Implementação de controle não linear para drone quadrirrotor com fusão de sensores por filtro de Kalman
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Data
2018
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Editor
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São
João del-Rei
Resumo
Objetivo desta dissertação de mestrado é a construção de um protótipo de quadrirrotor, um veículo aéreo não tripulado, que permita a implementação e avaliação de estratégias de controle para a estabilização e controle de seus ângulos de atitude. São descritos todos os componentes que compõem o protótipo, entre eles, motores CC brushless para acionamentos das hélices, sistema de controle de velocidade eletrônico dos motores, sensores e microcontrolador. Para implementação das lógicas de medição e controle, é utilizada uma plataforma aberta de hardware, a Arduino®. No controle de quadrirrotores é fundamental a precisão na medição dos ângulos de atitude, o que afeta a sua estabilidade e segurança. Para a medição dos ângulos de atitude é utilizada uma unidade de medição inercial, composta por um acelerômetro e um giroscópio, construída na forma de um circuito integrado utilizando a tecnologia de sistemas microeletromecânicos. É adotada uma metodologia de fusões de sinais, que utiliza o filtro de Kalman, para determinação do ângulo de atitude a partir dos sinais do giroscópio e do acelerômetro. A metodologia de medição é implementada e avaliada na plataforma Simulink® para MATLAB® para posterior implementação na plataforma Arduino®. É apresentada a modelagem matemática de quadrirrotores que é utilizada para a representação do comportamento do protótipo. Os parâmetros do modelo do protótipo de quadrirrotor são determinados a partir de cálculos baseados nos dados construtivos e por intermédio de testes experimentais. O modelo obtido é utilizado para simulação na plataforma Simulink® para MATLAB®, permitindo o projeto e a avaliação da estratégia de controle. É adotada uma técnica de controle não linear, backstepping, que é avaliada tanto por meio de simulação computacional como por testes experimentais no protótipo de quadrirrotor. A metodologia de controle, juntamente com a fusão de sensores pelo filtro de Kalman, são implementadas na plataforma Arduino® para o controle em tempo real do protótipo de quadrirrotor. Os parâmetros do controlador são obtidos por uma técnica de otimização disponível na plataforma Simulink®. A técnica de projeto empregada é baseada na obtenção do controlador que garante limites especificados para a resposta transitória da saída controlada. Os resultados experimentais são compatíveis com os resultados de simulação. É verificada a adequação da técnica de controle backstepping para o controle de atitude. Também é comprovada a eficiência do procedimento adotado para o projeto dos parâmetros do controlador não linear.
Descrição
Palavras-chave
Teoria do controle, Controle automático, Controle de vôo, Filtragem de Kalman