O presente trabalho consiste na utilização de métodos de otimização multidisciplinar, na fase de projeto conceitual de uma aeronave não tripulada. São estudados os principais modelos existentes para referência e proposição de uma aeronave linha de base. Esta aeronave é então analisada com uma série de programas das principais disciplinas que compõe um projeto aeronáutico: aerodinâmica, pesos, propulsão, estabilidade e desempenho. Em se tratando de um tipo de aeronave cuja literatura não apresenta uma base de dados muito rica, a aeronave linha de base serve tanto para a calibração dos programas, como para a especificação de requisitos. Em seguida, a aeronave estudada é submetida inicialmente a uma otimização mono-objetivo por meio do algoritmo GLOBEX/EXTREM, na qual são estudados os casos de maximização de alcance, velocidade de cruzeiro e minimização de peso de decolagem. Por se tratar da fase de projeto conceitual, muitas vezes se deseja realizar estudos comparativos entre várias soluções potencialmente boas, surgindo a necessidade da implementação de um algoritmo de análise multiobjetivo, que foi desenvolvido baseado no método NBI (Normal Boundary Intersection). Por fim, a aeronave é submetida a estudos bi-objetivo (maximização de velocidade de cruzeiro e minimização de peso de decolagem; maximização de alcance e maximização de velocidade de cruzeiro), permitindo a geração de uma superfície de Pareto com os principais projetos potencialmente interessantes para estudos mais aprofundados, e consequente, projeto preliminar.

Esta dissertação tem por objetivo o estudo de métodos de análise de falhas e como os mesmos podem ser adaptados para Veículos Aéreos Não-Tripulados, mais conhecidos pela sigla UAVs (do inglês, Unmanned Aerial Vehicles). Este estudo foi divido em duas categorias: Métodos de Prevenção à Falha e Métodos de Tolerância à Falha. Para o estudo de Prevenção à Falha, o método de análise de árvore de falha (Fault Tree Analysis) para um sistema propulsivo típico de um UAV foi considerado como exemplo a fim de evidenciar condições de falhas ou pontos fracos que podem resultar em perda do sistema. Por sua vez, foi apresentado um formulário FMEA para sistemas do UAV que permitem identificar os modos e causas de falhas, suas conseqüências e definir um plano de ações para melhoria da integridade do sistema. Por último, conduziu-se a análise de criticidade do sistema propulsivo onde os pontos críticos são realçados e discutidos. Para análise destes métodos e suas aplicações em UAV, a abordagem qualitativa foi escolhida devido à falta de dados sobre MTBF (Mean Time Between Failure) dos componentes do sistema. Entretando, melhorias no estudo de Prevenção à Falha devem ser considerados em trabalhos futuros para se obter uma base de dados para análise quantitativa. Para o estudo de Tolerância à Falha, considerou-se como estudo de caso um esquema de Detecção, Diagnóstico e Acomodação de Falhas em Tempo Real para falhas em sensores, baseado nas características estatísticas do processo de inovação do Filtro de Kalman. As falhas são consideradas do tipo aditivas que afetam o valor esperado do processo de inovação do Filtro de Kalman. Para a simulação do estudo de caso, usamos um modelo linear da dinâmica longitudinal do UAV Aerosonde obtido a partir da ferramenta AeroSim Blockset via MatLab/Simulink. A lógica e a estrutura apresentada merecem estudos futuros para o seu aperfeiçoamento a fim de cobrir outros tipos de falhas.

Esta tese apresenta o estudo da confiabilidade do sistema de controle de voo embarcado de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) de pequeno porte e de baixo custo usado em aplicações civis fabricado pela empresa canadense Micropilot (MP-Trainerg). Este estudo abrange as fases de voo "decolagem/subida" e "aproximação/pouso" em controle manual. Inicialmente são apresentados os fundamentos de teoria de confiabilidade. É então feita a predição da taxa de falha de cada subsistema que compõe o sistema de controle de voo usando a norma americana MIL-HDBK-217F e o software Relex Reliability Studio 2008. Usando árvores de falhas é demonstrado que a arquitetura original implementada pelo fabricante do VANT é pouco confiável (MTTF, Mean Time To Failure, de 11379 horas). São então apresentadas e analisadas 3 propostas de mudança na arquitetura do sistema de controle do VANT: 1) inclusão de redundância do sistema de rádio-controle, 2) inclusão de redundância dos servo-atuadores, e 3) inclusão de redundância do sistema de rádio-controle e dos servo-atuadores. É mostrado que: 1) as 2 primeiras propostas não produzem um aumento significativo na confiabilidade do sistema de controle de voo (MTTF de 16113 e 19788 horas respectivamente), e 2) a terceira proposta praticamente triplica o MTTF do sistema (de 11379 para 33111 horas). A viabilidade de implementação das redundâncias propostas é demonstrada através de testes em bancada. O estudo da confiabilidade deste VANT mostra que pequenas alterações na arquitetura do sistema de controle de voo resultam em um aumento significativo na confiabilidade deste sistema.

