Este trabalho aborda o controle de um veículo aéreo não tripulado (VANT) com carga pendular acoplada. Veículos autônomos apresentam desafios de controle dadas suas características como não linearidades, acoplamento de movimentos, dinâmicas desconhecidas, distúrbios ambientais e ser um sistema do tipo subatuado. O veículo aqui estudado apresenta seis graus de liberdade relativos ao movimento de corpo livre do robô e dois graus de liberdade adicionados pela carga pendular acoplada. Seu modelo matemático é deduzido através das equações de Lagrange, linearizado em torno do ponto de operação e validado através de simulações. O projeto de controle é baseado nos controladores lineares dos tipos PID, LQR e H? para sistemas multivariáveis. Uma vez obtidos os controladores, são apresentadas as simulações para três cenários distintos considerando estabilização a partir de condições iniciais e perturbações e incertezas. Os controladores resultantes das sínteses são simulados com a planta linear e não linear e verificados conforme seu desempenho. / The present work is focused on the stabilization control of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) connected with a slung load. UAV Control is a challenging subject due its characteristics such as non-linearities, coupling dynamics, unknown dynam-ics, environmental disturbances which they are subjected and their underactuated nature. The vehicle presents six degrees of freedom relative to its free body configu-ration and two additional degrees of freedom for it slung load coupling. The mathe-matical model is derived for this configuration through the Lagrange approach, further linearized around its operation point and validated through simulations. The Control Design is based on three different linear controllers, PID, LQR and H? for multivariate systems. Once designed, they are simulated with the linear-ized plant and the non-linearized plant considering three different scenarios for stabi-lization. Finally, the controllers are tested and simulated on a virtual model and the results are presented and discussed.

Este trabalho aborda o controle de um veículo aéreo não tripulado (VANT) com carga pendular acoplada. Veículos autônomos apresentam desafios de controle dadas suas características como não linearidades, acoplamento de movimentos, dinâmicas desconhecidas, distúrbios ambientais e ser um sistema do tipo subatuado. O veículo aqui estudado apresenta seis graus de liberdade relativos ao movimento de corpo livre do robô e dois graus de liberdade adicionados pela carga pendular acoplada. Seu modelo matemático é deduzido através das equações de Lagrange, linearizado em torno do ponto de operação e validado através de simulações. O projeto de controle é baseado nos controladores lineares dos tipos PID, LQR e H? para sistemas multivariáveis. Uma vez obtidos os controladores, são apresentadas as simulações para três cenários distintos considerando estabilização a partir de condições iniciais e perturbações e incertezas. Os controladores resultantes das sínteses são simulados com a planta linear e não linear e verificados conforme seu desempenho. / The present work is focused on the stabilization control of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) connected with a slung load. UAV Control is a challenging subject due its characteristics such as non-linearities, coupling dynamics, unknown dynam-ics, environmental disturbances which they are subjected and their underactuated nature. The vehicle presents six degrees of freedom relative to its free body configu-ration and two additional degrees of freedom for it slung load coupling. The mathe-matical model is derived for this configuration through the Lagrange approach, further linearized around its operation point and validated through simulations. The Control Design is based on three different linear controllers, PID, LQR and H? for multivariate systems. Once designed, they are simulated with the linear-ized plant and the non-linearized plant considering three different scenarios for stabi-lization. Finally, the controllers are tested and simulated on a virtual model and the results are presented and discussed.

