Modeling, Simulation and Control of a Generic Tilting Rotor Multi-Copter

Abstract

Em geral, aeronaves multirrotoras convencionais são classificadas como sistemas dinâmicos subatuados uma vez que seu número de variáveis de controle é insuficiente para permitir que posição e atitude sejam controladas de forma independente. Desta forma, este trabalho trata da modelagem dinâmica genérica de uma aeronave multirrotora com configuração tilt-rotor e a aplicação das técnicas de controle moderno de forma a viabilizar o sistema a seguir uma trajetória. A modelagem dinâmica é feita baseada nas equações do movimento de Newton-Euler considerando a aeronave como um corpo rígido com seis graus de liberdade e ainda assumindo que cada motor seja capaz de executar dois tipos de movimento independentes (lateralmente ou longitudinalmente) introduzindo mais sinais de controle ao sistema. Em seguida, as equações do movimento são linearizadas utilizando a teoria de pequenas perturbações em tordo de uma posição de equilíbrio baseada na missão requerida de forma que as teorias de controle moderno possam ser aplicadas. A técnica de controle empregada é a Linear Quadratic Tracking (LQT) formulada como um problema de servomecanismo permitindo que o controlador seja projetado para diferentes sinais de entrada baseados em suas equações diferenciais. O modelo dinâmico e a lei de controle são validadas utilizando o ambiente do Matlab/Simulink® considerando os efeitos não lineares causados pelo mecanismo de tilt rotor utilizando como objeto de estudo um modelo quadrirrotor real desenvolvido pelo Laboratório de Aeronaves Autônomas da Universidade Federal de Uberlândia. Por fim, as condições de estabilidade do sistema são avaliadas para diferentes cenários variando as configurações de tilt rotor como também os sinais de entrada a partir do mapeamento de polos e zeros assim como a resposta temporal do sistema. As simulações mostram que a aeronave contendo um mecanismo lateral de tilt rotor possui vantagens para aplicações de seguidores de trajetória uma vez que melhora a controlabilidade do sistema principalmente no movimento de guinada. Porém, o mecanismo de tilt lateral deve ser utilizado com cautela uma vez que sua atuação amplifica os efeitos não lineares, como por exemplo os giroscópios, que não são previstos pelo modelo linear e podem divergir a resposta do sistema.