Orientador: Suely Cunha Amaro Mantovani / Resumo: Tem-se como proposta neste trabalho apresentar a montagem de um protótipo de um veículo aéreo não tripulado, visando seu controle de orientação em voo pairado, utilizando um algoritmo inteligente - Lógica nebulosa. Dos vários modelos para a construção destes veículos, optou-se por montar o tipo quadrirrotor (quatro motores) que é um dos modelos mais simples, composto por quatro hélices contrarrotoras que estabilizam o seu movimento. O controle embarcado em uma plataforma Arduino deve permitir a estabilização em torno dos eixos X, Y e Z, com o auxílio de sensores, acelerômetro e giroscópio triaxiais. A avaliação da eficiência do controlador nebuloso se obteve por meio de simulações realizadas no MATLAB/Simulink, cujos resultados indicam o seu correto funcionamento. / Mestre

Submitted by RODOLFO CASTRO E SILVA null (rodolfocastro.rcs@gmail.com) on 2017-04-06T19:00:32Z No. of bitstreams: 1 Silva, Rodolfo Castro e.pdf: 3553354 bytes, checksum: e2c816fd7680331cc6f1aa7a583fdfc0 (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-04-12T19:45:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_rc_me_ilha.pdf: 3553354 bytes, checksum: e2c816fd7680331cc6f1aa7a583fdfc0 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-12T19:45:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_rc_me_ilha.pdf: 3553354 bytes, checksum: e2c816fd7680331cc6f1aa7a583fdfc0 (MD5) Previous issue date: 2017-03-17 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Tem-se como proposta neste trabalho apresentar a montagem de um protótipo de um veículo aéreo não tripulado, visando seu controle de orientação em voo pairado, utilizando um algoritmo inteligente - Lógica nebulosa. Dos vários modelos para a construção destes veículos, optou-se por montar o tipo quadrirrotor (quatro motores) que é um dos modelos mais simples, composto por quatro hélices contrarrotoras que estabilizam o seu movimento. O controle embarcado em uma plataforma Arduino deve permitir a estabilização em torno dos eixos X, Y e Z, com o auxílio de sensores, acelerômetro e giroscópio triaxiais. A avaliação da eficiência do controlador nebuloso se obteve por meio de simulações realizadas no MATLAB/Simulink, cujos resultados indicam o seu correto funcionamento. / It is proposed to present the assembly of a prototype of an unmanned aerial vehicle, aiming its orientation control for hovering flight, using an intelligent algorithm – fuzzy logic. There are many models available for the construction of these vehicles, so it was decided to make the quadrirotor type (with four rotors) which is one of the simplest models, consisting of four counter-rotating propellers that stabilize its movement. The control embedded on an Arduino platform should allow its stabilization around the X, Y and Z axes, with sensors assistance, such as an accelerometer and a gyroscope, both triaxial. The evaluation of the nebulous controller efficiency was obtained through simulations performed in MATLAB / Simulink, whose results indicate its correct functioning. / CNPq: 133402/2015-0

Made available in DSpace on 2016-08-31T13:33:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MoniqueFS_Dissert.pdf: 2578055 bytes, checksum: 595fd4f8c3d8d5457fa6c6eb6df6adff (MD5) Previous issue date: 2015-08-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have received increasing attention in recent years as a way to replace the expensive manned vehicles. At first, UAVs were used for military applications, and currently they are used in the research and development area, where control techniques for stability and airworthiness are the main objects of study. The full development of autonomous flight in all environments is still a challenge. In this regard, the general objective of this work is to control the propulsion system of a quadrotor UAV for indoor altitude control application. The quadrotor system developed in this work consists of frame, four propellers, flight controller, sensors, four brushless direct current motors (BLDC), electronic speed controller (ESC), battery, radio control transmitter, receiver and universal circuit battery eliminator (UBEC). The software used for the simulation of Proportional Integral Derivative (PID) control for motor speed and altitude control was Simulink®/MATLAB. For the control development, it was necessary to model the quadrotor system to obtain a mathematical representation that allows an analytical study consistent with the system behavior in practice. The mathematical modeling of the quadrotor was performed using the Euler-Lagrange formalism, because it has the same form in