Este trabalho propõe e avalia, através de simulação, um sistema de controle multivariável para o pouso automático de um mini-VANT em pista curta valendo-se de tubo de pitot, sensores girométricos, GPS, altímetro-pressão e altímetro-ultrassom embarcados. A manobra visa automatizar o procedimento de pouso realizado por piloto experiente de aeromodelo radiocontrolado, o qual é caracterizado por uma etapa descendente com variação simultânea de azimute para alinhamento da proa com a pista, seguida por descida segundo rampa íngreme e arredondamento final antes do encontro do solo. Tal manobra é motivada quando há disponível apenas uma pequena extensão de pista e cujas dimensões da zona de aproximação livre de obstáculos impeçam o pouso com emprego de rampa longa e suave alinhada com o eixo da pista. A brusca variação de altitude e azimute simultaneamente, no entanto, acaba por provocar o acoplamento dinâmico dos modos de resposta nos planos longitudinal e látero-direcional da aeronave, fator que introduz maior complexidade no projeto de um controlador robusto às perturbações externas e às incertezas de modelagem. A aeronave utilizada no estudo foi o aeromodelo de treinamento de pequeno porte Alpha60 da Hangar-9, originalmente radiocontrolado, disponível comercialmente e amplamente utilizado por aeromodelistas. Suas principais características foram determinadas a partir de ensaios em túnel de vento, os quais juntamente com os dados obtidos de softwares de modelagem CAD e CFD permitiram a definição de um modelo adequado para o projeto e validação do piloto automático para pouso. A técnica de controle, alocação de autoestrutura, mostrou-se uma alternativa efetiva para lidar com o acoplamento das dinâmicas longitudinal e látero-direcional existente durante a etapa em curva descendente. Foram avaliados diversos cenários de pouso, com a aeronave exposta a turbulências do tipo Dryden e vento constante de magnitude média de até 31 km/h, aproximadamente 50% da velocidade da aeronave durante a etapa de aproximação para pouso. Adicionalmente, investigaram-se efeitos na variação dos parâmetros do veículo e ruído nos diversos sensores. Nos casos em que o vento sopra lateralmente à aeronave com magnitude elevada, observou-se que o desvio em relação à pista após a etapa em curva descendente pode ser demasiado elevado visto que o controle lateral se dá somente em azimute, e a posterior descida segundo uma rampa íngreme se torna inviável. Nestas situações, torna-se necessário percorrer um trecho adicional, sem perda de altitude, para correção do desvio lateral e posterior descida. A fim de evitar esta etapa adicional, foi proposta uma estimação da velocidade do vento lateral baseada nas características do voo em cruzeiro. Com esse mecanismo, em caso de vento lateral em um nível aceitável, a descida pode ser conduzida logo após a etapa de curva descendente, dando à manobra características semelhantes àquela executada por piloto experiente de aeromodelo radiocontrolado. Ao final, obteve-se um piloto automático capaz de realizar o pouso em uma pista de extensão média entre 235 e 329 metros, dependendo da intensidade e direção do vento, e com erro lateral médio inferior a 2,5 metros

No que tange ao emprego militar, é recomendável que veículos aéreos não tripulados efetuem sua navegação de maneira autônoma e independente do GPS, pois os sinais deste podem ser bloqueados ou ser alvo de interferência. Dessa forma, uma boa alternativa é pautar a navegação desses veículos em visão computacional. Este trabalho vai ao encontro com as reais necessidades do projeto PITER, na busca de se segmentar imagens aéreas em porções urbanas e não urbanas, fazendo uso dos algoritmos não supervisionados Fuzzy C-Médias, Mistura de Gaussianas, Distância Euclidiana e K-Médias, além de ser utilizado o algoritmo de classificação por contexto após a classificação. Por fim, é mostrada qual combinação de algoritmos gera os melhores resultados.

