Automatic landings have been performed routinely for many years. However the design of flare and landing control systems with a suitable performance and a high level of reliability remains a very difficult task. In the present scenario, the increasing in the landing capacity of airports is mandatory by limiting the time each aircraft occupies the runway. To limit the occupancy time, the reduction of touchdown zone is essential since landings too close of the exit could result in a missed exit and therefore in a decreasing of landing rate. Give this context, the present work aims to propose an autoland flare law development for a 50 seat regional jet using Linear Quadratic Regulator technique. An accurate flare path, good rejection to turbulence, simplicity in implementation and, moreover, improved longitudinal touchdown dispersion are some of desirable features of design. In development of autoland control system, full feedback was used as control law configuration. Simulations were performed with non-linear model of the aircraft based on the equations of rigid body movement. The gains of LQR flare law were obtained though global optimization using Genetic Algorithms. The robustness of resulting close-loop system was tested with respect to ground-effect, wind shear and out-of-trim conditions. The performance of LQR flare law was compared with Model-Following design. Steady wind and turbulence models were used as disturbances for stochastic evaluation of the methods. The explicit flare trajectory defined in space, not in time, resulted on the improved touch down dispersion achieved by LQR design.

É proposta uma arquitetura para ensaios de sistemas de controle e guiamento de aeronaves não tripuladas em ambiente real de voo, tendo como requisitos básicos a implementação com custo baixo e a operação segura. A plataforma implementada a partir da proposta apresenta capacidade de guiamento e controle autônomos para navegação em rotas pré-determinadas, estabilização automática de atitude, e armazenamento de dados de voo. A proposta se baseia no conceito de RIG Aviônico, tradicionalmente utilizado para a realização de ensaios em solo para certificação de sistemas aviônicos de aeronaves tripuladas. O conceito é expandido para um "RIG Voador", que tem como objetivo principal a determinação do comportamento de sistemas de guiamento e controle embarcados, em situações de voo real e em situações limite. As alternativas para a utilização de componentes off-the-shelf de baixo custo existentes no mercado são identificadas, objetivando a implementação da proposta. São detalhadas as etapas de desenvolvimento do sistema de navegação e controle, bem como sua integração na aeronave utilizada como plataforma para implementação do exemplo de aplicação. Os ajustes nos sistemas de guiamento e controle foram realizados com a utilização do método de Ziegler-Nichols. A capacidade de integração de um sistema de guiamento e controle secundário foi testada através do uso de um sistema de rádio-controle independente. Os resultados obtidos mostram que o conceito de "RIG Voador" pode ser usado para a avaliação de componentes, e de sistemas de guiamento e controle a serem embarcados em VANTs.

A realização deste trabalho é motivada pelas vantagens da prática de simulação computacional na indústria aeronáutica, como redução de custos e de tempo de desenvolvimento e melhoria da qualidade do produto. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um software de interface entre o programa de simulação de voo de baixo custo X-Plane e o pacote computacional MATLAB/Simulink. O principal objetivo dessa interface é viabilizar a utilização simultânea do X-Plane e do MATLAB para simular a dinâmica de voo de uma aeronave e seu controle, provendo uma plataforma de simulação que permita ao engenheiro aeronáutico avaliar técnicas de identificação de sistemas para obtenção de modelos dinâmicos para aeronaves e também auxilie o engenheiro na avaliação de alternativas de projeto de sistemas de controle de voo. Para validar a ferramenta foi utilizado um modelo da aeronave Airbus A310 disponível para o X-Plane, operando em uma condição de voo específica. Por meio da interface desenvolvida, dados gerados por esse modelo foram transferidos para o MATLAB, onde, por meio de técnicas de regressão linear, foram obtidos valores estimados para as derivadas de controle e estabilidade relacionadas aos movimentos longitudinal e látero-direcional da aeronave. Os parâmetros obtidos foram usados para construir um modelo da aeronave no MATLAB/Simulink. Esse modelo foi utilizado em alguns projetos de sistemas de controle de voo para a aeronave. Por fim, os controladores projetados, rodando no MATLAB/Simulink, foram usados para controlar o modelo do Airbus A310 no X-Plane por meio da interface desenvolvida.

