SISTEMA EMBARCADO PARA CONTROLE DE VANTS DE PÁS ROTATIVAS: PARTE DE BAIXO NÍVEL DA PLATAFORMA AURORA Igor H. B. Pizetta, Alexandre S. Brandão, Mário Sarcinelli Filho Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro Tecnológico Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória ES, Brasil Departamento de Engenharia Elétrica, Centro de Ciência Exatas e Tecnológicas Universidade Federal de Viçosa, Viçosa MG, Brasil Emails: igorpizetta@ifes.edu.br, alexandre.brandao@ufv.br, mario.sarcinelli@ufes.br Abstract The present work aims to develop an embedded system for low-level guidance of the servo-motor of a helicopter-like helimodel, as well as a communication system between low and high levels to provide sensory data to conduct an autonomous flight, for different types of miniature helicopter. For this, it was necessary to create a specific hardware to accomplish such tasks, which should be lightweight and low power consumption. The device developed operates in conjunction with a high level platform responsible for managing the controllers and vehicle models, which allows the performance of experiments and simulations, in a software-in-the-loop and hardware-in-the loop way. Through this work, it is possible to prove the operation of the various strategies for communication and control, reducing risks of malfunctioning modules during experiments and increasing the safety of equipment and people involved. In addition, the developed system allows manual control by a user, if necessary, ie, in emergency situations, the platform provides the option to disable the autonomous control and trigger a manual control, to carry equipment safely a location determined. Details of the proposed platform are presented throughout the article, aiming to give the reader a complete overview of its capabilities. Keywords UAV, Hardware-in-loop, Low-level system Resumo O presente trabalho visa a criação de um sistema embarcado para atuação em baixo nível dos servo motores de um helimodelo tipo helicóptero, assim como a comunicação entre sistemas de baixo e alto níveis e o fornecimento de dados sensoriais necessários para a realização de um voo autônomo, versátil a ponto de ser possível sua utilização com diferentes tipos de helicópteros miniatura. Para isso, fez-se necessário criar um hardware específico para tais tarefas, sendo que este deve ser leve e com baixo consumo de energia. Este trabalho opera conjuntamente com uma plataforma de alto nível responsável pelo gerenciamento dos controladores e modelos, a qual possibilita a realização de experimentos e simulações, do tipo software-in-the-loop e hardware-inthe-loop. Através desse trabalho, é possível comprovar o funcionamento das diversas estratégias de comunicação e controle, reduzindo riscos inerentes ao mal funcionamento de módulos durante experimentos e elevando a segurança dos equipamentos e das pessoas envolvidas. Em adição, o sistema desenvolvido possibilita o controle manual por parte de um usuário, caso necessário, ou seja, em situações de emergência, a plataforma propicia a opção de desabilitar o controle autônomo e acionar um controle manual, para levar o equipamento com segurança a um local determinado. Detalhes da plataforma proposta são apresentados ao longo do artigo, visando dar ao leitor uma visão completa de suas capacidades. Palavras-chave VANT, Hardware-in-loop, Sistema de baixo nível 1 Introdução O desenvolvimento de pesquisas com veículos aéreos não tripulados (VANT, do inglês, UAV - Unmanned Aerial Vehicles), tem crescido bastante, tanto no meio acadêmico quanto no meio industrial. Isso se deve às muitas possibilidades de aplicação de VANTs, dentre as quais se pode citar segurança pública (supervisão do espaço aéreo e de tráfego urbano), gerenciamento de riscos naturais (como vulcões, por exemplo), gerenciamento ambiental (medida de poluição do ar, supervisão de florestas, verificação de derramamento de óleo), intervenção em ambientes hostis, manutenção de infraestruturas (linhas de transmissão, dutos de líquido ou gás), agricultura de precisão, cinematografia e exploração (citando apenas aplicações civis de tais aeronaves (de Dios and Ollero, 2004; Rathinam et al., 2005; Bestaoui and Slim, 2007; MacArthur et al., 2005; Lindemuth et al., 2011; Eisenbeiss, 2004)). A difusão mais notável no meio científico está relacionada aos VANTs de asas rotativas (helicóptero e multi-rotores) devido à capacidade de decolar e aterrissar verticalmente, poder fazer um voo pairado com a possibilidade de mudar sua orientação, mover-se adiante ou lateralmente, enquanto se mantém em uma mesma cota vertical, além de poder mudar completamente sua direção de voo e deter seu movimento abruptamente.