O crescimento do interesse pelas possíveis aplicações civis de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) vem resultando em pressões por diversos setores da sociedade para a regulamentação do uso desse tipo de veículo, sobretudo em espaço aéreo não segregado. No entanto, uma vez que a segurança crítica (safety) no sistema de tráfego aéreo é um item de extrema importância, faz-se necessário aprofundar o conhecimento a respeito do assunto. A fim de se criarem meios que permitam um maior entendimento dos riscos de segurança associados a esse tipo de aplicação, propõe-se nesse trabalho uma abordagem baseada em modelagem e simulação computacional para avaliação de risco de colisão de VANT com outras aeronaves. Os conceitos utilizados para modelagem, implementação e avaliação do VANT são apresentados junto aos resultados preliminares obtidos. Também são apresentados o estado da arte do tema abordado e as atividades futuras de pesquisa a serem realizadas. / The growing interest in possible civil applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has resulted in pressure from various sectors of society to regulate the use of this type of vehicle, especially in non-segregated airspace. However, since the critical safety in the air traffic system is an item of major importance, it is necessary to deepen the knowledge on the subject. In order to create means to permit a better understanding of the safety risks associated with this type of application, it is proposed herein an approach based on computer modeling and simulation for assessment of collision risk of an UAV and other aircraft. The concepts used for modeling, implementation and evaluation of UAVs are presented along with preliminary results. Additionally, the state of the art of the theme discussed and future research activities to be performed are presented as well.

In the past few years, there has been a growth in Unmanned Aircraft Systems (UAS) numbers in segregated airspace. However, although there is an interest in integrating large UAS into non-segregated airspace, the safety challenges on its integration arise from the inclusion of new ways of reaching unsafe states into the airspace. Furthermore, Air Traffic Controllers (ATCo) aim to o?er appropriate levels of safety and efficiency and to solve issues present in complex situations. Although the UAS technology may be used in di?erent situations and brings several advantages to the airspace (e.g. efficiency), it may bring uncertainties due to the fact that ATCos may not be familiar with them. Throughout the years, this impact may be lower then it is nowadays due to the fact that the present lack of familiarity in the relationship between UAS and ATCo contributes to higher workload levels. Furthermore, Terminal Maneuvering Area (TMA), which composes the controlled airspace and in which the final sector in contained, is a critical control area normally established at the confluence of Air Traffic Service (ATS) routes in which the aircraft tend to be closer to each other. Thus, operations in this particular area are conducted carefully and, in order to achieve desirable levels of safety and efficiency, standard procedures are established. In some cases, however, standard procedures cannot be followed and the sequencing of the aircraft during the approach, which is a highly challenging task due to complex maneuvers constraints, must be performed by the ATCo in a manner to respect the minimum separation of aircraft and to avoid flights through cumulonimbus (CB). Finally, the main goal of defining a final arrival segment is to deliver the set of aircraft from the final sector of the TMA to the final phase of its landing procedure, i.e., the final approach, considering the operation efficiency and safety. The main objective of this research is to propose a parallel swarm-based method for optimizing final aircraft arrival segments design, i.e., routes that connects the final sector to the Initial Approach Fix (IAF), considering the UAS presence. This is conducted from two perspectives: ATCo workload, which is related to safety, and sequencing duration, which is related to efficiency. Furthermore, di?erent phases of UAS integration are considered, i.e., from early stages of its integration to a mature stage of its operation by means of the Technology Maturity Level (TML) usage, which is a scale that measure the familiarity between the ATCo with the aircraft. Finally, the solutions consider airspace restrictions such as minimum separation between aircraft and bad weather conditions, i.e., the presence of cumulonimbus (CB). The experiments conducted show that this approach is able to build safe and efficient solution even in situations with a high number of aircraft. / Nos últimos anos, houve um crescimento, no espaço aéreo segregado, nos números do Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT). No entanto, embora exista interesse em integrar grandes VANT em espaço aéreo não-segregado, os desafios de segurança decorrem da inclusão de novas formas de alcançar estados inseguros no espaço aéreo (ATCo) tem como objetivo