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A safe position control strategy for multirotor helicopters

Igor Afonso Acampora Prado 10 October 2014 (has links)
The interest for multirotor unmanned aerial vehicles (UAVs) is currently growing due to their low cost, high maneuverability, simplified mechanics, capability to perform vertical take-off and landing as well as hovering flight. These characteristics make them a promising technology suitable for applications such as surveillance of indoor and urban environments and object transportation. The present work faces the problem of safely controlling the position trajectory of multirotor UAVs by taking into consideration a conic constraint on the total thrust vector and a linear convex constraint on the position vector. The problem is solved using a linear state-space model predictive control (MPC) strategy, whose optimization is made handy by replacing the original conic constraint set on the thrust vector by an inscribed pyramidal space, which renders a linear set of inequalities. The control vector computed by the MPC is converted into a thrust magnitude command and an attitude command. The proposed method is evaluated on the basis of Monte Carlo simulations taking into account a random disturbance force. The simulations show the effectiveness of the method in tracking the commanded trajectory while respecting the imposed control and position constraints. They also predict the effect of both the commanded speed and the maximum inclination constraint on the system performance.
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Ambiente de simulação SIL para sistemas de controle de formação em posição para multicópteros

Davi Ferreira de Castro 05 December 2014 (has links)
O controle cooperativo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) do tipo multicóptero vem sendo recentemente investigado de forma intensa por diversos grupos de pesquisa mundo afora. Com o intuito de tornar eficiente o projeto e a avaliação de sistemas de controle cooperativo, propõe-se neste trabalho um ambiente de simulação Software-In-the-Loop (SIL) para avaliar leis de controle de formação em posição de um time composto por três octocópteros. O ambiente é constituído de três computadores conectados por uma rede de comunicação Ethernet. Cada computador executa dois softwares: o MATLAB/Simulink e o X-Plane. As leis de controle são implementadas em Simulink, enquanto a dinâmica e o ambiente de voo são simulados em X-Plane. Para realizar a cooperação entre os controladores, os computadores trocam dados de posição por meio dos diagramas em Simulink. Para testar o ambiente proposto, adota-se uma lei de controle de formação em posição utilizando a abordagem líder-seguidor. O veículo líder se desloca em linha reta, enquanto os veículos seguidores acompanham a posição do líder, mantendo uma formação triangular. O ambiente é validado através de comparações entre o modelo em X-Plane e o modelo analítico. Os testes revelam que por meio do ambiente proposto é possível avaliar uma lei de controle de formação em posição.
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Attitude determination of a multirotor aerial vehicle using camera vector measurements and gyros

Pedro Filizola Sousa Maia Gonçalves 18 December 2014 (has links)
The employment of embedded cameras in navigation and guidance of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has attracted the focus of many academic researches. In particular, for the multirotor UAV, the camera is widely employed for applications performed at indoor environments, where are less access to the GNSS signal and higher electromagnetic interference. Nevertheless, in most researches, the images captured by the camera are usually adopted to aid in the linear position/velocity estimation, but not specifically for assisting in the attitude determination process. This dissertation proposes an attitude determination method for multirotor UAVs using pairs of vector measurements taken from one downward facing strapdown camera and angular velocity measurements from gyros. The method consists in three modules. The first detects and identifies landmarks from the captured images. The second module computes the vector measurements related to the direction between the landmarks and the camera. The third module executes the attitude estimation from the vector measurements given by the second module. The employed estimation method consists in a version of the Multiplicative Extended Kalman Filter (MEKF) with sequential update. The proposed method was evaluated via Monte Carlo simulations using Simulink 3D Animation. During the evaluation, the method presented effectiveness and satisfactory results in most of the simulated cases. Finally, future works are suggested for the potential continuation of this research.
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Flight data acquisition and unified analysis tool for the vector-p unmanned aerial vehicle

