Controlador Não-Linear Bidirecional de Tempo Ótimo para Veículo Aéreo Não Tripulado

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1 Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul Faculdade de Engenharia Controlador Não-Linear Bidirecional de Tempo Ótimo para Veículo Aéreo Não Tripulado Leandro Pfuller Lisboa Orientador: Aurélio Tergolina Salton (PUCRS) Co-orientador: Ariel Lutenberg (UBA) 20 de Março de 2014 Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

2 Assuntos Abordados 1 Introdução 2 Objetivos 3 Fundamentos Teóricos 4 Proposta 5 Resultados e Discussão Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

3 Introdução Figura : Modalidades de VANTS. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

4 Introdução Figura : Diagrama de Comunicação. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

5 Introdução O Quadcóptero é usado atualmente em varias áreas. Hobby. Figura : Quadcóptero Phantom. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

6 Introdução O Quadcóptero é usado atualmente em varias áreas. Profissional. Figura : Quadcóptero FreeFly System. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

7 Introduc a o O Quadco ptero e usado atualmente em varias a reas. I Profissional. Figura : Inspec a o. Leandro Pfuller Lisboa Veı culo Ae reo Na o Tripulado 20 de Marc o de / 17

8 Introduc a o O Quadco ptero e usado atualmente em varias a reas. I Profissional. Figura : Delivery. Leandro Pfuller Lisboa Veı culo Ae reo Na o Tripulado 20 de Marc o de / 17

9 Introdução Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

10 Objetivos Fazer trajetórias lineares ponto-a-ponto. Diminuir tempo de voo ao realizar a trajetória. Reduzir o consumo de energia. Controlar os movimentos de rotação e translação do VANT. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

11 Fundamentos Teóricos Sistema de Referência. Cinemática. Modelo Matemático. Controlador Proximated Time-Optimal Servomechanism. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

12 Fundamentos Teóricos Earth Frame E = (X e, Y e, Z e ). Body Frame B = (X b, Y b, Z b ). Sistema de Referência Ω b = [p q r] T Vb = [u v w] T Γe = [θ φ ψ] T Ve = [v x v y v z ] T T3 T2 y b {B} x b z b {E} z T4 T1 y x Figura : Sistema de coordenadas do sistema. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

13 Fundamentos Teóricos Cinemática do Quadcóptero Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

14 Fundamentos Teóricos Equações de Rotação. Modelo Matemático do Quadcóptero ṗ = I z I y I x qr + l a I x (T 4 T 2 ) + I z I x q q = I x I z qr + l a (T 1 T 3 ) + I z p I y I y I x ṙ = 1 I z 4 ϑ j ( 1) j j=1 4 ϑ j ( 1) j j=1 4 (I z ϑj + B a ϑ j + K D ϑ 2 j )( 1) j j=1 Equações de Translação. u =vr qw gsin(θ) v =wp qw + gsin(φ)cos(θ) ẇ =qu pv + gcos(φ)cos(θ) + 1 T j m Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado j=1 20 de Março de / 17 4

15 Fundamentos Teóricos Controlador - Proximated Time-Optimal Servomechanism Seu objetivo principal é usar a máxima aceleração apenas quando é prático. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

16 Fundamentos Teóricos Controlador - Proximated Time-Optimal Servomechanism A lei de controle PTOS é dada por: u = k 2 ( f p (e) v) Onde: f p (e) = { k1 k 2 e sgn(e)( 2α e ūb ū k 2 ), e y l, e > y l Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

17 Fundamentos Teóricos Controlador - Proximated Time-Optimal Servomechanism A lei de controle PTOS é dada por: u = k 2 ( f p (e) v) Onde: Restrições: f p (e) = { k1 k 2 e sgn(e)( 2α e ūb ū k 2 ) y l = ū 2k1, k 2 = k 1 b, e y l, e > y l Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

18 Proposta Etapas já realizadas: Modelamento do sistema; Linearização e representação do sistema como integrador duplo; Simulação do sistema; Desenvolvimento dos controladores propostos; Validação dos controladores por simulação. Etapas a serem realizadas: Desenvolvimento do cenário de teste; Desenvolvimento do protótipo; Configuração dos sensores; Aplicação do controle no protótipo; Validação dos controladores no protótipo. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

19 Resultados e Discussão Resultados Esperado: Economia de energia; Trajetória linear; Fácil implementação; Robustez para as diferentes referências de deslocamento; Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

20 Resultados e Discussão Resultados Obtidos: Figura : Sistema implementado em Simulink. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

21 Resultados e Discussão Resultados Obtidos: Figura : Modelo do sistema. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

22 Resultados e Discussão Resultados Obtidos: Figura : Cinemática. Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

23 Resultados e Discussão Linearização do Modelo: θ = l a I x (T 4 T 2 ) φ = l a I y (T 1 T 3 ) ψ = B a I z 4 (ϑ j )( 1) j j=1 Ẍ = gφ Ÿ =gθ Z =g + 1 m 4 j=1 T j Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

24 Resultados e Discussão Aproximação por Integrador Duplo Ẋ 1 = X 2 Ẋ 2 = b p U 1 Y = X 1 Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

25 Resultados e Discussão Aproximação por Integrador Duplo Ẋ 1 = X 2 Ẋ 2 = b p U 1 Y = X 1 θ = l a I x (T 4 T 2 ) b p = l a I x k v k t U 1 =µ 4 µ 2 [V ] Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

26 Resultados e Discussão Aproximação por Integrador Duplo X 1 =X 2 X 2 =b p U 1 X 3 =X 4 X 4 =b q U 2 X 7 =X 8 X 8 =b u U 4 X 9 =X 10 X 10 =b v U 5 X 5 =X 6 X 6 =b r U 3 Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17

27 Fim! Obrigado pela atenção! Leandro Pfuller Lisboa Veículo Aéreo Não Tripulado 20 de Março de / 17