oferecer níveis adequados de segurança e eficiência e resolver problemas presentes em situações complexas. Embora VANTs possam ser usados em diferentes situações e trazem várias vantagens para o espaço aéreo (por exemplo, eficiência), podem trazer incertezas devido ao fato de que os ATCos não estão familiarizados com essa tecnologia. Ao longo dos anos, esse impacto pode ser menor, e atualmente a falta de familiaridade na relação entre VANT e ATCo contribui para níveis mais altos de carga de trabalho. Além disso, a Área Terminal (TMA), que compõe o espaço aéreo controlado, é uma área de controle crítico normalmente estabelecida na confluência de rotas do Servi¸co de Tráfego Aéreo (ATS), nas quais as aeronaves tendem a estar mais próximas umas das outras. Assim, as operações nesta área particular são realizadas com cuidado e, para alcançar níveis desejáveis de segurança e eficiência, os procedimentos padrão são estabelecidos. Em alguns casos, no entanto, procedimentos padrão não podem ser seguidos e o sequenciamento da aeronave durante a aproximação, que é uma tarefa desafiadora por conta das restrições de manobras complexas, deve ser realizada pelo ATCo de forma a garantir separação mínima entre aeronaves e evitar voos através de cumulonimbus (CB). Finalmente, o principal objetivo de definir um segmento de chegada final ´e entregar o conjunto de aeronaves do setor final, da TMA, para a fase final do seu procedimento de pouso, ou seja, a aproximação final, considerando a eficiência e a segurança da operação. O objetivo desta pesquisa é propor um método paralelo baseado em enxame para otimizar o projeto final de segmentos de chegada de aeronaves, ou seja, rotas que conectem o setor final com o Fixo de Aproximação Inicial (IAF), considerando a presença de VANTs. Esse processo ´e conduzido a partir de duas perspectivas: a carga de trabalho do ATCo, que est´a relacionada à segurança, e a duração da sequenciamento, que está relacionado à eficiência. Além disso, são consideradas diferentes fases da integração de VANTs, ou seja, desde os primeiros estágios de sua integra¸c~ao at´e um estágio maduro de sua operação por meio do uso do Nível de Maturidade Tecnológica (TML), que é uma escala que mede a familiaridade entre o ATCo e a aeronave. Finalmente, as soluções consideram as restrições do espaço aéreo, como a separação mínima entre aeronaves e condições climáticas adversas, isto é, a presença de cumulonimbus (CB). Os experimentos realizados mostram que essa abordagem é capaz de criar soluções seguras e eficientes mesmo em situações com um grande número de aeronaves.

This text presents the development of a four-degree-of-freedom (4DOF) quadcopter prototype that allows the vehicle to rotate around the three axes (yaw, pitch and roll) and linear movement along z-axis (altitude). The goal is to obtain a prototype bench that uses a good amount of components used in commercial quadcopters (sensors and actuators) and use it to apply attitude and altitude controllers, using techniques such as PID, LQR and Sliding-Mode. Starting from the system modeling, its specifications are shown followed by listing the components used, finishing with the development of the controllers and their simulations and applications. / Este texto apresenta o desenvolvimento de um protótipo de quadricóptero com quatro graus de liberdade (4DOF), o qual possibilita a rotação do veículo em torno dos três eixos (yaw, pitch e roll) e o deslocamento ao longo do eixo z (altitude). O objetivo é obter um protótipo de bancada que use a maior quantidade de componentes de um quadricóptero comercial (sensores e atuadores) e usá-lo para a aplicação de controladores de atitude e altitude, utilizando técnicas PID, LQR e Sliding-Mode. Partindo da modelagem do sistema, mostra-se as especificações do mesmo, os componentes utilizados e finaliza-se com o desenvolvimento dos controladores, simulação e aplicação deles.

Esta dissertação visa a modelagem, simulação e controle de um veículo aéreo não tripulado (VANT) do tipo quadricóptero, utilizando-se as técnicas de controle ótimo e controle robusto no espaço de estados. O quadricóptero deve realizar as funções de decolagem, voo em cruzeiro e pouso de maneira autônoma. A dissertação inclui a síntese e análise comparativa entre um observador de estados de ordem plena de Luenberger e um filtro de Kalman. Além disso, um controlador linear quadrático gaussiano e um controlador robusto serão sintetizados e avaliados, procurando-se avaliar qual tem o melhor desempenho nas diversas tarefas do VANT. / This dissertation includes the modeling, simulation and control of a quadrotor unmanned aerial vehicle by using optimum control and robust control techniques on the space state. The quadrotor must perform the takeoff, cruise flight and landing in an autonomous way. This report also presents the synthesis and comparative analysis between a Luenberger full order state observer and a Kalman filter. A linear quadratic gaussian controller and a robust controller will be also synthetized and analyzed, to compare which one exhibits the best performance on the UAV tasks.

