El presente trabajo tuvo como objetivo el diseño de un Vehículo Aéreo no Tripulado (VANT) de tipo multirotor con capacidad de carga de hasta un kilogramo - que puede representar una cámara o sensores para el monitoreo de una variable en específico. En la primera parte se hizo una revisión de la bibliografía y estado del arte de los sistemas aéreos no tripulados. Luego, se procedió a definir los requisitos para el diseño de la unidad. Debido a que el desarrollo de estos equipos es reciente, no existen publicaciones o libros que detallen una metodología para la selección de los componentes, por lo que en esta tesis se diseñó e implementó una propia que permitió seleccionar el sistema de propulsión óptimo que incluye los motores, las hélices y las baterías. En la siguiente etapa se diseñó la estructura para alojar a todos los componentes del VANT. Se realizó una simulación de las cargas para evaluar la resistencia, aerodinámica y vibraciones del VANT mediante un software de elementos. Los resultados fueron positivos, por lo que se puede asegurar un correcto funcionamiento ante una futura implementación. Finalmente, el resultado de este trabajo culminó con una lista de componentes, planos y un presupuesto de alrededor de $6300 en los que se incluye los costos de materiales, diseño de ingeniería y manufactura. El VANT diseñado tiene como dimensiones generales 1014x1007x200 mm, tiene un peso de alrededor de los 7.5 kg y está en capacidad transportar consigo una carga de un kilogramo con vientos de hasta 8 m/s. / Tesis

Dissertação (Mestrado)—Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Elétrica, 2011. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2012-04-24T16:30:45Z No. of bitstreams: 1 2011_RobertoSouzaBaptista.pdf: 4333328 bytes, checksum: f5dad7de6d2d6f4dcf3af0ccd996e2a9 (MD5) / Approved for entry into archive by Elzi Bittencourt(elzi@bce.unb.br) on 2012-05-01T13:28:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2011_RobertoSouzaBaptista.pdf: 4333328 bytes, checksum: f5dad7de6d2d6f4dcf3af0ccd996e2a9 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-05-01T13:28:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2011_RobertoSouzaBaptista.pdf: 4333328 bytes, checksum: f5dad7de6d2d6f4dcf3af0ccd996e2a9 (MD5) / Esta dissertação foca em diversos aspectos inerentes ao desenvolvimento de uma plata- forma VANT de asa fixa autônoma. Primeiramente é apresentado um modelo analítico de um mini-VANT através do equacionamento por meio das Leis da Física. O resultado é um modelo completo não linear que representa a dinâmica do sistema e os acoplamentos entre as variáveis de interesse. Esse equacionamento é utilizado na implementação computacional de um simulador para o comportamento dinâmico do sistema. Levando em consideração a complexidade e incertezas associadas ao sistema, um controlador H∞ não linear é desenvolvido para o controle de atitude da aeronave. Ainda neste contexto, um novo algoritmo de identificação de sistemas híbridos é proposto com o objetivo de representar um sistema complexo e não linear a partir de uma série de modelos lineares simples. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT / This dissertation addresses several aspects related to the development of an autonomous fixed wing UAV platform. As a start point, a first principles model is presented for a mini-UAV. The result is a complete model that represents the nonlinear dynamics of the system and the coupling between the variables of interest. This equation is used for the computational implementation of a flight simulator for the dynamic behavior of the system. Considering the complexity and uncertainties associated with the system, an H∞ controller is developed for nonlinear attitude control of the aircraft. Also in this context, a new algorithm for identi- fication of hybrid systems is proposed in order to represent a complex and nonlinear system from a series of simple linear models.