any system of generalized coordinates and it is more suitable for generalizations. Tests were done to ensure proper operation of each part of the system, and quadrotor experiments were performed to calculate the motor thrust factor and to identificate parameters of BLDC motors. From the parameters identified in the experiments, the transfer functions required in PID control simulation of BLDC motor speed and quadrotor altitude were obtained. The experiment relating to PID control of motor speed was performed and the obtained values were compared with the simulated ones. The simulations and tests showed expected responses compared to the results of studies reported in the literature. This work begins new researches on UAVs area at the Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) / Os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) têm recebido uma crescente atenção nos últimos anos como uma forma de substituir os veículos tripulados de alto custo. Inicialmente, os VANTs eram usados para aplicações militares e, atualmente são utilizados na área de pesquisa e desenvolvimento, onde as técnicas de controle para a estabilidade e navegabilidade de voos são os principais objetos de estudo. O desenvolvimento completo de voo autônomo em todos os ambientes ainda é um desafio. Neste sentido, o objetivo geral do trabalho é controlar o sistema de propulsão de um VANT do tipo quadricóptero para aplicação no controle de altitude do mesmo em ambientes fechados. O sistema do quadricóptero desenvolvido neste trabalho é composto por frame, quatro hélices, controlador de voo, sensores, quatro motores de corrente contínua sem escovas (BLDC), controlador de velocidade eletrônico (ESC), bateria, transmissor rádio-controlado, receptor e circuito universal eliminador de bateria (UBEC). O software utilizado para simulação do controle Proporcional Integral Derivativo (PID) de velocidade dos motores e do controle de altitude foi o Simulink®/MATLAB. Para o desenvolvimento do controle foi necessário modelar o sistema do quadricóptero para obter uma representação matemática que permita um estudo analítico coerente com o comportamento do sistema na prática. A modelagem matemática do quadricóptero foi realizada através do formalismo de Euler-Lagrange, por possuir a mesma forma em qualquer sistema de coordenadas generalizadas e ser mais adequado a generalizações. Testes foram feitos a fim de garantir o funcionamento adequado de cada parte do sistema do quadricóptero e experimentos foram realizados para o cálculo do fator de empuxo dos motores e para a identificação de parâmetros dos motores BLDC. A partir dos parâmetros identificados nos experimentos, foram obtidas as funções de transferência necessárias para serem utilizadas nas simulações de controle PID de velocidade do motor BLDC e de altitude do quadricóptero. Foi realizado o experimento referente ao controle PID de velocidade do motor e os valores obtidos foram comparados com os da simulação. As simulações e testes apresentaram respostas esperadas, comparados com os resultados de trabalhos relacionados na literatura. Este trabalho dá início a novas pesquisas na área de VANTs na Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA)

Nesta dissertação é realizado um estudo comparativo entre controladores robustos projetados para sistemas lineares em espaço de estado sujeitos a incertezas paramétricas. O objetivo é resolver problemas de acompanhamento de trajetória de robôs. O estudo é realizado em um robô móvel com tração diferencial e em um quadricóptero. Para tal, é aplicado um Regulador Linear Quadrático Robusto no qual engloba em uma estrutura unificada todos os parâmetros de incerteza de entrada e saída de maneira recursiva, útil em aplicações em tempo real. A fim de demonstrar a eficiência do Regulador Robusto, resultados de simulações e de experimentos são empregados comparando-o com controle Η∞ não linear via teoria dos jogos e com um controle Proporcional-Derivativo mais torque calculado. / This work provides a comparative study between robust controllers for linear statespace systems subject to parametric uncertainties to solve trajectory tracking problems. The study is developed in a mobile robot with differential traction and in a quadricopter. A Robust Linear Quadratic Regulator is applied, which encompasses in a unified framework all input and output uncertain parameters, useful in online applications. In order to show the effectiveness of the robust regulator, simulations and experiments results allow the comparison with nonlinear Η∞ control via game theory and with a Proportional- Derivative control plus computed torque.

