Robust guidance and control for quadcopters in safe operations

Abstract

O uso de quadricópteros autônomos em diversas aplicações exige operações robustas e seguras. Essas aplicações incluem vigilância, monitoramento, rastreamento de alvos, busca e salvamento, entrega de pacotes, dentre outras. Este trabalho apresenta uma nova estratégia de guiagem e controle para veículos quadricópteros, garantindo uma navegação segura e confiável ao longo de caminhos predefinidos. O problema abordado neste trabalho consiste em controlar um quadricóptero para seguir um determinado caminho evitando obstáculos previamente desconhecidos e mitigando os efeitos de perturbações desconhecidas e limitadas. É introduzido uma estrutura de guiagem e controle. Este esquema visa aumentar a rejeição de perturbações e evitar obstáculos em tarefas de seguimento de caminhos, melhorando assim a segurança e o desempenho geral do sistema. A estratégia de guiagem é uma nova abordagem de campo vetorial desenvolvida em um trabalho anterior, onde o campo guia um sistema integrador simples para seguir um caminho determinado quando for seguro e circunavegar obstáculos localmente medidos quando colisões iminentes são detectadas, fazendo uma transição suave entre ambos. Por outro lado, o controle é baseado em uma técnica conhecida de Backstepping para o sistema nominal que garante que ele siga o caminho quando não houver perturbação. Na realidade prática de sistemas perturbados, introduzimos um controle robusto adaptativo que visa minimizar o erro de rastreamento entre o sistema nominal e o sistema real. O método proposto é validado com simulações computacionais e experimentos do mundo real, mostrando a capacidade do controlador de conduzir quadricópteros autônomos em tarefas de navegação seguras. O estudo não apenas contribui para a base de conhecimento acadêmico, mas também é uma promessa substancial para aplicações práticas em indústrias que dependem de operações aéreas precisas e confiáveis. Em conclusão, apresenta-se uma abordagem para enfrentar os desafios do seguimento de caminho por quadricóptero através do desenvolvimento de um sistema robusto de guigagem e controle. Ao melhorar a segurança e a confiabilidade destes veículos aéreos não tripulados, este trabalho facilita o uso destes veículos numa vasta gama de aplicações do mundo real.