Tube-based MPC with economical criteria for load transportation tasks using tilt-rotor UAVs

Abstract

Essa dissertação de mestrado aborda o controle de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) na conĄguração Tilt-rotor utilizado para o transporte de carga. Propõe-se resolver esse problema através de leis de controle ótimo com horizonte deslizante, especiĄcamente, métodos de controle preditivo baseado em modelo (MPC). O objetivo principal é obter controladores capazes de realizar o seguimento de uma trajetória desejada mantendo o sistema estável mesmo na presença de incertezas e perturbações. Inicialmente é proposta uma estratégia de controle utilizando um MPC na formulação incremental com modelo de predição linear e invariante no tempo. Posteriormente, essa formulação é estendida para considerar modelos de predição lineares e variantes no tempo, possibilitando lidar de maneira simples com o problema de variação de parâmetros do sistema, como massa e comprimento do cabo conectando a carga suspensa ao VANT, o que permite realizar manobras de decolagem e aterrissagem com a carga ainda em contato com o solo. Além disso, essa estratégia trata o problema de seguimento de trajetória considerando diferentes pontos de equilíbrio do sistema linearizado, sendo também possível realizar seguimento de trajetória do ângulo de guinada do VANT sem instabilizar o sistema. Ademais, é desenvolvido nesse trabalho um controlador MPC com critério econômico, sendo este critério integrado ao funcional de custo do controlador através de funções potenciais de atração e repulsão. Isso possibilita ao sistema de controle lidar com o problema de desvio de obstáculos escolhendo uma trajetória econômica que evita colisão e reduz o erro entre a trajetória inicial e a executada pelo VANT. Ainda, é abordada uma classe de controladores preditivos robustos, o controlador preditivo baseado em tubos. Para garantir robustez ao sistema, esse controlador utiliza em sua formulação algumas técnicas bem conhecidas em teoria de conjuntos para deĄnir no espaço de estados conjuntos alcançáveis e regiões de estabilidade que limitam a diferença entre a trajetória predita pelo modelo nominal e pelo modelo que leva em consideração perturbações e incertezas limitadas. Esse controlador, devido ao custo computacional das ferramentas de teoria de conjuntos, será utilizado em cascata com um controlador não linear baseado na linearização por realimentação de saída. Finalmente, as características de robustez do controlador baseado em tubos são combinadas ao controlador MPC econômico para gerar uma nova estratégia de controle robusto com critérios econômicos.