Guilherme Coelho da Silva Stanisce Corrêa 06 March 2014 (has links)
The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) recently is growing on military and civil applications. Due to this demand, the control and navigation subsystems are on continuous improvement, on performance to process data, and decrease of physical dimensions. By using commercial-of-the-shelf solutions, it is possible to use robust and high performance data acquisition systems. This work presents the development of a data acquisition system for the sensors and actuators installed on the Vector-P UAV. This UAV is part of the studies on identification and control systems on the Aeronautics Systems Laboratory from the Aeronautics Institute of Technology. The unified analysis tool for the sensors and actuators installed in the Vector-P UAV was developed using the graphical programming tool LabVIEW with object-oriented programming concepts, with the goal to provide a reconfigurable environment to the user. This approach allows, in case of installing a new sensor, to reduce the development and testing efforts in the data conversion for this new sensor. Since the beginning of the project up to the development of the tool in this thesis, it was required to interface with multiple tools in order to have the engineering data from the sensors and actuators installed in the Vector-P UAV. From the use of the software developed in LabVIEW, the data visualization was unified into a single tool. Before this program was designed, the user had to interface with many different tools developed by the sensors manufacturer, as well as to develop a code in MATLAB to process those data.
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Sistema de gerenciamento do voo de quadrirotores tolerante a falhas

Adilson de Souza Cândido 23 June 2015 (has links)
Os veículos aéreos não-tripulados, especialmente os quadrirotores, estão conquistando crescente notoriedade e importância tanto em aplicações civis quanto militares. No entanto, este tipo de aeronave é instável em malha aberta, sub-atuado e sujeito a restrições nos atuadores, o que dificulta o projeto de controladores. Ademais, há uma crescente necessidade em aumentar a confiabilidade e autonomia do voo destes veículos. Estes requisitos exigem uma correta especificação e monitoramento da bateria da aeronave, que tipicamente é superdimensionada devido às dificuldades de prever a demanda e a oferta energética, especialmente na presença de falhas e perturbações. Baseado nestas dificuldades, o presente trabalho apresenta um sistema de gerenciamento do voo de quadrirotores tolerante a falhas, sujeito a restrições energéticas. Este sistema é responsável pelas principais rotinas de controle do voo, e gerenciamentos da missão e falhas. Especificamente, é analisado o problema de controle integrado a algoritmos de diagnóstico e prognóstico de falhas, em um contexto de otimização multiobjetivo. Alguns destes objetivos são: precisão no rastreamento, minimização da distância total percorrida e elevada confiabilidade para a execução da missão. A solução proposta envolve o uso de um controlador preditivo multimodelo integrado a um filtro estocástico híbrido de múltiplos modelos interativos, para as rotinas de controle e diagnóstico de falhas durante o voo do quadrirotor. Ademais, no momento em que este diagnóstico detecta um distúrbio, é ativado um sistema de prognóstico, constituído de um filtro de partículas, a fim de estimar quais as possíveis consequências deste evento atípico sobre a missão da aeronave. Por fim, baseado nas características deste distúrbio e na disponibilidade energética, um módulo de supervisão decide sobre a necessidade de reconfigurar o controlador e/ou replanejar a missão. Os resultados demonstraram a viabilidade da solução proposta à custa de um acréscimo na carga computacional. No entanto, esta desvantagem pode ter baixo impacto devido ao desenvolvimento de novos computadores de bordo e algoritmos mais eficientes.
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Controle de trajetória de um quadricóptero aplicando técnicas de controle ótimo

Mayara Kissya da Silva Duarte 14 July 2015 (has links)
Os quadricópteros, Veículos Aéreos Não-Tripulados-VANTs, têm atraído grande interesse, por ter mecânica simplificada e características especiais de voo, como pouso e decolagem vertical, alta manobrabilidade e voo em baixas velocidades. Devido a estas características são empregados em missões de busca, salvamento e inspeção remota. Em operações autônomas, o sistema de controle deve seguir uma trajetória pré-determinada, para a resolução deste problema, propõe-se neste trabalho a comparação entre duas técnicas Lineares Quadráticas; o Regulador Linear Quadrático-LQR e o Rastreador Linear Quadrático-LQT. Aplicando conceitos de Controle Ótimo, foi possível solucionar as duas técnicas. A função custo de cada técnica a ser minimizada, é quadrática e possui três matrizes de ponderação, as quais foram ajustadas com a finalidade de se obter a resposta ótima. As técnicas foram avaliadas com auxílio da ferramenta computacional Matlab, com a qual foram feitas simulações com diferentes sinais de referência. As simulações mostram que dependendo da trajetória adotada as duas técnicas abordadas podem ser utilizadas, porém o LQT apresenta uma eficácia muito maior em certas trajetórias de referência. Com o aumento do ganho na matriz de ponderação Q é possível reduzir o erro de referência, contudo o esforço de controle será proporcional a este aumento.
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Um método para estimação da velocidade do vento ao longo da trajetória de uma aeronave

