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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Uma das maiores dificuldades que enfrentam os engenheiros responsáveis pelo conforto aeronáutico é proporcionar um bom nível de conforto térmico nas aeronaves. O espaço restrito entre os ocupantes, a pequena distância entre as fileiras de bancos, a grande variação de fontes térmicas e os campos de velocidade e temperatura de ar assimétricos, são alguns dos obstáculos que prejudicam as condições térmicas. Estes fatos têm levado a uma série de iniciativas em centros de pesquisa internacionais e no Brasil para melhor caracterizar a complexidade desse ambiente térmico e melhorar as condições de conforto térmico. No presente trabalho foram realizados estudos que lançam a base para a construção de uma metodologia numérica de análise do ambiente térmico de cabine e de avaliação de condições de conforto térmico em aeronaves. Os estudos compreendem a realização de trabalho experimental e de simulação utilizando CFD em seção de cabine de aeronave. Foram realizadas simulações e medições de temperaturas e velocidades do ar e de temperaturas equivalentes em seção de cabine de 12 passageiros, utilizando manequim térmico digital e experimental com 17 segmentos. As pessoas foram simuladas utilizando manequins com fontes de calor. Resultados do trabalho mostram que o modelo de turbulência k- realizável apresentou os melhores resultados com refinamento de malha que permita atingir y+ próximo de 4. Resultados numéricos e experimentais apresentaram uma boa correlação, tanto nos campos de velocidade e temperatura do ar, quanto nas temperaturas equivalentes. Finalmente, a utilização de manequins térmicos digitas e experimentais mostra ser uma boa ferramenta para análise do ambiente térmico em cabine de aeronave. / One of the most difficult tasks for the aerospace interior comfort engineers is to promote a good thermal environment inside the aircraft cabin. The restricted space, asymmetric air velocity and temperature fields and the great variation of thermal environment conditions are some of the obstacles to get good cabin thermal comfort conditions. These facts led to a significant number of international and national research initiatives to understand this complex thermal environment and improve the cabin thermal comfort. In this work some CFD and experimental studies were carried out to form the basis of a numerical cabin thermal comfort analysis methodology. Experimental and CFD analysis of the equivalent temperatures and air velocities and temperatures in a 12 seat cabin mock-up using an experimental and a digital 17 segments thermal manikin were performed. Occupancy was simulated with heated manikins. The results showed that the realizable k- turbulent model gave good results with a y+ around 4 at the manikin surface. Good correlation between numerical and experimental results led to an increased confidence in the use of experimental and digital thermal manikins to evaluate the aircraft cabin thermal ambient.

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