Os métodos de controle baseados em dados têm como diferencial utilizar os dados coletados de experimentos para realizar a sintonia do controlador de uma forma direta e sem utilizar nenhum modelo do processo. Um dos métodos já consagrados é o conhecido Iterative Feedback Tuning, método este caracterizado como um algoritmo iterativo de otimização que busca a minimização do critério de desempenho norma H2. O presente trabalho propõe uma extensão baseada no clássico algoritmo Iterative Feedback Tuning para sistemas em formato cascata com duas malhas de controle. O formato cascata com duas malhas de controle é uma estrutura comum e muito utilizada em aplicações de cunho industrial. A sintonia deste tipo de estrutura em metodologias clássicas de controle envolve geralmente duas etapas. Primeiramente a malha interna é sintonizada para então posteriormente a malha externa. A vantagem do método de controle baseado em dados proposto está em realizar a sintonia de ambas as malhas de forma simultânea e concomitantemente. É escolhida como aplicação um veículo aéreo não tripulado com quatro rotores, mais conhecido como quadricóptero. Esta aplicação tem uma dinâmica complexa, uma vez que o sistema é classificado como sendo não-linear e multivariável, algo demonstrado através do equacionamento dinâmico do quadricóptero que é apresentado. Uma série de simulações e experimentos práticos são apresentadas com o intuído de demonstrar a dinâmica descrita no modelo e também demonstrar a aplicação do algoritmo Cascade Iterative Feedback Tuning para os mesmos. / The methods of data-driven control have the distinction to use the data collected from experiments to perform the tuning of the controller directly and without using any process model. One method already established is the Iterative Feedback Tuning, this method is characterized as an iterative optimization algorithm that aims to minimize the H2 norm performance criterion. The present work proposes an extension based on the classical Iterative Feedback Tuning algorithm for cascade systems with two control loops. The cascade format with two loops is a common structure and widely used in industrial applications. In classical control methods, the tuning of this type of structure usually involves two steps. First, the inner loop is tuned and subsequently the outer loop. The advantage of the proposed data-driven control method is to perform this tuning of both controller simultaneously and concurrently. We choose as an application a unmanned aerial vehicle (UAV) with four rotors, better known as quadcopter. This application has a complex dynamic, since the system is classified as being non-linear and multivariable, demonstrated by the quadcopter dynamic equations. A series of simulations and practical experiments are presented to demonstrate the dynamicmodel described and also to validate the method CIFT algorithms.

Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-06-27T20:40:29Z No. of bitstreams: 1 FláviaEFD_DISSERT.pdf: 4838703 bytes, checksum: cb75ca0f24038306bbea559a45db472e (MD5) / Rejected by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br), reason: Corrigir referência on 2017-07-03T12:20:16Z (GMT) / Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-07-04T16:12:28Z No. of bitstreams: 1 FláviaEFD_DISSERT.pdf: 4838703 bytes, checksum: cb75ca0f24038306bbea559a45db472e (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-04T16:56:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FláviaEFD_DISSERT.pdf: 4838703 bytes, checksum: cb75ca0f24038306bbea559a45db472e (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-04T17:02:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FláviaEFD_DISSERT.pdf: 4838703 bytes, checksum: cb75ca0f24038306bbea559a45db472e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-04T17:02:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FláviaEFD_DISSERT.pdf: 4838703 bytes, checksum: cb75ca0f24038306bbea559a45db472e (MD5) Previous issue date: 2017-02-17 / Research on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has been intensified since the 2000s with the aim of replacing manned vehicles. Its maneuverability makes it capable of handling various types of applications such as surveillance of a particular area, inspection of structures, in difficult to access environments, among others. When the first research began, this type of aerial vehicle was only used for military applications, but at the moment they are studied for other applications; the studies focus on control techniques for stability and flight autonomy. This work aimed the development of an altitude control and attitude of a UAV type quadrotor; the implementation was carried out on the Arduino platform and the flight tests indoors. Design of stability and height control, comparisons between two types of height control, PID (Proportional-Integral-Derivative) and Fuzzy in a Simulink® / MATLAB environment were performed / anos 2000, com o objetivo de substituir os veículos tripulados. Sua manobrabilidade o torna apto a lidar com diversos tipos de aplicações como vigilância de uma determinada área, inspeção de estruturas, em ambientes de difícil acesso, entre outros. Quando as primeiras pesquisas iniciaram, esse tipo de veículo aéreo era usado apenas para aplicações militares, mas atualmente são estudados para outras aplicações; os estudos se concentram em técnicas de controle para estabilidade e autonomia dos voos. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um controle de altitude e atitude de um VANT do tipo quadricóptero; a implementação foi realizada na plataforma Arduino e os testes de voo em ambientes fechados. Foi realizado o controle de estabilidade e de altura, comparações entre dois tipos de controle de altura, PID (Proporcional-Integral-Derivativo) e Fuzzy em ambiente Simulink®/MATLAB / 2017-06-27