Se propone el diseño de un vehículo aéreo no tripulado del tipo cuadricóptero (UAV que posee cuatro propulsores que permiten el impulso del sistema) que pueda sobrevolar la Amazonía peruana con el propósito de realizar envíos de medicina a poblados aislados que requieran de este servicio. Se requerirá que el cuadricóptero sea capaz de transportar una carga de un máximo de 2 kilogramos y que posea un tiempo de vuelo estabilizado de aproximadamente 30 minutos. La carcasa de este vehículo aéreo deberá ser capaz de soportar las fuerzas ejercidas por cada uno de los cuatro propulsores del vehículo y el peso de la carga y de sus componentes electrónicos, y deberá ser lo más ligera posible para disminuir el requerimiento de energía de dichos propulsores. Aparte, los sensores deberán permitir determinar la posición global del cuadricóptero y la orientación del cuadricóptero con respecto a los ejes principales para poder controlar la dirección de propulsión del sistema. También, se requerirá que el sistema de control mantenga al cuadricóptero en un estado de vuelo estabilizado para evitar que la medicina a transportar sea sometida a turbulencias y que permita alcanzar posiciones en el espacio lo más rápido posible. Finalmente, debido a las precipitaciones que se presentan en esta zona, el cuadricóptero deberá ser capaz de soportar la repentina caída de lluvia, a pesar de que el vuelo durante estas condiciones no sería recomendado. El documento de tesis se encuentra dividido cinco capítulos. En el primer capítulo, se explicará más a detalle sobre la motivación que justifica el proyecto propuesto. En el segundo capítulo, se expone el diseño preliminar del proyecto, para lo cual, se expone sobre la definición del cuadricóptero, el estado del arte de este dispositivo, los objetivos y requerimientos del proyecto, un estudio de las opciones de diseño propuestas a partir de la metodología de diseño de productos VDI y finalmente se propone el diseño óptimo del proyecto. En el tercer capítulo, se expone sobre el diseño del sistema mecatrónico propuesto, en que se expone un resumen del sistema, una descripción del sistema de propulsión y detalles sobre el diseño mecánico, electrónico y de control considerados para cumplir con los requerimientos planteados en el segundo capítulo. En el cuarto capítulo, se presentan los costos que se tendría que cubrir para llevar a cabo el proyecto propuesto. Finalmente, en el quinto capítulo, se presentan las conclusiones obtenidas tras haber concluido el diseño de este proyecto. Aparte, al final del documento se presenta la bibliografía empleada en el desarrollo de esta tesis y los anexos que permitirán explorar más a fondo algunos temas mencionados a lo largo de este documento. / Tesis

Este trabalho apresenta aspectos teóricos e práticos relevantes do desenvolvimento do Sistema de Navegação e Controle (SNC) a ser implementado em um Veículo Submarino Semi-Autônomo (VSSA), tipo não carenado e auto propelido, que está em desenvolvimento e construção na Escola Politécnica da USP, para a Petrobrás. Os três graus de liberdade horizontais são controlados para seguirem trajetórias pré-definidas, enviadas como sinais de referência para navegação por uma estação de apoio localizada na superfície, responsável pela guiagem do veículo. Os sinais de referência enviados são acústicos propagados pela água. A implementação física do SNC e o controle dos três graus de liberdade verticais não fazem parte do escopo deste trabalho. O SNC consiste em um controlador determinístico, um seguidor de trajetórias linear quadrático alimentado por um vetor de estados estimado assintoticamente. Por segurança, em caso de falha de algum sensor, e para filtrar ruídos nos sinais medidos, um estimador de estados de ordem plena é utilizado conjuntamente. Pela simplicidade de síntese e implementação, esta arquitetura de controle é considerada a melhor alternativa para capacitar o VSSA a executar os movimentos semi-autônomos desejados. As técnicas de controle utilizadas requerem a linearização do modelo matemático não-linear que descreve o comportamento dinâmico do veículo. O modelo é obtido de maneira simplificada. Os resultados são gerados por simulações com o modelo não-linear. / This work presents theoretical and practical aspects of the development of the Navigation and Control System (NCS) to be implemented into a Petrobras\' Semi-Autonomous Underwater Vehicle (SAUV), an open-frame and self-propelled type, which is being developed and built at Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP). The three horizontal Degrees-of-Freedom (DoF) are controlled so that they can follow a pre-defined trajectory sent as navigation reference signals to the NCS by a support ship, responsible for the guidance of the vehicle and placed on the ocean surface. Reference signals are sent as acoustic signals through the ocean water. The implementation and the control of the three vertical DoF are not in the scope of the present work. The NCS is based upon a deterministic controller, a Linear Quadratic (LQ) trajectory follower fed by an asymptotically estimated state vector, even though all the state variables are available by direct measurents. For safety, if some sensor fails, and for filtering noise on measured signals, a full-order state estimator is also designed. Since the LQ controller architecture is rather simple to design and implement, it was elected to control the SAUV manoeuvers. The control techniques require a linear model of the dynamics of the vehicle. Hence, a linearization procedure is applied to the system of nonlinear differential equations that describe the dynamic behavior of the SAUV. The results presented are provided by computer-aided simulations with the nonlinear model of the plant.

