, the nonlinear strategy is modified so that the aircraft is able to stabilize an inverted pendulum. For all the described control laws, it is considered that the physical measurements of the aircraft are precisely known in all time instants. However, every physical measure is subject to errors and uncertainties and one cannot always obtain a high sampling frequency when measuring process variables. Therefore, part of this work is dedicated to the study of uncertainties when measuring the position of the aircraft in a situation where the controller has a higher sampling frequency than the GPS. In face of this problem, the aircraft's position must be estimated while no new measurements are available taking also into the consideration the existence of disturbance inputs on the system. This whole problem is solved by using the Kalman Filter with Unknown Inputs. |
| Asunto: | Engenharia elétrica Aeronave não tripulada |
| Idioma: | Português |
| Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Sigla da Institución: | UFMG |
| Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9Q6GFQ |
| Fecha del documento: | 7-ago-2014 |
| Aparece en las colecciones: | Dissertações de Mestrado |
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