Esta dissertação visa a modelagem, simulação e controle de um veículo aéreo não tripulado (VANT) do tipo quadricóptero, utilizando-se as técnicas de controle ótimo e controle robusto no espaço de estados. O quadricóptero deve realizar as funções de decolagem, voo em cruzeiro e pouso de maneira autônoma. A dissertação inclui a síntese e análise comparativa entre um observador de estados de ordem plena de Luenberger e um filtro de Kalman. Além disso, um controlador linear quadrático gaussiano e um controlador robusto serão sintetizados e avaliados, procurando-se avaliar qual tem o melhor desempenho nas diversas tarefas do VANT. / This dissertation includes the modeling, simulation and control of a quadrotor unmanned aerial vehicle by using optimum control and robust control techniques on the space state. The quadrotor must perform the takeoff, cruise flight and landing in an autonomous way. This report also presents the synthesis and comparative analysis between a Luenberger full order state observer and a Kalman filter. A linear quadratic gaussian controller and a robust controller will be also synthetized and analyzed, to compare which one exhibits the best performance on the UAV tasks.

This text presents the development of a four-degree-of-freedom (4DOF) quadcopter prototype that allows the vehicle to rotate around the three axes (yaw, pitch and roll) and linear movement along z-axis (altitude). The goal is to obtain a prototype bench that uses a good amount of components used in commercial quadcopters (sensors and actuators) and use it to apply attitude and altitude controllers, using techniques such as PID, LQR and Sliding-Mode. Starting from the system modeling, its specifications are shown followed by listing the components used, finishing with the development of the controllers and their simulations and applications. / Este texto apresenta o desenvolvimento de um protótipo de quadricóptero com quatro graus de liberdade (4DOF), o qual possibilita a rotação do veículo em torno dos três eixos (yaw, pitch e roll) e o deslocamento ao longo do eixo z (altitude). O objetivo é obter um protótipo de bancada que use a maior quantidade de componentes de um quadricóptero comercial (sensores e atuadores) e usá-lo para a aplicação de controladores de atitude e altitude, utilizando técnicas PID, LQR e Sliding-Mode. Partindo da modelagem do sistema, mostra-se as especificações do mesmo, os componentes utilizados e finaliza-se com o desenvolvimento dos controladores, simulação e aplicação deles.

In the past few years, there has been a growth in Unmanned Aircraft Systems (UAS) numbers in segregated airspace. However, although there is an interest in integrating large UAS into non-segregated airspace, the safety challenges on its integration arise from the inclusion of new ways of reaching unsafe states into the airspace. Furthermore, Air Traffic Controllers (ATCo) aim to o?er appropriate levels of safety and efficiency and to solve issues present in complex situations. Although the UAS technology may be used in di?erent situations and brings several advantages to the airspace (e.g. efficiency), it may bring uncertainties due to the fact that ATCos may not be familiar with them. Throughout the years, this impact may be lower then it is nowadays due to the fact that the present lack of familiarity in the relationship between UAS and ATCo contributes to higher workload levels. Furthermore, Terminal Maneuvering Area (TMA), which composes the controlled airspace and in which the final sector in contained, is a critical control area normally established at the confluence of Air Traffic Service (ATS) routes in which the aircraft tend to be closer to each other. Thus, operations in this particular area are conducted carefully and, in order to achieve desirable levels of safety and efficiency, standard procedures are established. In some cases, however, standard procedures cannot be followed and the sequencing of the aircraft during the approach, which is a highly challenging task due to complex maneuvers constraints, must be performed by the ATCo in a manner to respect the minimum separation of aircraft and to avoid flights through