(kim and Tilbury, 1998; Castillo et al., 2005). Essa mobilidade tridimensional diferenciada dos veículos aéreos de pás rotativas, entretanto, os torna, do ponto de vista físico, as máquinas voadoras mais complexas. Adicionalmente, tal manobrabilidade torna muito complexo controlar tais veículos, por eles serem sistemas inerentemente instáveis, multivariáveis, e com dinâmica complexa e altamente acoplada. Isso torna um desafio o desenvolvimento de sistemas aéreos não tripulados (SANT, do inglês UAS - Unmanned Aerial System). No entanto, as aplicações destes veículos têm moti- 3970
vado diversas pesquisas ao redor do mundo, com as dificuldades acima mencionadas sendo encaradas como desafios. Em (van Blyenburgh, 2011) é apresentada uma perspectiva de tais sistemas no cenário mundial, mostrando o crescimento das pesquisas voltadas para tais sistemas. Entre as pesquisas com VANTs, existe um maior número de veículos tipo quadrimotor, devido à facilidade de compra e baixo custo de modelos comerciais, como por exemplo o ArDrone, da Parrot, atualmente em sua segunda versão. Outro fator importante é a instrumentação embarcada já existente, não necessitando de adicionar nenhum módulo para a realização de uma tarefa de voo. Já quando se trata de helicópteros miniatura é possível a compra de um modelo instrumentado, que possui um valor elevado, ou comprar um modelo comercial e embarcar os sensores e circuitos necessários para seu controle. Este é o objetivo do presente trabalho, ou seja, a implementação de um sistema de baixo nível, embarcado na aeronave, que contemple toda a parte sensorial e de atuação nos servo motores, deixando-o habilitado para a realização de experimentos de voo autônomo. Vale ressaltar que o sistema de baixo nível desenvolvido e detalhado nesse manuscrito, a AuRoRA Board, é utilizado em nosso grupo de pesquisa juntamente com a plataforma de alto nível que a complementa, a Plataforma AuRoRA (Autonomous Robots for Research and Application), apresentada na continuação deste trabalho, em (Pizetta et al., 2014) e também utilizada em outros trabalhos do nosso grupo (Pizetta et al., 2012; Pizetta et al., 2011; Brandão, Sarcinelli-Filho and Carelli, 2013; Brandão et al., 2011; Brandão et al., 2012; Brandão et al., 2014; Brandão, Sarapura, Sarcinelli-Filho and Carelli, 2013). 2 Princípio de Operação de um Helicóptero Miniatura Para descrever a dinâmica do helicóptero serão definidas notações e referências para melhor entendimento. O sistema de referência terrestre (inercial) é representado pelo subscrito e; o sistema de referência do helicóptero, centrado em seu centro de massa, corresponde ao subscrito h, enquanto o sistema espacial, que é o sistema h rotacionado para ter a mesma orientação que e, corresponde ao subscrito s. Tais sistemas podem ser vistos na Figura 1. A atitude do veículo corresponde às variáveis de posição ξ he, onde o subscrito he indica o sistema de referência do helicóptero relativo ao referencial terrestre, e de orientação η he, relativa a seu próprio sistema de referência. Assim sendo, tem-se que ξ he = [x y z] R 3 representa os deslocamentos longitudinal, lateral e normal, enquanto que η he = [φ θ ψ] R 3 corresponde aos ângulos de rolagem, arfagem e guinada. As velocidades do veículo podem ser obtidas diretamente pelas derivadas temporais das coordenadas de posição, resultando em ξ se = [ẋ ẏ ż] R 3. Derivando novamente obtém-seas acelerações ξ se = [ẍ ÿ z] R 3. Note-se que desta vez a referência em questão é a espacial, s, em relação à terrestre e. Procedendo-se analogamente para os ângulos, obtém-se as velocidades angulares η sh = [ φ θ ψ] R 3 e as acelerações angulares η sh = [ φ θ ψ] R 3. A relação agora é entre o sistema de referência espacial e o do helicóptero, ambos com origem no centro de gravidade da aeronave. Para realizar o controle destas variáveis, o operador dispõe de cinco entradas de comando (Pettersen et al., 2005), assim definidas: Airelon (u lat ), que controla o passo cíclico lateral no rotor principal (ver Figura 2(a)), o qual produz o movimento de rolagem, o qual resulta em um deslocamento lateral do helicóptero; Profundor (u lon ), que controla o passo cíclico longitudinal no rotor principal (ver Figura 2(b)), o qual provoca a arfagem da aeronave, permitindo seu avanço (ou retrocesso) na direção longitudinal; Coletivo (u col ), que controla o passo coletivo do rotor principal (ver Figura 3(a)), o qual resulta no movimento de elevação, fazendo com que o helicóptero se desloque na direção vertical; Leme (u ped ), que controla o passo coletivo do rotor de cauda (ver Figura 3(b)), necessário para compensar o efeito de anti-torque gerado pelo rotor principal e para produzir o movimento de guinada; Acelerador (u thr ), que controla a velocidade de rotaçãodorotorprincipaledorotordecauda. Vale comentar que no helimodelo utilizado neste trabalho, um sistema de redução por engrenagem e uma barra de transmissão unem o rotor principal ao de cauda, mantendo fixa a relação de velocidades entre os dois. Em adição, na maioria das configurações de helicóptero, a velocidade de rotação do rotor principal é assumida constante. < e> ze xe y e <h> zs Figura 1: Os sistemas de referência adotados. zh xs xh y s y h 3971
(a) Passo cíclico lateral. (b) Passo cíclico longitudinal. Figura 2: Movimentos cíclicos de um helimodelo. (a) Passo coletivo do rotor principal. de subida e descida é controladapela entradau col. Movimentos laterais e longitudinais são obtidos, respectivamente, pelos movimentos de rolagem e de arfagem, destacando a natureza subatuada dessa aeronave. 2.1 Dinâmica dos Atuadores Nesta seção serão apresentados o funcionamento dos servo motores e do sistema de atuação, uma vez que estes são controlados pelo sistema microcontrolado desenvolvido neste trabalho. Em adição será mostrado como os servos atuam na bailarina (swashplate ou prato oscilante) do helimodelo. Existem diversos fabricantes e modelos de servomotores, com torque, velocidade e tamanho variados. Porém, todos seguem o mesmo princípio de funcionamento e possuem características similares. Para seu controle é utilizado um sinal PWM (Pulse Width Modulation) de período 22ms, isto é, de frequência 45Hz. O sinal típico é mostrado na Figura 4, onde o intervalo útil de controle se situa entre 1ms e 2ms. Após este ponto o sinal se mantém em nível baixo, a fim de estabelecer o tempo de sincronismo. V Zona de controle 20ms Tempo de sincronismo (b) Passo coletivo do rotor de cauda. Figura 3: Passos coletivos de um helimodelo. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 t[ms] Desta forma, pode-se considerar o vetor de entrada dos comandos como sendo u = [u lat u lon u col u ped u thr ]. (1) Em rádio controle, a velocidade é controlada juntamente com o coletivo. Porém, para sistemas autônomos a velocidade das pás é mantida constante em aplicações práticas e de modelagem. Assim, tal velocidade deixa de ser uma variável de entrada, de forma que a entrada do sistema se torna u = [u lat u lon u col u ped ]. (2) As variáveis de saída observadas são v = [ẋ s ẏ s ż s φh θh ψ h ], (3) as quais representam também as variáveis de controle. Pela relação entrada/saída, percebe-se que existem mais variáveis a serem controladas que comandos, o que caracteriza um sistema acoplado e subatuado, que é uma característica importante de VANTs de pás rotativas. As velocidades angulares φ h, θ h e ψ h sãocontroladas,respectivamente, pelas entradas u lat, u lon e u ped, enquanto a taxa Figura 4: PWM signal used in the control of the servomotors adopted. Em helimodelos esses servos são acionados por rádio controle, através de um sinal PPM (Pulse Position Modulation), a uma frequência moduladora de 2,4GHz, que, ao ser recebido pelo receptor a bordo, é demodulado e decodificado em um sinal PWM para cada canal (cada servo motor). Foram utilizados dois modelos de rádio controle neste trabalho: um de sete e outro de oito canais, dado que cada canal transmite uma informação diferente. Vale ressaltar que os pulsos enviados por cada canal devem estar compreendidos em uma mensagem de período igual a 22ms. A Figura 5 mostra, de forma simples, como este sinal transmitido pelo rádio controle é demodulado, para um exemplo com 3 canais. Como pode ser visto, cada um destes canais representa uma faixa de tempo entre dois pulsos, que são transformados em sinais PWM por ordem de chegada, como é exemplificado na Figura 5. Antes de explicar o funcionamento do rádio controle, no que se refere aos movimentos gerados, faz-se necessário mostrar o sistema de atuação entre os servo motores e as asas rotativas em movimento. A bailarina (swashplate 3972