A operação de veículos autônomos necessita de meios para evitar colisões quando obstáculos não conhecidos previamente são interpostos em sua trajetória. Algoritmos para executar o desvio e sensores apropriados para a detecção destes obstáculos são essenciais para a operação destes veículos. Esta dissertação apresenta estudos sobre quatro algoritmos de desvio de obstáculos e tecnologia de três tipos de sensores aplicáveis à operação de veículos autônomos. Após os estudos teóricos, um dos algoritmos foi testado para a comprovação da aplicabilidade ao veículo de teste. A etapa experimental foi a realização de um programa, escrito em linguagem de programação Java, que aplicou o algoritmo Inseto 2 para o desvio de obstáculos em uma plataforma robótica (Robodeck) com o uso de sensores ultrassônicos embarcados na referida plataforma. Os experimentos foram conduzidos em ambiente fechado (indoor), bidimensional e horizontal (plano), fazendo o Robodeck executar uma trajetória. Para os testes, obstáculos foram colocados para simular situações variadas e avaliar a eficácia do algoritmo nestas configurações de caminho. O algoritmo executou o desvio dos obstáculos com sucesso e, quando havia solução para a trajetória, ela foi encontrada. Quando não havia solução, o algoritmo detectou esta situação e parou o veículo. / The operation of autonomous vehicles need means to avoid collisions when unforeseen obstacles are posed in its trajectory. Algorithms to perform the deviation and suitable sensors for detecting these obstacles are essential for the operation of such vehicles. This dissertation presents studies on four obstacle avoidance algorithms and technology of three types of sensors applicable to the operation of autonomous vehicles. After the theoretical studies, one of the algorithms has been tested for evidence of applicability to the test vehicle. The experimental phase was the implementation of a program written in Java programming language, which applied the Insect 2 algorithm for obstacle avoidance in a robotic platform (Robodeck) using ultrasonic sensors embedded in the platform. The experiments were conducted in a closed environment (indoor), two-dimensional and flat, making Robodeck perform a trajectory. For testing, obstacles were placed to simulate various situations and evaluating the algorithm efficacy for these path configurations. The algorithm successfully performed the deviation of obstacles and, when there was a solution to the trajectory, it was found. When there was no solution, the algorithm has detected this situation and stopped the vehicle.

Devido à grande importância do ambiente aquático sobre a vida humana e às dificuldades inerentes ao seu estudo e exploração, a aplicação de AUVs tem se mostrado bastante benéfica e seu uso vem crescendo ao longo dos anos. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos para realização de missões oceanográficas, com foco nas características de seus sistemas embarcados que permitam atender melhor os requisitos desta aplicação. Analisando trabalhos publicados nos últimos anos pode-se notar uma grande quantidade de AUVs desenvolvidos ou adaptados para aplicações em oceanografia, com uma grande variedade de soluções aplicadas em seus diversos sistemas, visando a realização de diversos tipos de missões necessárias para tais estudos. Como estudo de caso, foi apresentada a adaptação do AUV Pirajuba, desenvolvido inicialmente como uma plataforma de testes hidrodinâmicos, para aplicação em missões de levantamento de dados para estudos oceanográficos. Para tal, foi necessário realizar uma série de modificações em seus subsistemas, permitindo a instalação de novos sensores e equipamentos para aumento da segurança nas operações em mar aberto. As modificações necessárias envolveram tanto o sistema hidromecânico do veículo, com instalação de novos módulos no casco, quanto no seu sistema embarcado, implicando no desenvolvimento de uma nova versão do sistema de hardware e uma atualização no software de controle. Tendo em vista esta necessidade, foi proposto um estudo dos requisitos da aplicação oceanográfica de AUVs e os impactos no seu desenvolvimento. Para isso, foi realizado um levantamento dos requisitos das principais aplicações oceanográficas e seus impactos no desenvolvimento dos veículos, envolvendo os sistemas hidromecânico, energia, navegação, comunicação e controle. Foi realizado também um estudo da arquitetura de controle CANARMES, desenvolvida para o AUV Pirajuba, envolvendo os requisitos de seu projeto e as principais características da arquitetura de controle, que serviu como base para a atualização do veículo para as novas aplicações. São apresentados os resultados obtidos em testes de campo realizados no litoral de Ubatuba - SP, nos quais foram feitas manobras com movimentação vertical com a aquisição de dados de diversos sensores oceanográficos, utilizados para o estudo de detecção de camadas finas. / Due to the great importance of the aquatic environment on human life and the inherent difficulties of its study and exploration, the application of AUVs has been shown to be very beneficial and its use has been growing over the years. This work presents a study on the development of autonomous submarine vehicles for the accomplishment of oceanographic missions, focusing on the characteristics of the embedded systems of these vehicles in order to better meet the application requirements. Analyzing published works in the last five years, it can be noticed a great amount of AUVs developed or adapted for applications in oceanography, with a great variety of solutions applied in their embedded systems, involving both hardware and software, aiming at the accomplishment of several types of missions necessary for such studies. As a case study, the adaptation of the AUV Pirajuba, initially developed as a platform for hydrodynamic tests, was presented for application in data collection missions for oceanographic studies. For this, it was necessary to make a series of modifications in its subsystems, allowing the installation of new sensors and equipment to increase the safety in the operations in the open sea. The necessary modifications involved both the vehicle\'s hydromechanical system, with the installation of new modules in the hull, and in its embedded system, requiring the development of a new version of the hardware system and an update in the control software. Due to this necessities, a study was proposed to better understand the requirements of AUVs for oceanographic application and the impacts on their development. For that, a survey was made of the requirements of the main oceanographic applications and their impacts on the development of the vehicles, involving the hydromechanical, energy, navigation, communication and control systems. A study of the CANARMES control architecture, developed for the Pirajuba AUV, was carried out, involving the requirements of its design and the main characteristics of the control architecture, which served as a basis for updating the vehicle for new applications. We present the results obtained in field tests conducted in the coastal area of Ubatuba - SP, Brazil, in which maneuvers were performed with vertical movement, while acquiring data from several oceanographic sensors, used for the study of thin layer detection.