cumulonimbus (CB). Finally, the main goal of defining a final arrival segment is to deliver the set of aircraft from the final sector of the TMA to the final phase of its landing procedure, i.e., the final approach, considering the operation efficiency and safety. The main objective of this research is to propose a parallel swarm-based method for optimizing final aircraft arrival segments design, i.e., routes that connects the final sector to the Initial Approach Fix (IAF), considering the UAS presence. This is conducted from two perspectives: ATCo workload, which is related to safety, and sequencing duration, which is related to efficiency. Furthermore, di?erent phases of UAS integration are considered, i.e., from early stages of its integration to a mature stage of its operation by means of the Technology Maturity Level (TML) usage, which is a scale that measure the familiarity between the ATCo with the aircraft. Finally, the solutions consider airspace restrictions such as minimum separation between aircraft and bad weather conditions, i.e., the presence of cumulonimbus (CB). The experiments conducted show that this approach is able to build safe and efficient solution even in situations with a high number of aircraft. / Nos últimos anos, houve um crescimento, no espaço aéreo segregado, nos números do Veículos Aéreos Não-Tripulados (VANT). No entanto, embora exista interesse em integrar grandes VANT em espaço aéreo não-segregado, os desafios de segurança decorrem da inclusão de novas formas de alcançar estados inseguros no espaço aéreo (ATCo) tem como objetivo oferecer níveis adequados de segurança e eficiência e resolver problemas presentes em situações complexas. Embora VANTs possam ser usados em diferentes situações e trazem várias vantagens para o espaço aéreo (por exemplo, eficiência), podem trazer incertezas devido ao fato de que os ATCos não estão familiarizados com essa tecnologia. Ao longo dos anos, esse impacto pode ser menor, e atualmente a falta de familiaridade na relação entre VANT e ATCo contribui para níveis mais altos de carga de trabalho. Além disso, a Área Terminal (TMA), que compõe o espaço aéreo controlado, é uma área de controle crítico normalmente estabelecida na confluência de rotas do Servi¸co de Tráfego Aéreo (ATS), nas quais as aeronaves tendem a estar mais próximas umas das outras. Assim, as operações nesta área particular são realizadas com cuidado e, para alcançar níveis desejáveis de segurança e eficiência, os procedimentos padrão são estabelecidos. Em alguns casos, no entanto, procedimentos padrão não podem ser seguidos e o sequenciamento da aeronave durante a aproximação, que é uma tarefa desafiadora por conta das restrições de manobras complexas, deve ser realizada pelo ATCo de forma a garantir separação mínima entre aeronaves e evitar voos através de cumulonimbus (CB). Finalmente, o principal objetivo de definir um segmento de chegada final ´e entregar o conjunto de aeronaves do setor final, da TMA, para a fase final do seu procedimento de pouso, ou seja, a aproximação final, considerando a eficiência e a segurança da operação. O objetivo desta pesquisa é propor um método paralelo baseado em enxame para otimizar o projeto final de segmentos de chegada de aeronaves, ou seja, rotas que conectem o setor final com o Fixo de Aproximação Inicial (IAF), considerando a presença de VANTs. Esse processo ´e conduzido a partir de duas perspectivas: a carga de trabalho do ATCo, que est´a relacionada à segurança, e a duração da sequenciamento, que está relacionado à eficiência. Além disso, são consideradas diferentes fases da integração de VANTs, ou seja, desde os primeiros estágios de sua integra¸c~ao at´e um estágio maduro de sua operação por meio do uso do Nível de Maturidade Tecnológica (TML), que é uma escala que mede a familiaridade entre o ATCo e a aeronave. Finalmente, as soluções consideram as restrições do espaço aéreo, como a separação mínima entre aeronaves e condições climáticas adversas, isto é, a presença de cumulonimbus (CB). Os experimentos realizados mostram que essa abordagem é capaz de criar soluções seguras e eficientes mesmo em situações com um grande número de aeronaves.