Os métodos de controle baseados em dados têm como diferencial utilizar os dados coletados de experimentos para realizar a sintonia do controlador de uma forma direta e sem utilizar nenhum modelo do processo. Um dos métodos já consagrados é o conhecido Iterative Feedback Tuning, método este caracterizado como um algoritmo iterativo de otimização que busca a minimização do critério de desempenho norma H2. O presente trabalho propõe uma extensão baseada no clássico algoritmo Iterative Feedback Tuning para sistemas em formato cascata com duas malhas de controle. O formato cascata com duas malhas de controle é uma estrutura comum e muito utilizada em aplicações de cunho industrial. A sintonia deste tipo de estrutura em metodologias clássicas de controle envolve geralmente duas etapas. Primeiramente a malha interna é sintonizada para então posteriormente a malha externa. A vantagem do método de controle baseado em dados proposto está em realizar a sintonia de ambas as malhas de forma simultânea e concomitantemente. É escolhida como aplicação um veículo aéreo não tripulado com quatro rotores, mais conhecido como quadricóptero. Esta aplicação tem uma dinâmica complexa, uma vez que o sistema é classificado como sendo não-linear e multivariável, algo demonstrado através do equacionamento dinâmico do quadricóptero que é apresentado. Uma série de simulações e experimentos práticos são apresentadas com o intuído de demonstrar a dinâmica descrita no modelo e também demonstrar a aplicação do algoritmo Cascade Iterative Feedback Tuning para os mesmos. / The methods of data-driven control have the distinction to use the data collected from experiments to perform the tuning of the controller directly and without using any process model. One method already established is the Iterative Feedback Tuning, this method is characterized as an iterative optimization algorithm that aims to minimize the H2 norm performance criterion. The present work proposes an extension based on the classical Iterative Feedback Tuning algorithm for cascade systems with two control loops. The cascade format with two loops is a common structure and widely used in industrial applications. In classical control methods, the tuning of this type of structure usually involves two steps. First, the inner loop is tuned and subsequently the outer loop. The advantage of the proposed data-driven control method is to perform this tuning of both controller simultaneously and concurrently. We choose as an application a unmanned aerial vehicle (UAV) with four rotors, better known as quadcopter. This application has a complex dynamic, since the system is classified as being non-linear and multivariable, demonstrated by the quadcopter dynamic equations. A series of simulations and practical experiments are presented to demonstrate the dynamicmodel described and also to validate the method CIFT algorithms.

Os métodos de controle baseados em dados têm como diferencial utilizar os dados coletados de experimentos para realizar a sintonia do controlador de uma forma direta e sem utilizar nenhum modelo do processo. Um dos métodos já consagrados é o conhecido Iterative Feedback Tuning, método este caracterizado como um algoritmo iterativo de otimização que busca a minimização do critério de desempenho norma H2. O presente trabalho propõe uma extensão baseada no clássico algoritmo Iterative Feedback Tuning para sistemas em formato cascata com duas malhas de controle. O formato cascata com duas malhas de controle é uma estrutura comum e muito utilizada em aplicações de cunho industrial. A sintonia deste tipo de estrutura em metodologias clássicas de controle envolve geralmente duas etapas. Primeiramente a malha interna é sintonizada para então posteriormente a malha externa. A vantagem do método de controle baseado em dados proposto está em realizar a sintonia de ambas as malhas de forma simultânea e concomitantemente. É escolhida como aplicação um veículo aéreo não tripulado com quatro rotores, mais conhecido como quadricóptero. Esta aplicação tem uma dinâmica complexa, uma vez que o sistema é classificado como sendo não-linear e multivariável, algo demonstrado através do equacionamento dinâmico do quadricóptero que é apresentado. Uma série de simulações e experimentos práticos são apresentadas com o intuído de demonstrar a dinâmica descrita no modelo e também demonstrar a aplicação do algoritmo Cascade Iterative Feedback Tuning para os mesmos. / The methods of data-driven control have the distinction to use the data collected from experiments to perform the tuning of the controller directly and without using any process model. One method already established is the Iterative Feedback Tuning, this method is characterized as an iterative optimization algorithm that aims to minimize the H2 norm performance criterion. The present work proposes an extension based on the classical Iterative Feedback Tuning algorithm for cascade systems with two control loops. The cascade format with two loops is a common structure and widely used in industrial applications. In classical control methods, the tuning of this type of structure usually involves two steps. First, the inner loop is tuned and subsequently the outer loop. The advantage of the proposed data-driven control method is to perform this tuning of both controller simultaneously and concurrently. We choose as an application a unmanned aerial vehicle (UAV) with four rotors, better known as quadcopter. This application has a complex dynamic, since the system is classified as being non-linear and multivariable, demonstrated by the quadcopter dynamic equations. A series of simulations and practical experiments are presented to demonstrate the dynamicmodel described and also to validate the method CIFT algorithms.