This work addresses the problem of trajectory planning in the context of predictive control. Initially, planners in the literature using predictive control techniques with binary variables are extended to consider situations in which it is necessary that the vehicle visits multiple targets featuring a limited amount of fuel. A reward for visiting each target set is included to tune the compromise between saving fuel and visiting as many targets as possible. The second part brings contributions aimed at reducing computational complexity of the problem of planning and execution of trajectories. For this purpose, techniques for reducing the number of binary variables necessary to implement obstacle avoidance constraints are studied. In this context, a more economical procedure for encoding the problem is presented. Moreover, a method is proposed for generation of waypoints to be traversed by the vehicle in order to complete the mission. The resulting waypoints are passed to the control layer responsible for guiding the vehicle through them. The advantage of this dual-layer approach is that the online computational effort for determining the control signal is significantly reduced. With the approach of multiple sets and rewards, it is possible to accommodate a fault which causes a reduction in the amount of fuel available. Moreover, using the waypoint planning technique, the online computational load is reduced, making it viable to deal with problems involving more stringent control constraints possibly arising from actuator faults.

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.

Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2015. / Esse estudo trata do problema da exploração de áreas com o propósito de vigilância e de busca, utilizando um veículo aéreo não tripulado baseado na tecnologia dos quadricópteros. Os quadricópteros são aeronaves que podem realizar decolagens e pousos verticais, e pairagens. A agilidade de movimentação provê muita flexibilidade operacional a esses veículos, tornando-os uma ótima opção para aplicações em missões de busca e vigilância. Nessas missões, as características de voo mais desejáveis são a imprevisibilidade da trajetória de movimento (do ponto de vista de eventuais intrusos) e a varredura rápida da área de interesse. Em muitos casos, não há disponibilidade de um mapa do terreno, o que torna o planejamento de trajetória para a varredura completa uma tarefa difícil. Nesse caso, um movimento previamente não planejado, no sentido estrito do termo, pode ser uma solução atraente para o problema. A busca aleatória por trajetórias, e aquelas baseadas em caos (um comportamento de alguns sistemas dinâmicos não lineares), têm sido estudadas em aplicações desta natureza. Em nosso estudo, priorizamos a análise de geração de trajetórias com base em movimentos aleatórios muito particulares, denominados na literatura de voos de Lévy. O voo de Lévy é um movimento aleatório (random walk) baseado na função densidade de probabilidade de Lévy, proposta pelo matemático francês Paul Pierre Lévy, cujo padrão de trajetórias é caracterizado por seguidos passos de comprimentos curtos intercalados por um passo de comprimento longo. Além das trajetórias a serem realizadas pelo quadricóptero, esse trabalho compreende o estudo da modelagem da dinâmica de voo e de uma proposta de controle do veículo para alcançar os objetivos das missões. Os controles desenvolvidos, backstepping e sliding mode, são implantados em modelo de simulação, onde são testados juntamente com o gerador de trajetórias de referência baseado no voo de Lévy. Um procedimento para cálculo dos ganhos dos controles é proposto, baseado nos requisitos do voo de Lévy e restrições dinâmicas de um quadrirrotor. Resultados de simulação mostram que os controles proposto são capazes de relaizar o voo de Lévy dentro das restrições dinâmicas e operacioanis do veículo. / This study addresses the problem of exploration of areas for the purpose of surveillance and searching using an unmanned aerial vehicle (quadrotor). Quadrotors are aircraft that can perform vertical take-off and landing, and hovering. Their moving agility provides them operational flexibility, making them a great choice for applications in searching and surveillance missions. In such operations, the most desirable flight characteristics are unpredictable movement path (from the point of view of possible intruders) and fast scan of the area of interest. In many cases, there is no availability of a map of the terrain, which makes the path planning for complete scanning a difficult task. In this case, an unplanned movement, in the strict sense, can be an attractive solution to the problem. Random trajectories, and those based on chaos, a behavior of some nonlinear dynamical systems, have been studied in applications of this nature. In our study, we prioritize the generation of trajectories based on very specific random movements, known in the literature as Lévy flights. The Lévy flight is a random motion (random walk) based on the probability density function of Lévy, proposed by the French mathematician Paul Pierre Lévy, whose default paths are characterized by repeated steps of short lengths interspersed with a step of long length. In addition to the trajectories to be performed by quadropter, this work concerns the study of the flight dynamics modeling and a proposal of vehicle control to achieve the mission objectives. The developed controls, backstepping and sliding mode, are implemented in simulation model, where they are tested together with Lévy flight reference path generator. A procedure to determine the control gain in order to satisfy the Lévy flight requeriments ans quadrotor constraints is proposed. Simulation results show that these controls are suitable for the execution of the Lévy flight respecting the operational and dynamic constraints of the vehicle