A operação de veículos autônomos necessita de meios para evitar colisões quando obstáculos não conhecidos previamente são interpostos em sua trajetória. Algoritmos para executar o desvio e sensores apropriados para a detecção destes obstáculos são essenciais para a operação destes veículos. Esta dissertação apresenta estudos sobre quatro algoritmos de desvio de obstáculos e tecnologia de três tipos de sensores aplicáveis à operação de veículos autônomos. Após os estudos teóricos, um dos algoritmos foi testado para a comprovação da aplicabilidade ao veículo de teste. A etapa experimental foi a realização de um programa, escrito em linguagem de programação Java, que aplicou o algoritmo Inseto 2 para o desvio de obstáculos em uma plataforma robótica (Robodeck) com o uso de sensores ultrassônicos embarcados na referida plataforma. Os experimentos foram conduzidos em ambiente fechado (indoor), bidimensional e horizontal (plano), fazendo o Robodeck executar uma trajetória. Para os testes, obstáculos foram colocados para simular situações variadas e avaliar a eficácia do algoritmo nestas configurações de caminho. O algoritmo executou o desvio dos obstáculos com sucesso e, quando havia solução para a trajetória, ela foi encontrada. Quando não havia solução, o algoritmo detectou esta situação e parou o veículo. / The operation of autonomous vehicles need means to avoid collisions when unforeseen obstacles are posed in its trajectory. Algorithms to perform the deviation and suitable sensors for detecting these obstacles are essential for the operation of such vehicles. This dissertation presents studies on four obstacle avoidance algorithms and technology of three types of sensors applicable to the operation of autonomous vehicles. After the theoretical studies, one of the algorithms has been tested for evidence of applicability to the test vehicle. The experimental phase was the implementation of a program written in Java programming language, which applied the Insect 2 algorithm for obstacle avoidance in a robotic platform (Robodeck) using ultrasonic sensors embedded in the platform. The experiments were conducted in a closed environment (indoor), two-dimensional and flat, making Robodeck perform a trajectory. For testing, obstacles were placed to simulate various situations and evaluating the algorithm efficacy for these path configurations. The algorithm successfully performed the deviation of obstacles and, when there was a solution to the trajectory, it was found. When there was no solution, the algorithm has detected this situation and stopped the vehicle.