Nesta dissertação é realizado um estudo comparativo entre controladores robustos projetados para sistemas lineares em espaço de estado sujeitos a incertezas paramétricas. O objetivo é resolver problemas de acompanhamento de trajetória de robôs. O estudo é realizado em um robô móvel com tração diferencial e em um quadricóptero. Para tal, é aplicado um Regulador Linear Quadrático Robusto no qual engloba em uma estrutura unificada todos os parâmetros de incerteza de entrada e saída de maneira recursiva, útil em aplicações em tempo real. A fim de demonstrar a eficiência do Regulador Robusto, resultados de simulações e de experimentos são empregados comparando-o com controle Η∞ não linear via teoria dos jogos e com um controle Proporcional-Derivativo mais torque calculado. / This work provides a comparative study between robust controllers for linear statespace systems subject to parametric uncertainties to solve trajectory tracking problems. The study is developed in a mobile robot with differential traction and in a quadricopter. A Robust Linear Quadratic Regulator is applied, which encompasses in a unified framework all input and output uncertain parameters, useful in online applications. In order to show the effectiveness of the robust regulator, simulations and experiments results allow the comparison with nonlinear Η∞ control via game theory and with a Proportional- Derivative control plus computed torque.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente trabalho objetiva o desenvolvimento de uma estratégia de controle adaptativa capaz de estabilizar e atuar no cumprimento de trajetórias de um veículo quadricóptero. O quadricóptero é definido como uma aeronave de pousos de decolagens verticais (VTOL) e emergiu a partir da segunda metade da década de 2000 como uma plataforma promissora para utilização em diversas finalidades devido, principalmente, à sua simplicidade mecânica, alto payload e robustez. Por isso, essa aeronave tem sido vastamente explorada desde então nas publicações da área, preocupando-se, como este trabalho, em propor metodologias numéricas para aprimorar a autonomia e confiabilidade na utilização prática destes veículos. O modelo matemático do helicóptero foi obtido a partir do formalismo de Euler- Lagrange, considerando um corpo rígido, simétrico e tomando a origem do sistema de coordenadas coincidente com o centro de gravidade do veículo. Como forma de se obter um modelo mais fiel à situação real de voo, o Efeito Giroscópio sobre corpo e as hélices foi considerado. Sob a ótica da engenharia de controle, é considerado um sistema subatuado por possuir 4 entradas (associadas às quatro velocidades angulares dos rotores) e seis variáveis de estado (correspondentes às coordenadas generalizadas da mecânica lagrangeana). A partir do modelo obtido, um simulador foi desenvolvido na plataforma Simulink® como método para aferir sobre a eficácia das estratégias de controle propostas. Inicialmente, foi efetivada a estabilização do veículo por um controlador PID clássico e, em seguida, os resultados foram comparados com os dados presentes na literatura a fim de garantir o bom funcionamento da rotina desenvolvida. Finalmente, uma estratégia de controle PID adaptativo foi proposta a partir da implementação de programação heurística baseada em Algoritmos Genéticos para identificar os ganhos ideais dos controladores das coordenadas z, x e y. Os resultados apontaram um considerável ganho de desempenho do método adaptativo sobre o PID clássico para estabilização e seguimento de trajetórias de um veículo quadrirrotor na presença de variação de massa. / This work aims the development of an adaptive control strategy on stabilization and path tracking tasks of a quadrotor vehicle. The quadrotor is defined as a Vertical Take Off and Landing (VTOL) aircraft and it has emerged, in the second half of the 2000s as a promising platform for use in many purposes, mainly due to its mechanical simplicity, high payload and robustness. Therefore, this aircraft has been widely exploited on this area, which researches has focusing, as this work , to propose numerical methods in order to improve the autonomy and reliability in practical use of these vehicles. The helicopter model of the helicopter was obtained from the Euler-Lagrange formalism, considering it as a rigid body, symmetrical and taking the origin of the coordinate system coincides with the center of gravity of the vehicle. In order to obtain a more accurate model compared to the actual flight situation, the Gyro effect on body and propellers was considered. From the perspective of control engineering, it is considered an underactuated system which has 4 inputs (associated with four angular velocities of the rotors) and six state variables (corresponding to generalized coordinates of Lagrangian mechanics) A simulator was developed on Simulink® platform evaluated from the model obtained as a way to check on the effectiveness of the proposed control strategies. Initially, it was implemented a classic PID controller in order to stabilize the, and then the results were compared to the data present in the literature in order to ensure the reliability of the routine implemented. Lastly, an adaptive PID control strategy was proposed from the implementation of heuristic programming based on genetic algorithms to identify optimal gains controllers to the coordinates z , x and y subsystems. The results indicated a significant performance gain of the adaptive method over the classic PID for stabilization and path tracking tasks of a quadrirrotor vehicle in the presence of mass variation. / Dissertação (Mestrado)