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:56:13Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2770_1.pdf: 3435334 bytes, checksum: c4ebc011cd6476e268421539acd59c8c (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / Associação para Promoção da Excelência do Software Brasileiro / O gerenciamento e o projeto de sistemas de engenharia complexos é um desafio interessante. A engenharia de sistemas é um campo interdisciplinar da engenharia focado na melhoria da qualidade de projetos de sistemas. Ela encoraja o uso de métodos e ferramentas como simulação, otimização, análise de confiabilidade e análise estatística para aumentar o conhecimento do sistema, frequentemente representado como um conjunto de modelos. Uma enorme variedade de sistemas dinâmicos precisa ser controlada e pode ser modelada usando os princípios da Teoria de Controle, a base da disciplina de engenharia de controle. Em particular, a engenharia de controle objetiva criar leis de controle para o sistema, que são modeladas usando diagramas de bloco (também chamados de diagramas de leis de controle) e validadas/verificadas usando simulação. Entretanto, a maior parte das validações de leis de controle realizadas na indústria é feita usando ferramentas de simulação como o Simulink, e simulações não cobrem todos os comportamentos do modelo. Além disso, não é fácil modelar uma arquitetura complexa na qual redundância e monitoramento são comumente usados para se obter segurança. Neste trabalho, nós apresentamos três principais contribuições: (1) um conjunto de regras de tradução de modelos Simulink para a algebra de processos CSP (Communicating Sequential Processes), incluindo uma infraestrutura para suportar vários blocos discretos de Simulink; (2) uma estratégia para validar a integração de uma proposta de arquitetura com as leis de controle; e (3) a validação de um sistema de controle de voo dos profundores de um avião produzido pela Embraer. Os resultados mostram que a estratégia pode ser aplicada a modelos complexos através do uso das técnicas formais de abstração de dados e verificação de modelos. Ademais, a estratégia proposta aprimora o processo de desenvolvimento padrão (modelo V) seguido pela indústria por encontrar potenciais defeitos em fases de especificação do projeto, reduzindo tempo de desenvolvimento e custos

The objective of this work was to develop a high fidelity model representative up to high frequencies of a Flight Control System with hydraulic actuation on active-active mode. The usage of a Fly-By-Wire architecture and hydraulic actuation system on active-active mode has brought new engineering challenges like the force-fight between actuators and its structure fatigue life consumption on normal and failure scenarios such as oscillatory mal-functions. Once that these failure modes can exist up to high frequencies, it makes necessary the development of a high fidelity model of a flight control system representative up to high frequencies. The model herein developed has a high fidelity model of an EHSV, hydraulic actuator, a position loop and the control surface, as well as other models complementary in order that it can be possible to analyze the whole system up to high frequencies. It was analyzed the performance of the model at step input response and frequency response, showing to be a model close to the expected response of a real system. Also it was analyzed the frequency response of its components showing to be a representative model up to high frequencies. Besides the performance analysis, it was studied the behavior on a oscillatory mal-function scenario, showing the expected level of structure load, as well as its fatigue life consumption, showing the need to monitor these types of failures.

O trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma lei de controle longitudinal de proteção de envelope de voo, limitando o ângulo de ataque a fim de evitar o estol. A arquitetura básica do controle de ângulo de ataque consiste de uma malha interna responsável pelo aumento de estabilidade do sistema (SAS), e da malha externa cuja função é e garantir o seguimento do ângulo alfa. O ajuste do controlador utilizado foi feito por otimização através de simulações e utilizando o método de integração do erro absoluto no tempo (ITAE). Para validação do projeto são apresentadas diversas simulações do modelo linear e não linear no domínio do tempo e da frequência, considerando os atrasos relativos ao controlador digital e dos sensores inerciais e aerodinâmicos, demonstrado a robustez e estabilidade do sistema.