1o SiPGEM – 1º Simpósio do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Escola de Engenharia de São Carlos – Universidade de São Paulo 12 e 13 de setembro de 2016, São Carlos - SP
SIMULAÇÕES DE CONTROLADORES POR REALIMENTAÇÃO DE ESTADOS E H∞ PARA UM UAV DO TIPO QUADROTOR Ruben Dario Angel Correa, Dinâmica das Máquinas e Sistemas,
[email protected] Andres Eduardo Baquero Velasquez, Dinâmica das Máquinas e Sistemas,
[email protected] Adriano Almeida Gonçalves Siqueira,
[email protected] Daniel Varela Magalhães,
[email protected] Marcelo Becker,
[email protected] Resumo.Neste artigo fazemos a apresentação das técnicas de controle pela realimentação de estados assim como o H∞. O objetivo é propor uma analise dos benefícios que as técnicas aportam para sua implantação no controle de um veiculo aéreo não tripulado (uav) do tipo quadrotor assim como as dificuldades que podem ser obtidas na hora de sua programação. Para a apresentação das técnicas do jeito mais simples, o trabalho é focado somente em dois dos seis graus de liberdade do quadrotor. O trabalho começa com a modelagem matemática do quadrotor mediante o uso das leis da mecânica newtoniana para obter o modelo dinâmico a ser usado nos dois sistemas de controle desenvolvidos. O primeiro sistema de controle a ser apresentado é um controle pela realimentação de estados com observador e compensador no sinal de referência. O segundo é um sistema de controle robusto com controlador H∞. Para cada sistema de controle foram feitas simulações no software Matlab mediante o uso dos toolboxes de controle e controle robusto. Finalmente se faz uma comparação dos resultados obtidos com as duas técnicas. Palavras chave: Sistema de controle. Controle H∞. Realimentação de estados. Quadricoptero. Uav. 1. INTRODUÇÃO Um uav é uma planta de alta complexidade na qual o controlador tem que ter capacidade de manobrar sobre seis graus de liberdade (três translacionais e três rotacionais). Fazer uma analise de cada grau de liberdade de forma independente é um trabalho dificil devido que os seis graus de liberdade estão mecanicamente acoplados. Os trabalhos existentes fazem a analise total dos seis graus de liberdade do uav ou fazem analise de um ou dois graus de liberdade como o trabalho feito por Breganom et al. (2011) que usou só os graus de liberdade roll e pitch. Alem da analise do uav com respeito aos graus de liberdade, se deve considerar que um quadrotor tem quatro motores girando em dois sentidos diferentes para o qual o sistema de controle a ser usado deve ter duas ou mais saídas de controle. Outro aspecto a ser considerado são as forças que estão atigindo o quadrotor. De acordo com Bolandi et al. (2013), podem se assumir quatro forças que atingem ao quadrotor e outros autores como Bouabdallah e Siegwart (2005) que fizeram simulações com quatro forças e seis graus de liberdade para o qual o controlador usado deve se basear na teoria de controle multivariável MIMO (Multiple Input-Multiple Output). Por outro lado, os quadrotores são plantas que trabalham em condições ambientais não previsíveis pelo qual vão ser vulneráveis aos distúrbios e ruído. Neste sentido alguns autores recomendam que os controladores desenvolvidos para quadrotores deveriam ter certo grau de robustez, embora tem outros que trabalham com controladores não robustos e obtém boms resultados. Por exemplo, Yacef et al. (2012) que desenvolveu um controlador baseado na teoria de realimentação de estados no qual a planta considerava três forças que atingem o quadrotor e uma quarta que se considera como um distúrbio na entrada. Levando em conta as considerações anteriores, este trabalho propõe o desenvolvimento de dois controladores MIMO para um quadrotor que considera dois graus de liberdade (deslocamento em z e rotação em yaw). O primeiro controlador apresentado está baseado na teoria de realimentação de estados e o segundo na teoria do H∞. Serão apresentadas as simulações do comportamento das saídas com cada controlador e uma comparação dos resultados obtidos.
Portal de Eventos Científicos da Escola de Engenharia de São Carlos Anais eletrônicos do I Simpósio do Programa de Pós‐Graduação em Engenharia Mecânica Disponível em: http://soac.eesc.usp.br/index.php/SiPGEM