Period = 22ms t1 t2 t3 Synchronism Time t1 t2 PPM Signal Rear View Rear View Channel 1 Channel 2 Channel 3 Figura 8: Diagrama do funcionamento do comando de arfagem. Figura 5: Channel separation in the PPM signal. ou prato oscilante) é o sistema responsável por essa atuação, e é constituída por duas partes principais: uma parte rotacional (ligada às pás e às barras estabilizadoras) e uma parte fixa (ligada aos atuadores ou servomotores). Ela é a responsável pela orientação da propulsão gerada pelo rotor principal. As Figuras 6 e 7 apresentam os dois movimentos mais simples, cujo resultado é unicamente o deslocamento do swashplate para cima ou para baixo, em seu eixo. Note-se que o leme também possui um prato oscilante, porém este é muito mais simples, uma vez que sua única função é de alteração do coletivo, sem alterar a orientação da propulsão gerada pelo rotor de cauda. Normalmente, helimodelos são dotados de barras estabilizadoras (flybar), cuja finalidade é amortecer o efeito de forças externas, como rajadas de vento, e suavizar os movimentos do próprio helicóptero, aumentando sua inércia, facilitando, assim, a pilotagem. Estas pás respondem apenas aos movimentos cíclicos, não tendo efeito em movimentos de coletivo (Martins, 2008). Em Rádio Controle, o comando de aceleração é conjunto com o comando de coletivo, de modo que um mesmo stick realiza os dois comandos. Porém, os gráficos de ganho são ajustados separadamente. Para o caso de um sistema autônomo, tais gráficos são ajustados para fornecer um valor saturado de aceleração, respeitando as considerações da modelagem. Os comandos de arfagem e rolagem também requerem o movimento conjunto do prato oscilante, porém de uma forma diferente, em relação ao coletivo. A Figura 8 apresenta uma Figura 6: Diagrama do funcionamento do comando de coletivo. Figura 7: Diagrama do funcionamento do comando de guinada. Rear View Rear View Figura 9: Diagrama do funcionamento do comando de rolagem. vista lateral do swashplate, enquanto a Figura 9 apresenta uma vista traseira da mesma, que, respectivamente, produzem um movimento longitudinal (via arfagem) e um movimento lateral(via rolagem). 3 Instrumentação de Voo Para a realização do controle automático de qualquer sistema é necessário fornecer ao controlador informações sensoriais. Em um voo livre um helicóptero possui seis graus de liberdade, os quais lhe permitem transladar e rotacionar sobre os três eixos espaciais. Durante o desenvolvimento destes movimentos a aeronave está sujeita a variações de posição, velocidade e aceleração, tanto lineares quando angulares, que somados formam um conjunto de 18 variáveis. Desta forma, o objetivo do sistema sensorial é fornecer os dados de posição e orientação do veículo aéreo em relação a um referencial global. Além da informação sensorial, é necessário desenvolver um sistema de atuação que possa realizar o acionamento dos servomotores, em substituição ao rádio controle, ou em paralelo com ele (originalmente a única forma de controle dos helimodelos utilizados neste trabalho era através de rádio controle por um operador humano). 3.1 Estabilizador de Baixo Nível No mercado existem alguns estabilizadores para veículos aéreos, que não têm o intuito de controlar a navegação autônoma do veículo, mas sim ajudar na estabilidade do helimodelo quando em voo pairado, e mantê-lo em uma determinada posição caso o rádio controle esteja em sua posição neutra (ancorado). Neste projeto foi utilizado o Helicommand 3D R, da fabricante alemã CAPTRON, que recomenda sua utilização por pilotos iniciantes, pois estes não possuem a segurança nem a perícia de pilotar, visto que pilotar helimodelos requer bastante habilidade. Tal módulo foi instalado a bordo do helicóptero, juntamente com o controlador de alto nível e o sistema embarcado. A finalidade é aumentar a se- 3973
. Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática gurança do equipamento e dos pesquisadores, não só no caso do controle automático, como também para um controle manual (se necessário), visto que nenhum dos pesquisadores é aeromodelista profissional. O Helicommand 3D R é um dispositivo versátil, adaptável para qualquer tipo de helimodelo. Para isto deve-se configurá-lo adequadamente para o helicóptero em que ele será instalado. Essa configuração varia de acordo com o tipo do swashplate, devido à mixagem dos canais do rádio controle. Com o Helicommand instalado, esta mistura de canais no controle já não é mais necessária, pois isto agora é de responsabilidade do estabilizador, podendo-se inclusive, diminuir o ganho dos comandos, deixando o helimodelo mais suave em suas manobras. O joystick é configurado com um canal por comando, enquanto o Helicommand irá fazer a tradução deste comando em movimento do conjunto de servomotores. O dispositivo que realiza isto é o Módulo RC esquematizado na Figura 10, a qual apresenta a ligação dos comandos entre os dispositivos e os servomotores. Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Aux 1 Aux 2 Receptor de 7 Canais Helicommand Aileron Elevator Pitch Tail PILOT AUX Módulo RC ESC Gyro Aceleração Leme Servos do Swashplate Figura 10: Conexão do módulo Helicommand ao sistema de recepção de rádio do helimodelo. 3.3 Sistema Embarcado AuRoRA Board Com o objetivo de realizar o controle do helicóptero, foi desenvolvida uma placa de circuito impresso específica para os helimodelos utilizados neste trabalho, chamada de AuRoRA Board. Ela faz parte da Plataforma AuRoRA, e é responsável pela captura dos dados sensoriais, como os dados oriundos da unidade inercial, do sensor ultrassônico, do barômetro e do GPS, pela leitura dos dados de entrada provindos do receptor do rádio controle, além do envio dos sinais de atuação para o Módulo RC (que os enviará para os servomotores). A Figura 11 apresenta um esquemático da placa. O objeto central é o microcontolador, enquanto os contatos na parte superior da placa são a entrada dos sinais de controle, à esquerda, e as saídas para o Helicommand, à direita. No canto inferior esquerdo, em cinza, estão as entradas AD para leitura das baterias. Os demais conectores na horizontal, na parte de baixo, são as três portas de comunicação serial, em amarelo, enquanto que em verde se encontra a comunicação I 2 C. Entre esses, em azul, encontram-se as entradas para os sensores ultrassônicos. A Figura 12 apresenta a versão atual da placa AuRoRA Board. A fim de controlar o helimodelo, é necessário um microcontrolador capaz de realizar a leitura de, no mínimo, cinco sinais PWM e de gerar, pelo menos cinco sinais PWM, com frequência e períodos iguais aos sinais de entrada. O receptor transmite para a AuRoRA Board 7 sinais PWM. Cinco deles correspondem aos comandos de rolagem, arfagem, guinada, coletivo e aceleração, e 3.2 Sensores A IMU (do inglês, Inertial Measurement Unit)éosensorresponsávelporforneceraatitude do VANT, ou seja, as variáveis de orientação (rolagem, arfagem e guinada). No entanto, é necessário o processo de filtragem dos dados do acelerômetro, giroscópio e magnetômetro, para compensar seus erros e leituras ruidosas. Em adição, pela integração das velocidades é possível fornecer dados de posição do veículo (odometria tridimensional). Para a determinação da altitude da aeronave, é utilizado um sensor ultrassônico apontado para baixo, instalado na parte de baixo do veículo, desta forma ele mede a distância entre o veículo e o chão. Em altitudes elevadas, fora da faixa de operação do sensor ultrassônico, é utilizado um sensor barométrico, que mede a pressão atmosférica, que é convertida em altitude através de um cálculo simples. Além destes sensores, é utilizado um módulo GPS, que é responsável por fornecer a posição global do veículo, quando em voo outdoor. Input Capture PWM UART I2C Ultrasound Battery Figura 11: Esquemático da AuRoRA Board. Figura 12: Imagem da placa AuRoRA Board (os conectores foram omitidos para melhor visualização das placas). 3974