Por anos o voo dos insetos intrigou os seres humanos. Em alguns aspectos não encontra par entre os voos de outros animais, especialmente nas questões de desempenho e manobrabilidade. Devido a estas características e às deficiências de configurações convencionais de aeronaves em regime de baixo número de Reynolds, têm sido desenvolvidas configurações de micro veículos aéreos (MAVs) baseadas em insetos. Entretanto, ainda há muitos desafios que envolvem o estudo dos mecanismos relacionados com o voo dos insetos. Um entendimento maior destes mecanismos possibilitaria o desenvolvimento de MAVs mais eficientes e eficazes. Neste contexto, a eficiência do movimento periódico inspirado no voo dos insetos foi investigada utilizando duas metodologias: o modelo quase-estacionário e simulação numérica bidimensional. Verificou-se a influência do desvio em relação ao plano de batimento (stroke deviation) horizontal em uma situação de voo pairado, modelando a asa da mosca Drosophila melanogaster por um perfil elíptico bidimensional executando um movimento formando a "figura-de-oito". Novas equações cinemáticas foram propostas para representar a trajetória da asa de modo a permitir uma variação maior de parâmetros do movimento no eixo vertical, o que permitiu obter, por meio de otimização utilizando o modelo quase-estacionário, os limites teóricos da eficiência aerodinâmica. Com base nestas otimizações e em variação dos parâmetros cinemáticos, resultados obtidos por estudos anteriores foram explicados e verificou-se a possibilidade de redução de gasto energético no voo pairado por meio da implementação do desvio do plano horizontal. Simulações numéricas por dinâmica dos fluidos computacional foram realizadas para investigar esta possibilidade e notou-se que a potência do momento aerodinâmico adiciona uma parcela significativa à potência total, o que não é contabilizado no modelo quase-estacionário devido a simplificações. Posteriormente, concluiu-se que, nos casos estudados, as diferenças na eficiência não foram significativas e que, em razão de efeitos não estacionários, em especial a interação entre asa e esteira, a força vertical média se comporta de maneira contrária à prevista pelo modelo quase-estacionário. Finalmente, o mecanismo de captura de esteira foi analisado e foram identificadas mudanças significativas em seus efeitos, induzidas pelo desvio do plano horizontal, as quais puderam ser explicadas devido às alterações na cinemática do perfil.

Frotas de robôs autônomos capazes de navegar com pouca ou nenhuma necessidade de um operador humano são de grande interesse em aplicações de robótica móvel. Um ponto fundamental para criação de frotas de aeronaves robóticas consiste em como organizar dinamicamente sua formação espacial durante a navegação em ambientes na presença de obstáculos. Este trabalho tem como objetivo apresentar um método de formação de frotas de veículos autônomos não tripulados (VANTs) através da utilização de campos potenciais artificiais implementados em simulação. O agrupamento de VANTs através de modelos de campos potenciais artificiais permite um controle dinâmico do formato da frota e um comportamento reativo a presença de obstáculos no ambiente. É apresentada uma introdução sobre a teoria de campos potenciais, e suas diferentes formas artificiais para síntese de comportamento quando utilizado em agrupamentos de frotas e desvio de obstáculos. Frotas de VANTs são representadas por conjuntos de partículas e a trajetória do centro de formação é guiada ao longo de uma rota planejada. Para o planejamento de rota é utilizado o algoritmo A*, modificado com um custo adicional através de campos potenciais repulsivos, para melhor incorporar as características dos obstáculos presentes no ambiente. Um método existente de formação de frotas por campos potenciais é implementado e estendido para casos tridimensionais, e simulações são conduzidas para agrupamentos de diferentes tamanhos e formas, em ambientes 2D e 3D, utilizando-se bibliotecas de código aberto e simulador Morse. Para alterar a forma do agrupamento dinamicamente sugere-se, neste trabalho, a utilização de sensores virtuais, capazes de fornecer um parâmetro de controle de forma para o campo interno de formação.

