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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34026
ORCID: | http://orcid.org/0000-0001-9897-1494 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
Título: | Modelagem, simulação e controle de uma nova proposta de aeronave tricóptero tilt-wing-coaxial-rotor |
Título (s) alternativo (s): | Modeling, simulation and control of a new proposal of tilt-wing-coaxial-rotor tricopter aircraft |
Autor: | Arroyo, Alvaro Daniel Herrera |
Primer orientador: | Morais, Aniel Silva de |
Primer coorientador: | Lima, Gabriela Vieira |
Primer miembro de la banca: | Morales, Mauricio Andrés Varela |
Segundo miembro de la banca: | Ramos, Daniel Costa |
Resumen: | Na última década, com o desenvolvimento contínuo de Drones ou Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), uma grande variedade de modelos foi testada e criada, destacando dois tipos de Drones: multicópteros e asas fixas. Contudo, recentemente, tem havido uma demanda crescente por explorar a combinação entre esses dois tipos de veículos, levando aos modelos de decolagem e pouso vertical (Vertical Take Off and Landing - VTOL), que buscam produzir uma aeronave capaz de ter as características de estabilidade de um multicóptero no modo de voo pairado no ar (hover) e a velocidade e autonomia de voo elevada que uma asa fixa geralmente fornece no modo de voo cruzeiro (voo reto nivelado). Em contrapartida às vantagens do VTOL, o desafio com esta classe de aeronaves é que estas estão sujeitas a um alto grau de não-linearidade, próprio da mistura entre duas arquiteturas de aeronave diferentes. Adicionalmente, como todo veículo aéreo, devem ser capazes de lidar com perturbações atmosféricas no ar. O objetivo principal deste trabalho é o de propor uma nova arquitetura de VANT VTOL com topologia tricóptero. Esta aeronave conta com inclinação independente de rotores em conjunto com asas, vetorizando forças de propulsão e forças aerodinâmicas, com o objetivo de auxiliar no controle da aeronave, diminuir o impacto de downwash e aproveitar uma mesma estrutura de rotores para exercer movimento do veículo em várias direções. O veículo usa rotores-coaxiais para balancear o torque induzido entre os rotores para todo ângulo de inclinação dos mesmos e, adicionalmente, aumentar a força de tração. A modelagem dinâmica foi desenvolvida tomando como base as leis físicas que regem sobre os princípios propulsivos, aerodinâmicos e inerciais. Destacando especialmente o centro de gravidade (CG) móvel devido ao veículo se caracterizar por ser um sistema multi corpo, com capacidade de assumir uma morfologia não simétrica. O design da aeronave foi feito através do software de desenho 3D SolidWorks®, considerando componentes elétricos e mecânicos reais de forma a obter um modelo teórico da aeronave o mais próximo da realidade. O tensor de inércia do veículo foi validado através da comparação do tensor de inércia gerado pelo modelo matemático e o tensor de inércia gerado pelo SolidWorks®. Para a simulação, o modelo da aeronave foi linearizado nas condições de voo hover e cruzeiro e o controle da aeronave foi implementado através de uma estratégia de controle em cascata. Um controlador regulador linear quadrático com integração de estados (LQRI) foi utilizado para controlar as velocidades lineares e angulares da aeronave, enquanto que um controlador proporcional integral derivativo (PID) foi usado para controlar a posição e atitude da aeronave no espaço. A estratégia de controle adotada permitiu realizar o seguimento de trajetórias de forma satisfatória, mesmo na presença de perturbações atmosféricas. |
Abstract: | In the last decade, with the continuous development of Drones or Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), a wide variety of models were tested and created, highlighting two types of Drones: multicopters and fixed wings. However, recently, there has been a growing demand to explore the “mixture” between these two types of vehicles. Leading to Vertical Take Off and Landing (VTOL) models, which seek to produce an aircraft capable of having the stability characteristics of a multicopter in hover flight mode, and the speed and high flight time that a fixed wing typically provides in cruise mode (straight level flight). In contrast to the advantages of VTOLs, the challenge with this class of aircraft is that they are subject to a high degree of non-linearity, typical of the mixture between two different aircraft architectures. Additionally, like all air vehicles, they must be able to deal with aerodynamic disturbances in the air. The main objective of this work is to propose a new UAV VTOL architecture with tricopter topology. This aircraft has independent rotor inclination together with wings, vectoring propulsion forces and aerodynamic forces, in order to help control the aircraft, reduce the downwash impact and take advantage of the same rotor structure to exert vehicle movement in several directions. The vehicle uses coaxial-rotors to balance the induced torque between the rotors for every tilting angle and, additionally, to increase the thrust force. The dynamic modeling was developed based on the physical laws that govern the propulsive, aerodynamic and inertial principles. Especially highlighting the mobile center of gravity (CG) due to the fact that the vehicle is characterized as a multi-body system, capable of assuming a non-symmetrical morphology. The aircraft design was made using SolidWorks® 3D design software, considering real electrical and mechanical components in order to obtain a theoretical model of the aircraft as close to reality. The vehicle's inertia tensor was validated by comparing the inertia tensor generated by the mathematical model and the inertia tensor generated by SolidWorks®. For the simulation, the aircraft model was linearized under the hover and cruise flight conditions and the aircraft control was implemented through a cascade control strategy. A state-integrated linear quadratic regulator controller (LQRI) was used to control the linear and angular velocities of the aircraft, while a proportional derivative integral controller (PID) was used to control the aircraft's position and attitude in space. The control strategy adopted allowed for the tracking of trajectories in a satisfactory manner, even in the presence of aerodynamic disturbances. |
Palabras clave: | Controle Ótimo Optimal Control Controle PID PID Control Mecânica do Voo Flight Mechanics Modelagem Dinâmica Dynamic Modelling Rastreamento de Trajetória Trajectory Tracking Rotor-coaxial Coaxial-rotor Tilt-rotor Tilt-rotor VTOL VTOL |
Área (s) del CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO::ESTABILIDADE E CONTROLE CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO |
Tema: | Engenharia elétrica Aeronaves - Métodos de simulação Drone- Métodos de simulação |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editora: | Universidade Federal de Uberlândia |
Programa: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Cita: | ARROYO, Alvaro Daniel Herrera. Modelagem, simulação e controle de uma nova proposta de aeronave tricóptero tilt-wing-coaxial-rotor. 2021. 139 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2021. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.716. |
Identificador del documento: | http://doi.org/10.14393/ufu.di.2021.716 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34026 |
Fecha de defensa: | 14-dic-2021 |
Aparece en las colecciones: | DISSERTAÇÃO - Engenharia Elétrica |
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