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ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-0066-757X
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Controle por modos deslizantes de quadcóptero com carga suspensa por cabo para trajetórias baseadas na propriedade de planicidade diferencial do sistema e input shaping
Alternate title (s): Sliding mode control of a quadrotor with a suspended load for trajectories based on the differential flatness property of the system and input shaping
Author: Araújo, Mateus Amarante
First Advisor: Finzi Neto, Roberto Mendes
First member of the Committee: Raffo, Guilherme Vianna
Second member of the Committee: Gonçalves, Rogério Sales
Summary: No contexto de alta de demanda por aeronaves autônomas em aplicações de transporte de carga, este trabalho apresenta uma solução de controle e geração de trajetória para o sistema quadcóptero com carga suspensa por cabo no intuito de controlar a posição da aeronave ao mesmo tempo que reduzir o balanço da carga. Primeiramente, desenvolve-se um modelo dinâmico do sistema com os métodos de Newon-Euler e Euler-Lagrange, separando-o em duas partes: um subsistema totalmente atuado associado à altitude e ângulo de guinada da aeronave e um subsistema sub-atuado com as outras variáveis que descrevem o estado da aeronave. Cada subsistema é controlado por um controlador por modos deslizantes que é demonstrado ser estável no sentido de Lyapunov na tarefa de conduzir os subsistemas até as superfícies deslizantes e mantê-los nesta condição. É demonstrado pelo critério de estabilidade Routh-Hurwitz que as variáveis deslizantes associadas ao subsistema sub-atuado são localmente estáveis dadas restrições obtidas para os parâmetros de controle que facilitam o processo de ajuste. Finalmente, propõe-se uma nova configuração de geração de trajetória para conter o balanço da carga que consiste em definir uma trajetória polinomial para a carga, aplicar input shaping a esta entrada e então calcular o estado desejado da aeronave fazendo-se uso da propriedade de planicidade diferencial do sistema. Testa-se o controlador juntamente com o gerador de trajetórias em simulação para uma trajetória ponto a ponto e diferentes durações. O controlador é eficaz ao controlar o estado da aeronave mesmo quando não se aplica nenhum tratamento à referência de entrada e o gerador de trajetórias promove redução significativa do balanço da carga. Porém, as trajetórias obtidas para a aeronave por meio do modelo diferencialmente plano tornam-se proibitivas para o controlador a partir de certos limites de velocidade e aceleração de referência para os quais a solução alternativa de apenas aplicar input shaping à trajetória da aeronave apresenta desempenho razoável.
Abstract: In the context of high demand for autonomous aircrafts in cargo transport applications, this work presents a motion control and trajectory generation solution for a system composed of a quadrotor with a cable-suspended load that aims to control the aircraft position and reduce the load swing. First, the dynamic model of the system is derived using the Newton-Euler and Euler-Lagrange methods and divided into two parts: a fully actuated subsystem associated with the robot altitude and yaw angle, and an underactuated subsystem associated with the other state variables of the quadrotor. Each subsystem is controlled by a sliding mode controller which is proved to be stable in Lyapunov's sense for the task of driving the system to the sliding surfaces and staying on them. It is demonstrated by the Routh-Hurwitz stability criterion that the sliding surfaces associated with the underactuated subsystem are locally stable given some constraint rules obtained for the control parameters that make the tuning process easier. Finally, a new trajectory generation structure is proposed to suppress the load balance which consists on build a polynomial trajectory for the load, apply input shaping on it and compute the desired state of the aircraft by making use of the differential flatness property of the system. The controller is tested together with the designed trajectory generator in simulation for a point-to-point trajectory and for different durations. The controller is effective in controlling the aircraft state even when no filter is applied to the input reference and the trajectory generator greatly reduces the load swing. However, the aircraft trajectory obtained by the differentially flat model becomes prohibitive for the controller when the reference speed and acceleration reach certain limits for which the alternative solution of only applying input shaping to the aircraft trajectory presents moderate performance.
Keywords: Controle por modos deslizantes
Sliding mode control
Sistemas diferencialmente planos
Differentially flat systems
Moldagem de entrada
Input shaping
Sistemas sub-atuados
Underactuated systems
Transporte de carga aéreo
Aerial load transportation
Engenharia mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO::ESTABILIDADE E CONTROLE
CNPQ::OUTROS::ENGENHARIA MECATRONICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: ARAÚJO, Mateus Amarante. Controle por modos deslizantes de quadcóptero com carga suspensa por cabo para trajetórias baseadas na propriedade de planicidade diferencial do sistema e Input Shaping. 2019. 104 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2019. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2019.2548.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2019.2548
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29031
Date of defense: 12-Dec-2019
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