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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-6060-5517
Tipo do documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Título: Effects of endowing tilt-rotor mechanisms in the context of multi-copters
Título(s) alternativo(s): Efeitos da inclusão de mecanismos tilt-rotor no contexto de multirrotores
Autor(es): Marques, Felipe Machini Malachias
Primeiro orientador: Finzi Neto, Roberto Mendes
Primeiro membro da banca: Cavalini, Aldemir Aparecido Junior
Segundo membro da banca: Raffo, Guilherme Vianna
Terceiro membro da banca: Galvão, Roberto Kawakami Harrop
Quarto membro da banca: Gonçalves, Rogério Salles
Quinto membro da banca: Molina, Fabian Andres Lara
Resumo: Em geral, multirrotores com rotores fixos são classicados como sistemas subatuados. Nesses casos, o número de variáveis de controle torna inviável realizar o controle de posição e atitude de forma independente. A fim de reverter esse cenário, novas configurações de multirrotores contendo mecanismos de vetorização de empuxo têm sido estudadas. Essa estratégia, denominada tilt-rotor, vêm sendo empregada em bicópteros, tricópteros, quadcópteros e hexacópteros. Nesse contexto, o presente estudo trata da modelagem dinâmica e controle de um veículo multirrotor tilt-rotor capaz de rotacionar seus motores lateralmente. Assim, busca-se explorar as propriedades de desacoplamento de controle do sistema enfatizando a ponderação entre complexidade mecânica versus a controlabilidade e manobrabilidade do veículo. Para isso, é proposto o desenvolvimento de uma bancada contendo um bicóptero tilt-rotor para validação do modelo e leis de controle. Então, duas formulações de controle são propostas e validadas experimentalmente. A primeira delas é baseada na técnica Linear Quadratic Tracking (LQT) empregada para rastrear um sinal de referência considerando configurações com rotores fixos e tilt. Em seguida, projeta-se o controlador a partir da concepção do Model Predictive Control (MPC) para rastreamento de posição considerando limitações nas deflexões do tilt, a dinâmica do atuador e o desacoplamento de controle entre deslocamento horizontal e atitude. Os resultados obtidos mostram que a dinâmica do mecanismo de vetorização de empuxo tem grande influência sobre o movimento lateral do multirrotor. Ainda, a estratégia de desacoplamento de controle junto com a técnica MPC apresentou melhorias significativas sobre o LQT tendo em vista a sua capacidade de gerenciar as restrições de deflexão do mecanismo tilt.
Abstract: Standard fixed-rotor multi-copters are classified as underactuated systems. For such cases, position and attitude control cannot be achieved independently due to the number of control inputs. To overcome this, novel multi-copter designs containing vectoring thrust mechanisms have been studied. This strategy, denominated tilt mechanism, has been widely employed on bi-copters, tri-copters, quad-copters and hexa-copters. In this context, this study concerns the dynamical modeling of a tilting rotor multi-copter aerial vehicle capable of tilting its motors laterally. Based on that, the control decoupling properties of the model are explored emphasizing the trade-off between mechanical complexity versus system maneuverability and controllability. For this, a tilt-rotor bi-copter test bench is developed for model and control validation. Then, two control design formulations are proposed and validated experimentally. First, the Linear Quadratic Tracking (LQT) is employed for trajectory tracking considering fixed and tilt-rotor configurations. In the sequel, a Model Predictive Controller (MPC) is designed for position tracking considering tilt deflection limitations, actuator dynamics and control decoupling between attitude and horizontal displacement. The results have shown that the tilt mechanism dynamics have major influence in lateral motion of the multi-copter. Moreover, the MPC dynamic decoupling control strategy presented some improvement over the LQT controller being able to properly handle the tilt-deflection constraints.
Palavras-chave: Multi-copters
Tilt-rotor
Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
Model Predictive Control (MPC
Linear Quadratic Regulator
Bi-dopter
Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTS)
Controle Preditivo
Multirrotor
Vetorização de empuxo
Regulador Linear Quadrático
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO::ESTABILIDADE E CONTROLE
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::CONTROLE DE SISTEMAS MECANICOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::TEORIA DOS MECANISMOS
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAO
Assunto: Engenharia mecânica
Pesquisa (Vetor)
Rotores - Dinâmica
Controle preditivo
Idioma: eng
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Referência: MARQUES, Felipe Machini Malachias. Efeitos da inclusão de mecanismos tilt-rotor no contexto de multirrotores. 2022. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.15.
Identificador do documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.15
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34631
Data de defesa: 11-Fev-2022
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