El presente proyecto de fin de carrera busca presentar un aporte al campo de la agricultura de precisión, el cual tiene como propósito aplicar y desarrollar nuevos mecanismos tecnológicos para optimizar las tareas involucradas en la agricultura. Una de las herramientas dentro de la agricultura de precisión es la percepción remota, con la cual se pueden obtener imágenes de los campos de cultivo a gran altura, permitiendo la identificación de características que no son fácilmente visibles cuando se está al nivel del suelo. Las imágenes capturadas mediante la percepción remota son empleadas por diversos especialistas en la interpretación de determinados índices de vegetación, cuyos resultados ayuden a facilitar y mejorar las tareas del agricultor. La captura de dichas imágenes es obtenida a través de sensores remotos colocados en satélites, aviones y actualmente, el uso de vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicle – UAV) ha sufrido un considerable incremento. Sin embargo se presentan algunos inconvenientes con respecto al procesamiento de las imágenes adquiridas por los UAVs. En primer lugar debido a la necesidad de monitoreo constante, es necesario que los UAVs sobrevuelen la zona a tratar periódicamente, generando una gran cantidad de imágenes de una misma zona a tratar en diferentes periodos de tiempo, resultando que en cada captura las imágenes de la misma zona presentan distintas características: traslación y rotación espacial (considerando un punto de referencia fijo) e iluminación. En segundo lugar, debido a la necesidad de determinación de parámetros de vegetación, temperatura, humedad, entre otros, es necesaria la obtención de imágenes con cámaras que trabajen en diferentes bandas del espectro electromagnético (bandas de color azul, rojo, verde e infrarrojo). En algunas ocasiones una sola cámara no trabaja en todas las bandas del espectro por lo que se requiere colocar más de una cámara en el UAV, con el resultado de que las imágenes capturadas de una misma zona no están alineadas espacialmente debido a la posición de las cámaras en el UAV. De este modo se hace necesario de algún método que permita la alineación de las imágenes capturadas por los UAVs, ya sea que estas provengan de diferentes puntos de vista o de diferentes sensores, para una misma zona a tratar. Al procedimiento requerido para la alineación de dos o más imágenes de un mismo objeto de interés se le conoce como registro de imágenes. / Tesis

Los multicópteros en la actualidad son una herramienta de gran apoyo en distintos rubros tales como la prospección pesquera, la vigilancia y seguridad, la detección de personas, entre otros. Sin embargo existe una situación problemática por la cual se ven afectados estos multicópteros, la cual es el daño o colisión que tienen al momento de aterrizar en superficies en movimiento, tal es el caso de las embarcaciones marinas, pues no están diseñados para el tipo de superficie mencionado anteriormente. Por ello surge la necesidad de encontrar una solución para abordar este problema, frente a ello la propuesta de solución es una plataforma automática que asista al correcto aterrizaje de multicópteros que sean empleados en el ambiente marítimo. En la presente tesis se desarrolla esta propuesta de solución, la cual está organizada en cinco capítulos. En el primer capítulo se aborda la situación problemática, el alcance del problema, las necesidades del usuario o instituciones, los objetivos de la tesis y el estado del arte donde se presentan tesis, patentes y productos que existen en el mercado. A partir del segundo capítulo se empieza a realizar el proceso del diseño de ingeniería. En este capítulo se trata sobre la definición de los requerimientos que debe contar el sistema para cumplir con una lista de exigencias. Posteriormente se presenta la estructura de funciones con que contara cada dominio del sistema mecatrónico (mecánico, electrónico y control), las matrices morfológicas las cuales presentan las alternativas de solución para cada una de las funciones que tendrá el sistema mecatrónico. Además, se realiza una evaluación técnico económico de las tres mejores soluciones para definir el diseño óptimo. El tercer capítulo está conformado por el desarrollo e integración del sistema mecatrónico, que consta de un diagrama de bloques y se describe los componentes que conforman el diseño electrónico y los criterios de selección para escoger al adecuado, en cuanto a los cálculos electrónicos, estos se pueden observar en el anexo A.6. Seguidamente, el diseño mecánico abarca cálculos principales mecánicos cinéticos y de resistencia de materiales, mostrando las dimensiones y características principales del sistema mecatrónico, en el anexo A.7 se presentan los cálculos mecánicos adicionales del sistema. El diseño de control contiene diagramas de flujo donde se muestra los algoritmos de control y el modelo matemático de los subsistemas, se plantea las estrategias de control con el fin de poder controlar eficientemente al sistema. En el cuarto capítulo se aborda los costos que implica el desarrollo del sistema tales como los costos de los materiales, fabricación y de diseño en ingeniería. Finalmente, el quinto capítulo constituye las conclusiones y recomendaciones que se desprenden del presente trabajo de diseño. / Tesis