Neste trabalho, o problema de geração de trajetórias para Veículos Aéreos Não Tripulados em missões militares é modelado como um problema de otimização multiobjetivo que busca obter diferentes relações de compromisso entre comprimento total do percurso e exposição às ameaças de solo (e.g, radares e unidades de defesa antiaérea). A implementação computacional do modelo utiliza-se da Plataforma AEROGRAF, que permite a construção de cenários de otimização e a visualização dos resultados em ambiente georreferenciado. Ferramentas do campo da Otimização Evolutiva Multiobjetivo são utilizadas na abordagem, especificamente, os algoritmos denominados Generalized Differential Evolution 3 (GDE3), e Multiobjective Evolutionary Algorithm based on Decomposition (MOEA/D), que representam dois paradigmas de estruturação algorítmica distintos e vigentes na área. Os desempenhos dos algoritmos são mensurados e comparados a partir de quatro instâncias do problema, sob diferentes aspectos: esforço computacional, robustez ao ajuste de parâmetros, efetividade em lidar com restrições, e indicadores de qualidade. Os resultados experimentais fornecem parâmetros para subsidiar a opção por um ou outro método em função do tipo de cenário para o qual as trajetórias serão geradas. A abordagem multiobjetivo e o uso de ambiente georreferenciado permitem que o decisor tenha conhecimento de diferentes possibilidades antes de fazer a escolha da trajetória mais adequada ao cenário vigente.

Grande parte das técnicas de navegação utilizadas em Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANTs) é baseada na integração de sistemas de navegação por satélites (GNSS - Global Navigation Satellite System) e sistemas de navegação inercial (INS - Inertial Navigation System). Entretanto, a utilização do GNSS oferece um grande desafio para a expansão da utilização de VANTs por estarem sujeitos à degradação intencional ou não dos sinais transmitidos pelos satélites. Assim, técnicas de navegação autônoma com mínima dependência do GNSS têm sido exploradas como um meio alternativo/colaborativo. Nesta dissertação, é utilizada uma técnica de navegação baseada em imagens para auxiliar a navegação de um VANT quando o GNSS não está disponível. Algoritmos como o SIFT (Scale Invariant Features Transform) são capazes de extrair características de imagens que, em combinação com técnicas de estimação e decomposição de homografias, permitem estimar variações de atitude e posição da aeronave de maneira independente. No entanto, essa decomposição pode resultar em duas soluções fisicamente possíveis para a homografia. Contudo, somente uma delas representa as características geométricas reais do objeto em vista. Verifica-se também que o conhecimento do vetor normal ao plano de visada é suficiente para determinar a solução correta. Assim, sob a hipótese de pequena mudança do vetor normal entre duas imagens em sequência, neste trabalho se investiga a determinação da solução correta para a decomposição da homografia, comparando-se os vetores normais estimados entre dois instantes de tempo. Com o intuito de avaliar o desempenho do sistema de navegação utilizando as variações de atitude e posição, obtidas via processamento de imagens, foram realizadas simulações utilizando um modelo de seis graus de liberdade de um VANT. Os resultados mostram baixos erros iniciais, porém devido ao procedimento de propagação de atitude e posição, há erros crescentes com o tempo, sugerindo que a navegação autônoma, isto é, sem auxílio GNSS não é viável por longos períodos, como esperado. Contudo, a existência de leitura eventual GNSS, que é uma hipótese realista, permite limitar esses erros. Para demonstrar o potencial da navegação por imagens e elevar a representatividade dos resultados, as simulações foram realizadas tomando fotografias reais como base para geração das sequências de imagens.

Nesta tese é abordada a utilização de observáveis específicas, formadas pela combinação linear de fases da portadora e pseudodistâncias, obtidas por dois receptores GPS em duas épocas distintas. O objetivo é obter estimativas das alterações no vetor linha-base entre os receptores com o passar do tempo, processo denominado, neste trabalho, de posicionamento relativo no tempo (PRT), balanceando simplicidade, precisão e baixa demanda computacional. Para o método proposto, apesar de ser necessário que ocorra rastreio contínuo da fase durante medidas consecutivas, nenhum procedimento de resolução de ambiguidades é necessário. A abordagem resulta em uma solução mais simples de computar do que as soluções obtidas pelo método Real-Time Kinematic (RTK), um dos mais acurados existentes hoje, com uma pequena deterioração na precisão, num sentido de PRT, para períodos e linhas-base curtos. Isso leva a aplicações em casos onde o deslocamento relativo a partir de uma posição inicial do usuário é de maior interesse do que sua posição absoluta num referencial terrestre, e quando a demanda computacional é restrita, como no caso da determinação e análise, em tempo real, de trajetórias de veículos aéreos não tripulados (VANTs). Para isso, primeiramente é adotada como observável principal uma combinação de fases, com a qual, através de ajustamentos sucessivos pelo método dos mínimos quadrados, se realiza o PRT. Uma análise teórica de erros para a adoção desta observável é realizada, seguida pela validação dos resultados, utilizando dados reais de gravações de receptores GPS. Por fim uma outra observável, baseada também em pseudodistâncias, é proposta e avaliada.