Devido à grande importância do ambiente aquático sobre a vida humana e às dificuldades inerentes ao seu estudo e exploração, a aplicação de AUVs tem se mostrado bastante benéfica e seu uso vem crescendo ao longo dos anos. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desenvolvimento de veículos autônomos submarinos para realização de missões oceanográficas, com foco nas características de seus sistemas embarcados que permitam atender melhor os requisitos desta aplicação. Analisando trabalhos publicados nos últimos anos pode-se notar uma grande quantidade de AUVs desenvolvidos ou adaptados para aplicações em oceanografia, com uma grande variedade de soluções aplicadas em seus diversos sistemas, visando a realização de diversos tipos de missões necessárias para tais estudos. Como estudo de caso, foi apresentada a adaptação do AUV Pirajuba, desenvolvido inicialmente como uma plataforma de testes hidrodinâmicos, para aplicação em missões de levantamento de dados para estudos oceanográficos. Para tal, foi necessário realizar uma série de modificações em seus subsistemas, permitindo a instalação de novos sensores e equipamentos para aumento da segurança nas operações em mar aberto. As modificações necessárias envolveram tanto o sistema hidromecânico do veículo, com instalação de novos módulos no casco, quanto no seu sistema embarcado, implicando no desenvolvimento de uma nova versão do sistema de hardware e uma atualização no software de controle. Tendo em vista esta necessidade, foi proposto um estudo dos requisitos da aplicação oceanográfica de AUVs e os impactos no seu desenvolvimento. Para isso, foi realizado um levantamento dos requisitos das principais aplicações oceanográficas e seus impactos no desenvolvimento dos veículos, envolvendo os sistemas hidromecânico, energia, navegação, comunicação e controle. Foi realizado também um estudo da arquitetura de controle CANARMES, desenvolvida para o AUV Pirajuba, envolvendo os requisitos de seu projeto e as principais características da arquitetura de controle, que serviu como base para a atualização do veículo para as novas aplicações. São apresentados os resultados obtidos em testes de campo realizados no litoral de Ubatuba - SP, nos quais foram feitas manobras com movimentação vertical com a aquisição de dados de diversos sensores oceanográficos, utilizados para o estudo de detecção de camadas finas. / Due to the great importance of the aquatic environment on human life and the inherent difficulties of its study and exploration, the application of AUVs has been shown to be very beneficial and its use has been growing over the years. This work presents a study on the development of autonomous submarine vehicles for the accomplishment of oceanographic missions, focusing on the characteristics of the embedded systems of these vehicles in order to better meet the application requirements. Analyzing published works in the last five years, it can be noticed a great amount of AUVs developed or adapted for applications in oceanography, with a great variety of solutions applied in their embedded systems, involving both hardware and software, aiming at the accomplishment of several types of missions necessary for such studies. As a case study, the adaptation of the AUV Pirajuba, initially developed as a platform for hydrodynamic tests, was presented for application in data collection missions for oceanographic studies. For this, it was necessary to make a series of modifications in its subsystems, allowing the installation of new sensors and equipment to increase the safety in the operations in the open sea. The necessary modifications involved both the vehicle\'s hydromechanical system, with the installation of new modules in the hull, and in its embedded system, requiring the development of a new version of the hardware system and an update in the control software. Due to this necessities, a study was proposed to better understand the requirements of AUVs for oceanographic application and the impacts on their development. For that, a survey was made of the requirements of the main oceanographic applications and their impacts on the development of the vehicles, involving the hydromechanical, energy, navigation, communication and control systems. A study of the CANARMES control architecture, developed for the Pirajuba AUV, was carried out, involving the requirements of its design and the main characteristics of the control architecture, which served as a basis for updating the vehicle for new applications. We present the results obtained in field tests conducted in the coastal area of Ubatuba - SP, Brazil, in which maneuvers were performed with vertical movement, while acquiring data from several oceanographic sensors, used for the study of thin layer detection.

A crescente demanda por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) tem sido objeto de preocupação por parte das organizações internacionais responsáveis pela segurança do espaço aéreo. O uso de VANT em condições restritas tem sido realizado pelos interessados e envolvidos, mas para que o VANT seja economicamente viável, há a necessidade de regulamentação ainda não existente para sua integração segura no Espaço Aéreo Controlado e Não Segregado. Em função dessa demanda não atendida, nesta Tese foi desenvolvido um método (Safety-VANT) que avalia a segurança crítica da condução do VANT, tarefa realizada por um Sistema Autônomo de Pilotagem. O desenvolvimento do Método Safety-VANT tem como missão fornecer aos órgãos reguladores, assim como aos desenvolvedores de VANT, meios de quantificar a avaliação de segurança na navegabilidade aérea dessas aeronaves. Uma hipótese considerada para o método é a de que o hardware e software (aviônicos, fuselagem, sensores e atuadores) do VANT estejam previamente avaliados e certificados pelos mesmos procedimentos e regras aplicáveis para os equipamentos de aeronaves tripuladas. Essa hipótese permitiu que o desenvolvimento do método de avaliação de segurança Safety-VANT fosse direcionado para avaliar a capacidade de comando autônomo de um VANT para voar, navegar e comunicar de acordo com as regras do sistema de gerenciamento e controle do tráfego aéreo. A aplicação do Safety-VANT foi exercitada sob um VANT hipotético definido como sendo capaz de voar, navegar e se comunicar com o Controle de Tráfego Aéreo e que tenha os equipamentos e estrutura da aeronave (fuselagem) que o constitui, devidamente certificados. Adicionalmente são realizadas considerações sobre como implantar a utilização do Safety-VANT no desenvolvimento de VANT Autônomo com a missão de ser integrado no Espaço Aéreo. / The growing demand for unmanned aerial vehicles (UAV) has been a subject of concern on the part of international organizations responsible for airspace safety. UAV has been used by stakeholders in strict conditions, but for UAV to become economically viable, it is necessary to issue regulations that still do not exist for safe integration in the controlled non-segregated airspace. In the light of this unattended demand, a method (Safety-VANT) was developed in this Thesis to evaluate the critical safety of UAV conduction, a task performed by a Piloting Autonomous System. The development of the Safety-VANT method aims to provide UAV regulators and developers, means of quantifying the safety assessment in the aircraft airworthiness. A hypothesis used in the method considers that the UAV hardware and software (avionics, fairing, sensors and actuators) are previously evaluated and certified by the same procedures and rules applicable to manned aircraft equipment. This hypothesis allowed the Safety-VANT - the developed safety assessment method - to evaluate the ability of an autonomous command embedded in an UAV to fly, to navigate and to communicate, according to the management of air navigation system rules. The Safety-VANT application was exercised under a hypothetical UAV set to being able to fly, to navigate and to communicate with Air Traffic Control and it has the equipment and the certified aircraft structure (fairing). In addition, considerations are performed for deploying the use of Safety-VANT in autonomous UAV development to integrate it into the Airspace.