Guilherme Nakakogue Barufaldi 24 August 2015 (has links)
Em 2004, a Federação Aeronáutica Internacional (FAI) tornou oficial a classe Microlift, abrindo uma nova fronteira para o voo a vela. Esta classe, composta por planadores ultraleves com limitação superior de carga alar, tem o intuito de incentivar a exploração de fontes fracas de sustentação a baixa altura. Inspirada pela evolução do voo livre, em especial das asas delta de competição, esta classe de planadores ainda possui poucos praticantes e poucas aeronaves disponíveis. Entre os principais entraves ao seu progresso estão a falta de técnicas de pilotagem para a extração de energia destes fenômenos atmosféricos e a falta de conhecimento da estrutura de velocidades dos mesmos. Com o avanço das tecnologias de controle, os veículos aéreos não tripulados (VANTs), vem ganhando espaço, tanto em aplicações comerciais quanto no meio acadêmico. O uso destas aeronaves em pesquisa meteorológica também cresceu, mas, devido a certas limitações, especialmente legais, seu uso neste campo ainda é tímido. Entretanto, com a redução do custo e do peso de sensores e componentes eletrônicos, atualmente é possível construir sistemas de aquisição de dados relativamente pequenos, leves e com baixo consumo de energia, o que torna viável a instrumentação de pequenos VANTs elétricos lançados a mão. Estas aeronaves, muito mais acessíveis do ponto de vista econômico, poderiam ser empregadas mais facilmente para investigações meteorológicas de curto alcance, dentre as quais, a pesquisa das estruturas microlift. Este trabalho almeja ser uma introdução, no âmbito brasileiro, à utilização de aeronaves, especialmente as não tripuladas, para a pesquisa meteorológica voltada à aviação desportiva. Uma metodologia para se estimar a velocidade do vento ao longo da trajetória de uma aeronave é proposta. Usando-se os dados da instrumentação interna de uma aeronave, é possível estimar os ângulos aerodinâmicos e partir destes o vetor velocidade do vento. Uma análise do método é feita, além de um estudo da influência dos ruídos de medição na variância da estimação. O método é então testado por meio de simulações e os resultados, discutidos. Uma breve história da classe Microlift também é incluída, a fim de se contextualizar o leitor.
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Backstepping controller for attitude control of a quadrotor UAV

Joana D'arc Dias Costa 31 August 2015 (has links)
Multirotors Unmanned Aerial Vehicles (UAV), specially quadrotors, have been attracting large interest from the academy and the industry due to factors such as simplified mechanics, low cost, high maneuverability, vertical take-off and landing (VTOL) and wide variety of applications (fire fighting, surveillance, filming etc.). This work deals with the attitude control problem for a quadrotor UAV. In order to solve the problem, a backstepping attitude controller that guarantees the asymptotic stability of the system was designed using quaternion as attitude parametrization. The result was a control law similar to a P-D law with an additional nonlinear term in order to compensate the nonlinear term from the attitude dynamics. Simulations were made to validate the attitude control law achieved as well as experiments with an equipment similar to a quadrotor, but mounted on a three degree of freedom pivot joint that enables only the rotational motion, the Quanser 3D Hover. Additionally, the system was simulated with 6 degrees of freedom (3 translational and 3 rotational) and a P-D controller with constraints on the total thrust and on the inclination angle was used for the position control and to provide the desired attitude for the attitude controller. Propeller dynamics and perturbations acting on the quadrotor were modelled to obtain a more realistic result. Several Monte Carlo simulations were made to assess the mean effect of these random perturbations, and the results were effective for a way point trajectory.
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Desenvolvimento de um sistema para navegação e telemetria de aeronaves não-tripuladas