O crescimento do interesse pelas possíveis aplicações civis de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) vem resultando em pressões por diversos setores da sociedade para a regulamentação do uso desse tipo de veículo, sobretudo em espaço aéreo não segregado. No entanto, uma vez que a segurança crítica (safety) no sistema de tráfego aéreo é um item de extrema importância, faz-se necessário aprofundar o conhecimento a respeito do assunto. A fim de se criarem meios que permitam um maior entendimento dos riscos de segurança associados a esse tipo de aplicação, propõe-se nesse trabalho uma abordagem baseada em modelagem e simulação computacional para avaliação de risco de colisão de VANT com outras aeronaves. Os conceitos utilizados para modelagem, implementação e avaliação do VANT são apresentados junto aos resultados preliminares obtidos. Também são apresentados o estado da arte do tema abordado e as atividades futuras de pesquisa a serem realizadas. / The growing interest in possible civil applications of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has resulted in pressure from various sectors of society to regulate the use of this type of vehicle, especially in non-segregated airspace. However, since the critical safety in the air traffic system is an item of major importance, it is necessary to deepen the knowledge on the subject. In order to create means to permit a better understanding of the safety risks associated with this type of application, it is proposed herein an approach based on computer modeling and simulation for assessment of collision risk of an UAV and other aircraft. The concepts used for modeling, implementation and evaluation of UAVs are presented along with preliminary results. Additionally, the state of the art of the theme discussed and future research activities to be performed are presented as well.

Recentemente, um crescente número de institutos de pesquisa pelo mundo tem focado seus estudos em veículos aéreos não tripulados (VANT ou, em inglês, UAV - Unmanned Aerial Vehicle), que se revelam muito úteis tanto em aplicações militares quanto civis, pois suas principais vantagens são: a alta confiabilidade, baixo risco à vida, reduzido custo de implantação e manutenção. A pesquisa apresentada neste trabalho integra-se ao projeto BR-UAV em desenvolvimento na empresa Xmobots Sistemas Robóticos LTDA e no Laboratório de Veículos Não Tripulados (LVNT) da Escola Politécnica da USP. O projeto BR-UAV visa a contribuir para a inserção desta tecnologia no país e, para tanto, desenvolve atualmente a plataforma, aviônica e sistema de controle autônomo voltados ao objetivo de monitoramento no espectro visível e infravermelho. O principal requisito do projeto BR-UAV é o desenvolvimento de um sistema aéreo não tripulado capaz de voar dentro do espaço aéreo controlado. Esta pesquisa foca no desenvolvimento do software embarcado, assim este software deve ser desenvolvido de acordo com uma metodologia direcionada a homologação. Por isso, este trabalho propõe uma metodologia que foi baseada em cinco elementos: processo de desenvolvimento, normas, ferramentas de sistema operacional, ferramentas de aplicação e ferramentas matemáticas. Após o estabelecimento dos objetivos, de uma análise do estado da arte em sistemas aviônicos, e da metodologia de certificação, o processo de desenvolvimento foi inicializado. Na fase de engenharia de sistemas, os requisitos de sistema foram capturados. Então a arquitetura de sistema (hardware e software) foi modelada e analisada. A partir desta modelagem de sistema, os requisitos funcionais e temporais de software puderam ser capturados na etapa de análise da fase de engenharia de software. Na etapa de Implementação, o interior dos agentes foi codificado.Além disso, foi implementado o filtro de Kalman estendido para integrar informações de GPS, unidade de medição inercial e bússola. Na etapa de Testes, foram realizados testes de integração funcional e de desempenho computacional. Os resultados demonstraram que o sistema atendeu a todos os requisitos consumindo 38.3% de processamento. Finalmente, os próximos passos desta pesquisa são discutidos. / Recently, an increasing number of research institutes around the world has been focusing their efforts in the study of unmanned aerial vehicles (UAV), which have proved to be very useful both in military and civil applications because of their major advantages: high reliability, reduced risk to life, reduced maintenance and implantation costs. The research presented in this work is part of the BR-UAV project, which is in development at XMobots Sistemas Robóticos LTDA and at the Laboratório de Veículos Não Tripulados of USP (Brazil). This project aims to contribute for the insertion of this technology in Brazil. Particularly, at the present stage, the project includes the development of the platform, avionics and autonomous control system for environment monitoring via visible and infrared spectrums. The main requirement of BR-UAV Project is the development of an unmanned aerial system that could flight in controlled airspace. This research is focused on the development of embedded software, and therefore this software should be developed according to a certification methodology. For this purpose, this work proposes a methodology that was based into five guidelines: development process, norms, operating system tools, application tools and mathematical tools. The development process was started after the statement of objectives and the analysis of the state of art on UAV avionics. In the systems engineering phase, system requirements were captured and then the system architecture (hardware and software) was modeled and analyzed. From the system modeling, the functional and temporal software requirements could be captured in the analysis stage of the software engineering phase. In the Implementation stage, the agents were coded as well as the Extended Kalman Filter for integrating information from GPS, inertial measurement unit and Compass sensors. In the Tests stage, integration tests were performed.The results showed that the system could fulfill requirements using 38.3% of processing consumption. Finally, the next steps of this research are discussed.