os outros correspondem aos comandos de gyro e gear. O gyro é utilizado para ajustar o ganho do giroscópio que vem de fábrica a bordo de todos os helimodelos, enquanto o gear foi modificado para permitir o chaveamento entre controle automático, semi-automático e manual. No controle automático o controlador automático envia todos os quatro primeiros comandos para o helicóptero, enquanto a aceleração é mantida constante, determinada por um operador humano. No modo semi-automático apenas o coletivo é controlado automaticamente, por razões de segurança. Desta forma é possível testar os efeitos do controlador antes de aplicá-lo ao veículo. Por fim, no modo manual o helicóptero é inteiramente controlado pelos comandos gerados através do Rádio Controle, não sofrendo nenhum efeito dos circuitos embarcados (observe-se que este é o modo normal de funcionamento de helimodelos comerciais). Após a instalação no helimodelo, o esquemático da ligação dos servomotores, do módulo Helicommand e da placa AuRoRA Board (a qual se posicionaentre o módulorc e o Helicommand) é apresentado na Figura 13. Desta forma, a Au- RoRA board pode leros dadosprovindosdo Rádio Controle e gerar os sinais que serão enviados para os servo motores, tanto no modo manual quanto automático. Note-se que todos os canais são lidos, inclusive a aceleração. A AuRoRA Board pode controlar todos os canais do helicóptero miniatura, não demandando nenhum sinal de controle por parte do Rádio Controle, a menos que seja de interesse. A AuRoRA Board comunica-se com a Plataforma AuRoRA através do canal de comunicação serial, podendo ser através de cabos, quando a mesma está embarcada, ou através de módulo Zigbee ou Bluetooth, quando se deseja fazer o controle em terra ou até mesmo usar telemetria para acompanhar a realização de uma dada missão. Receptor Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Aux 1 Aux 2 Helicommand Aileron Elevator Pitch Tail PILOT AUX RC Module Gyro ESC Yaw Acceleration Swashplate Servomotors Figura 13: Ilustração da conexão da AuRoRA Board ao sistema de recepção de sinais. helicóptero miniatura a uma altura fixa por um dado intervalo de tempo. A curva mostra que, apesar de algumas oscilações sobre o valor de referência, a aeronave é capaz de seguir um perfil preestabelecido. Note-se que nesse experimento uma altitude relativamente baixa foi requerida, por motivos de segurança, o que é prejudicial, porque numa altitude tão pequena o veículo sofre do efeito de solo, que é um efeito aerodinâmico em que o fluxo de ar gerado pelas pás do rotor principal é refletido pelo solo, aumentando a pressão sobre o veículo nesta região, o que o torna mais suscetíveis a movimentos abruptos (Roy et al., 2012). Como mencionado anteriormente, por razões de segurança o Rádio Controle é responsável por ativar ou não o controlador automático. Assim, após o início do experimento, o operador deve escolher um instante de tempo para ativar o controlador autônomo. Se necessário, ele pode desativar o controle autônomo, e a aeronave estará de volta ao controle manual. Os instantes de tempo em que este modo de operação é ativado ou desativado também são mostrados na figura. 4 Considerações Finais O presente trabalho apresentou a criação de um sistema embarcado para atuação em baixo nível dos servo motores de um helimodelo tipo helicóptero. Em adição, foi proposta e desenvolvida uma interface de comunicação entre sistemas de baixo e alto nível, com o fornecimento dos dados sensoriais necessários para a realização de um voo autônomo. O hardware desenvolvido opera conjuntamente com uma plataforma de alto nível responsável pelo gerenciamento dos controladores e modelos, possibilitando a realização de experimentos e simulações, do tipo softwarein-the-loop e hardware-in-the-loop, os quais não foram aqui enfatizados. Como preocupação de projeto, a AuRoRA board foi projetada para dar a possibilidade de controle manual por parte de um usuário, caso necessário. Ou seja, em situações de emergência ela propicia a opção de desabilitar o controle autônomo e acionar um controle manual, para levar o equipamento com segurança a um local determinado. A validação do sistema foi 0.7 Acionamento do controle automático 0.6 3.4 Controle Automático de Altitude Esta seção mostra um resultado inicial para o controle automático de altitude utilizando a parte de baixo nível e também a parte de alto nível da Plataforma AuRoRA) (Pizetta et al., 2014). Tal resultado experimental é mostrado na Figura 14. Nesse experimento, o objetivo é manter o z h [m] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 5 10 15 20 25 30 Tempo [s] Figura 14: Controle autônomo de altitude. 3975