Filardi, Vitor Leão 22 September 2006 (has links)
Submitted by Marcio Filho (marcio.kleber@ufba.br) on 2017-06-09T12:54:47Z No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Reis (vanessa.jamile@ufba.br) on 2017-06-13T15:15:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-13T15:15:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 mestrado_vitor.pdf: 2209704 bytes, checksum: d39df531f410d6533d4c54bd9255e48c (MD5) / A pesquisa para o desenvolvimento do conjunto de circuitos eletrônicos (hardware) para aquisição de dados e sistemas de controle de vôo para aeronaves n˜ao-tripuladas(UAV -Unmanned Aerial Vehicle) tem gerado novos conhecimentos aeronauticas, com aplicações em monitoramento ambiental e controle de areas agrícolas e de pragas. Neste trabalho, foi concebido o desenvolvimento de todo o aparato eletrônico necessário para um UAV, sendo este desenvolvimento parte integrante do projeto UAV-UFBA. Apresenta-se aqui um detalhamento do funcionamento dos sensores utilizados para o sistema de navegação inercial, bem como todas as equações necessárias para a conversão dos valores de tens˜ao adquiridos pelos sensores em suas respectivas unidades de medida: aceleração, press˜ao, velocidade do angular e outros. S˜ao também apresentados os filtros analógicos e digitais desenvolvidos e os circuitos de condicionamento de sinal de cada sensor. O sistema de processamento ´e composto por dois microcontroladores da família MCS-51, como módulo de interface entre o sistema de navegação e a aeronave. A arquitetura desenvolvida ´e flexível, podendo ser utilizada de várias formas e expandida de acordo com a necessidade. Para validar o equipamento foram feitos diferentes tipos de ensaio. As respostas obtidas tiveram erros inferiores a 4%, levando em considera¸c˜ao que se esperava erros maiores, próximos a 20%, visto que a equipe n˜ao tinha experiência nesta área, nem outros trabalhos como referência. Desta maneira mostra que com a continuidade e o aprofundamento da pesquisa, pode-se obter resultados ainda melhores.
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Projeto da arquitetura de software embarcado de um veículo aéreo não tripulado

Gonçalves, Fernando Silvano January 2014 (has links)
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:37:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 328200.pdf: 3381287 bytes, checksum: ba3e65ec10b7f2ea5b8df03a6daa8fd3 (MD5) Previous issue date: 2014 / O projeto de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) é um processo complexo, pois diferentes fatores devem ser considerados visando garantir tanto a confiabilidade do sistema, quanto a integridade física da aeronave. Neste contexto a técnica do Hardware-in-The-Loop (HIL) tem sido aplicada de modo a proporcionar uma plataforma de testes confiável e segura para a concepção tanto da arquitetura de software, quanto dos sistemas de controle. Nesta pesquisa um ambiente de emulação em HIL é desenvolvido de forma a proporcionar a realização de testes da arquitetura de software, sendo este baseado na aplicação da técnica dos Anytime Algorithms. Esses algoritmos são aplicados tanto isolados quanto associados aos algoritmos de controle do VANT, desta forma os benefícios da sua utilização podem ser corretamente avaliados. O ambiente HIL pode ser utilizado diretamente no Matalab/Simulink, o que facilita o desenvolvimento de diferentes estratégias de controle por meio do uso desta ferramenta.<br> / Abstract : Designing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is a complex process, sincedifferent engineering domains must be considered to ensure that it will flyproperly, without putting in danger the aircraft and life on the ground. Consideringthe design of the embedded computing system, the Hardware-in-The-Loop (HIL) can be applied in order to provide a test platform for both thesoftware architecture and the control algorithms. In this work a HIL structureis created to test the software architecture, which is based in the applicationof Anytime Algorithms. Such algorithms are used isolated and associatedwith the UAV control algorithms, so that their benefits for the project can beproperly evaluated. The developed HIL can be used directly by the Matlab/-Simulink tool, which facilitates its use since most control applications aredeveloped in such tool.

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