Recentemente, um crescente número de institutos de pesquisa pelo mundo tem focado seus estudos em veículos aéreos não tripulados (VANT ou, em inglês, UAV - Unmanned Aerial Vehicle), que se revelam muito úteis tanto em aplicações militares quanto civis, pois suas principais vantagens são: a alta confiabilidade, baixo risco à vida, reduzido custo de implantação e manutenção. A pesquisa apresentada neste trabalho integra-se ao projeto BR-UAV em desenvolvimento na empresa Xmobots Sistemas Robóticos LTDA e no Laboratório de Veículos Não Tripulados (LVNT) da Escola Politécnica da USP. O projeto BR-UAV visa a contribuir para a inserção desta tecnologia no país e, para tanto, desenvolve atualmente a plataforma, aviônica e sistema de controle autônomo voltados ao objetivo de monitoramento no espectro visível e infravermelho. O principal requisito do projeto BR-UAV é o desenvolvimento de um sistema aéreo não tripulado capaz de voar dentro do espaço aéreo controlado. Esta pesquisa foca no desenvolvimento do software embarcado, assim este software deve ser desenvolvido de acordo com uma metodologia direcionada a homologação. Por isso, este trabalho propõe uma metodologia que foi baseada em cinco elementos: processo de desenvolvimento, normas, ferramentas de sistema operacional, ferramentas de aplicação e ferramentas matemáticas. Após o estabelecimento dos objetivos, de uma análise do estado da arte em sistemas aviônicos, e da metodologia de certificação, o processo de desenvolvimento foi inicializado. Na fase de engenharia de sistemas, os requisitos de sistema foram capturados. Então a arquitetura de sistema (hardware e software) foi modelada e analisada. A partir desta modelagem de sistema, os requisitos funcionais e temporais de software puderam ser capturados na etapa de análise da fase de engenharia de software. Na etapa de Implementação, o interior dos agentes foi codificado.Além disso, foi implementado o filtro de Kalman estendido para integrar informações de GPS, unidade de medição inercial e bússola. Na etapa de Testes, foram realizados testes de integração funcional e de desempenho computacional. Os resultados demonstraram que o sistema atendeu a todos os requisitos consumindo 38.3% de processamento. Finalmente, os próximos passos desta pesquisa são discutidos. / Recently, an increasing number of research institutes around the world has been focusing their efforts in the study of unmanned aerial vehicles (UAV), which have proved to be very useful both in military and civil applications because of their major advantages: high reliability, reduced risk to life, reduced maintenance and implantation costs. The research presented in this work is part of the BR-UAV project, which is in development at XMobots Sistemas Robóticos LTDA and at the Laboratório de Veículos Não Tripulados of USP (Brazil). This project aims to contribute for the insertion of this technology in Brazil. Particularly, at the present stage, the project includes the development of the platform, avionics and autonomous control system for environment monitoring via visible and infrared spectrums. The main requirement of BR-UAV Project is the development of an unmanned aerial system that could flight in controlled airspace. This research is focused on the development of embedded software, and therefore this software should be developed according to a certification methodology. For this purpose, this work proposes a methodology that was based into five guidelines: development process, norms, operating system tools, application tools and mathematical tools. The development process was started after the statement of objectives and the analysis of the state of art on UAV avionics. In the systems engineering phase, system requirements were captured and then the system architecture (hardware and software) was modeled and analyzed. From the system modeling, the functional and temporal software requirements could be captured in the analysis stage of the software engineering phase. In the Implementation stage, the agents were coded as well as the Extended Kalman Filter for integrating information from GPS, inertial measurement unit and Compass sensors. In the Tests stage, integration tests were performed.The results showed that the system could fulfill requirements using 38.3% of processing consumption. Finally, the next steps of this research are discussed.