feita através de um resultado experimental de controle de altitude. Vale destacar que neste tipo de tarefa também se faz necessária a estabilização da orientação da aeronave. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico pelo auxílio financeiro concedido a este projeto (processo 473185/2012-1). Eles também agradecem ao Instituto Federal do Espírito Santo, à Universidade Federal de Viçosa e à Universidade Federal do Espírito Santo pelo suporte dado ao desenvolvimento desta pesquisa. Dr. Sarcinelli Filho também agradece o apoio financeiro complementar da FAPES - Fundação de Amparo à Pesquisa e à Inovação do Espírito Santo ao projeto. Dr. Brandão também agradece à FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais pelo suporte à sua participação no trabalho. Referências Bestaoui, Y. and Slim, R. (2007). Maneuvers for a quad- rotor autonomous helicopter, AIAA Conference and Exhibit, Rohnert Park, California. Brandão, A. S., Andaluz, V. H., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2011). 3-d path-following with a miniature helicopter using a high-level nonlinear underactuated controller, Proccedings of the 9th IEEE International Conference on Control and Automation - ICCA 11, Santiago, Chile, pp. 434 439. Brandão, A. S., Gandolfo, D., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2014). Pvtol maneuvers guided by a high-level nonlinear controller applied to a rotorcraft machine, European Journal of Control 20(4): 172 179. Brandão, A. S., Pizetta, I. H. B., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2012). Modelagem e controle não linear subatuado de um quadrotor: Parte 1, Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática - CBA2012, SBA, Campina Grande, PB, pp. 449 454. Brandão, A. S., Sarapura, J. A., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2013). Homographybased pose estimation to guide a miniature helicopter during 3d-trajectory tracking, Latin American Applied Research 43(3): 281 286. Brandão, A. S., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2013). High-level underactuated nonlinear control for rotorcraft machines, Proceedings of the 2013 IEEE International Conference on Mechatronics - ICM2013, Vicenza, Italy, pp. 279 285. Castillo, P., Lozano, R. and Dzul, A. (2005). Modelling and Control of Mini-Flying Machines, Springer, USA. de Dios, J. M. and Ollero, A. (2004). An illumination-robust robot infrared vision system for robotics outdoor applications, Proceedings of the International Symposium on Robotics and Applications (ISORA), World Automation Congress (WAC2004), Vol. 15, Seville, Spain, pp. 413 418. Eisenbeiss, H. (2004). A mini unmanned aerial vehicle (uav): System overview and image acquisition, Proceedings of the International Workshop on Processing and Visualization Using High-Resolution Imagery, Pitsanulok, Thailand. Kim, S.K.andTilbury, D.M.(1998). Mathematical modeling and experimental identification of a model helicopter, Proceedings of the AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit, Boston, MA, USA, pp. 203 213. Lindemuth, M., Murphy, R., Steimle, E., Armitage, W., Dreger, K., Elliot, T., Hall, M., Kramer, D. K. J., Palankar, M. and Griffin, K. P. C. (2011). Sea robot-assisted inspection, IEEE Robotics and Automation Magazine 18(2): 96 107. MacArthur, E., MacArthur, D. and Crane, C. (2005). Use of cooperative unmanned air and ground vehicles for detection and disposal of mines, Proceedings of the VI Intelligent Systems in Design and Manufacturing, Vol. 5999, pp. 94 101. Martins, A. S. (2008). Instrumentação e controle de altitude para helimodelo montado em uma plataforma de testes, Master s thesis, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília. Pettersen, R., Mustafic, E. and Fogh, M. (2005). Nonlinear control approach to helicopter autonomy, Master s thesis, Institute of Electronic Systems, Department of Control Engineering of the Aalborg University. Pizetta, I., Brandão, A. S., Sarcinelli-Filho, M. and Carelli, R. (2011). Controladores de Vuelo de Alto Nivel Aplicados a la Navegación de Helicópteros : Un abordaje comparativo, Anales de la XIV Reunión de Trabajo en Procesamiento de la Información y Control (RPIC 2011), Oro Verde, Entre Ríos, Argentina, pp. 584 589. 3976
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