A crescente demanda por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) tem sido objeto de preocupação por parte das organizações internacionais responsáveis pela segurança do espaço aéreo. O uso de VANT em condições restritas tem sido realizado pelos interessados e envolvidos, mas para que o VANT seja economicamente viável, há a necessidade de regulamentação ainda não existente para sua integração segura no Espaço Aéreo Controlado e Não Segregado. Em função dessa demanda não atendida, nesta Tese foi desenvolvido um método (Safety-VANT) que avalia a segurança crítica da condução do VANT, tarefa realizada por um Sistema Autônomo de Pilotagem. O desenvolvimento do Método Safety-VANT tem como missão fornecer aos órgãos reguladores, assim como aos desenvolvedores de VANT, meios de quantificar a avaliação de segurança na navegabilidade aérea dessas aeronaves. Uma hipótese considerada para o método é a de que o hardware e software (aviônicos, fuselagem, sensores e atuadores) do VANT estejam previamente avaliados e certificados pelos mesmos procedimentos e regras aplicáveis para os equipamentos de aeronaves tripuladas. Essa hipótese permitiu que o desenvolvimento do método de avaliação de segurança Safety-VANT fosse direcionado para avaliar a capacidade de comando autônomo de um VANT para voar, navegar e comunicar de acordo com as regras do sistema de gerenciamento e controle do tráfego aéreo. A aplicação do Safety-VANT foi exercitada sob um VANT hipotético definido como sendo capaz de voar, navegar e se comunicar com o Controle de Tráfego Aéreo e que tenha os equipamentos e estrutura da aeronave (fuselagem) que o constitui, devidamente certificados. Adicionalmente são realizadas considerações sobre como implantar a utilização do Safety-VANT no desenvolvimento de VANT Autônomo com a missão de ser integrado no Espaço Aéreo. / The growing demand for unmanned aerial vehicles (UAV) has been a subject of concern on the part of international organizations responsible for airspace safety. UAV has been used by stakeholders in strict conditions, but for UAV to become economically viable, it is necessary to issue regulations that still do not exist for safe integration in the controlled non-segregated airspace. In the light of this unattended demand, a method (Safety-VANT) was developed in this Thesis to evaluate the critical safety of UAV conduction, a task performed by a Piloting Autonomous System. The development of the Safety-VANT method aims to provide UAV regulators and developers, means of quantifying the safety assessment in the aircraft airworthiness. A hypothesis used in the method considers that the UAV hardware and software (avionics, fairing, sensors and actuators) are previously evaluated and certified by the same procedures and rules applicable to manned aircraft equipment. This hypothesis allowed the Safety-VANT - the developed safety assessment method - to evaluate the ability of an autonomous command embedded in an UAV to fly, to navigate and to communicate, according to the management of air navigation system rules. The Safety-VANT application was exercised under a hypothetical UAV set to being able to fly, to navigate and to communicate with Air Traffic Control and it has the equipment and the certified aircraft structure (fairing). In addition, considerations are performed for deploying the use of Safety-VANT in autonomous UAV development to integrate it into the Airspace.