Esta tesis de investigación propone obtener el modelo aerodinámico de una aeronave del tipo ala volante utilizando redes neuronales artificiales con el fin de mejorar la performance del controlador de vuelo del sistema de navegación de un vehículo aéreo no tripulado. Actualmente la aeronave pierde altitud al momento de realizar los giros, y se entiende porque es un problema con el ángulo de cabeceo y velocidad de vuelo. El tipo de Red Neuronal Artificial (RNA) utilizada es de Back Propagation Dinámico y tiene dos capas intermedias con 100 neuronas cada una. Se utilizó este tipo de RNA porque permite entrenar un modelo dinámico como es el caso de una aeronave. Las variables de entrada utilizadas para el entrenamiento fueron: posición del elevador, posición de los alerones, posición del throtle y aceleraciones en los tres ejes de la aeronave. Las variables de salida fueron: ángulo de cabeceo, ángulo de alabeo, cambio en el tiempo de ángulo de cabeceo y alabeo, velocidad y altitud. Asimismo, se utilizó un “bias” para tomar en consideración fuerzas o perturbaciones que no se pueden medir. La metodología utilizada permitió realizar el modelado de manera satisfactoria del ángulo de cabeceo y velocidad. Los errores de entrenamiento fueron de 36% y 5.5% respectivamente. La validación de ambos parámetros fue de 68% y 3.38%. La metodología aplicada todavía necesita ser mejorada para obtener un error de entrenamiento satisfactorio en el ángulo de alabeo y mejorar los entrenamientos obtenidos para el ángulo de cabeceo y velocidad. Este trabajo demuestra que el modelamiento de una aeronave del tipo ala volante es más complejo que una aeronave convencional. Son pocos los trabajos de investigación sobre modelamiento de aeronaves que han realizado el modelamiento de este tipo de aeronaves. En la mayoría de los casos utilizan técnicas diferentes a las de RNA y realizan modelamiento lineal y no dinámico como se ha realizado en esta tesis. / Tesis

Este trabalho apresenta aspectos teóricos e práticos relevantes do desenvolvimento do Sistema de Navegação e Controle (SNC) a ser implementado em um Veículo Submarino Semi-Autônomo (VSSA), tipo não carenado e auto propelido, que está em desenvolvimento e construção na Escola Politécnica da USP, para a Petrobrás. Os três graus de liberdade horizontais são controlados para seguirem trajetórias pré-definidas, enviadas como sinais de referência para navegação por uma estação de apoio localizada na superfície, responsável pela guiagem do veículo. Os sinais de referência enviados são acústicos propagados pela água. A implementação física do SNC e o controle dos três graus de liberdade verticais não fazem parte do escopo deste trabalho. O SNC consiste em um controlador determinístico, um seguidor de trajetórias linear quadrático alimentado por um vetor de estados estimado assintoticamente. Por segurança, em caso de falha de algum sensor, e para filtrar ruídos nos sinais medidos, um estimador de estados de ordem plena é utilizado conjuntamente. Pela simplicidade de síntese e implementação, esta arquitetura de controle é considerada a melhor alternativa para capacitar o VSSA a executar os movimentos semi-autônomos desejados. As técnicas de controle utilizadas requerem a linearização do modelo matemático não-linear que descreve o comportamento dinâmico do veículo. O modelo é obtido de maneira simplificada. Os resultados são gerados por simulações com o modelo não-linear. / This work presents theoretical and practical aspects of the development of the Navigation and Control System (NCS) to be implemented into a Petrobras\' Semi-Autonomous Underwater Vehicle (SAUV), an open-frame and self-propelled type, which is being developed and built at Escola Politécnica of the University of São Paulo (EPUSP). The three horizontal Degrees-of-Freedom (DoF) are controlled so that they can follow a pre-defined trajectory sent as navigation reference signals to the NCS by a support ship, responsible for the guidance of the vehicle and placed on the ocean surface. Reference signals are sent as acoustic signals through the ocean water. The implementation and the control of the three vertical DoF are not in the scope of the present work. The NCS is based upon a deterministic controller, a Linear Quadratic (LQ) trajectory follower fed by an asymptotically estimated state vector, even though all the state variables are available by direct measurents. For safety, if some sensor fails, and for filtering noise on measured signals, a full-order state estimator is also designed. Since the LQ controller architecture is rather simple to design and implement, it was elected to control the SAUV manoeuvers. The control techniques require a linear model of the dynamics of the vehicle. Hence, a linearization procedure is applied to the system of nonlinear differential equations that describe the dynamic behavior of the SAUV. The results presented are provided by computer-aided simulations with the nonlinear model of the plant.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado. Automação, Instrumentação e Controlo. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, University of California. 2009