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Título: Projeto, identificação e controle de uma plataforma de quadrirotor
Autor(es): Mollon, Matheus Fernando
Orientador(es): Mendonca, Marcio
Palavras-chave: Sistemas embarcados (Computadores)
Drone
Métodos de simulação
Embedded computer systems
Drone aircraft
Simulation methods
Data do documento: 3-Abr-2020
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: MOLLON, Matheus Fernando. Projeto, identificação e controle de uma plataforma de quadrirotor. 2020. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2020.
Resumo: Esta dissertação apresenta o desenvolvimento do sistema de aquisição e controle de uma plataforma experimental de quadrirotor, em que seus rotores estão dispostos no formato de cruz (“+"). Além disso, este sistema pode ser configurado com dois ou três graus de liberdade, possibilitando o estudo de suas movimentações angulares de rolagem, arfagem e guinada. A modelagem do sistema é realizada pelo método da prototipagem virtual com auxílio dos softwares SolidWorks e ADAMS. O primeiro foi utilizado para construção do protótipo virtual 3D e identificação de suas propriedades de massa. Já o segundo, é baseado em técnicas de modelagem multicorpos, sendo empregado para obtenção das equações dinâmicas do sistema e geração de seus modelos linear e não linear. Com os modelos obtidos, foram implementadas as técnicas de controle seguidor com atribuição de autoestrutura, LQR-I e PI inspirado na controladora de voo Openpilot, visando controlar a atitude da aeronave. O software utilizado para construção, simulação e sintonia destes controladores foi o MATLAB/Simulink. Para implementação das técnicas de controle e validação dos modelos na plataforma experimental, foram desenvolvidas arquiteturas de aquisição cabeada e sem o, para leitura dos sensores e acionamento dos atuadores do sistema. Para a primeira, a placa de aquisição PCI-6602da National Instruments foi integrada ao software MATLAB/Simulink para realização do controle da aeronave. No entanto, os cabos de ligação dos sensores e atuadores limitavam a movimentação de guinada do sistema. Logo, foram implementadas duas arquiteturas de aquisição sem o em um sistema embarcado na placa Freedom FRDM-K64F da NXP. Estas configurações, permitiram a utilização do microcontrolador como uma placa de aquisição sem o, em que a interação com o software MATLAB/Simulink é baseada na comunicação por rádio frequência, através de protocolos seriais, eliminando a necessidade dos cabos. Somado a isso, para o funcionamento de uma das arquiteturas sem o, as técnica de controle foram embarcadas no microcontrolador do sistema, e uma interface para acionamento por rádio controle foi desenvolvida. Este aspecto é importante para o estudo do quadrirotor desacoplado da plataforma em trabalhos futuros, transformando este sistema embarcado em uma controladora simples de voo. Como forma de validação do trabalho, os controladores foram aplicados na planta de controle, sendo os resultados comparados com as respostas simuladas do sistema. Os resultados foram satisfatórios, visto que o modelo representou o comportamento do sistema real. A técnica de controle com melhor desempenho foi o controlador PI baseado no projeto Openpilot.
Abstract: This project presents the development of the acquisition and control system of an experimentalquadrotor platform with its rotors arranged in plus con guration (\+"). This platform can becon gured with two or three degrees of freedom, allowing the study of its angular movementsof Roll, Pitch and Yaw. System modeling is performed by the virtual prototyping methodwith the aid of SolidWorks and ADAMS softwares. The rst one was used to build the 3Dvirtual prototype and to identify its mass properties. The second one is based on multibodymodeling techniques and is used to obtain the dynamic equations of the system and to generateits linear and nonlinear models. The control techniques employed to stabilize the aircraft'sattitude are the tracking system with eigenstructure assignment, LQR-I and PI inspired by theOpenpilot ight controller. The MATLAB/Simulink software was used for the construction,simulation and tuning of these controllers. To implement the control strategies and valida-tion of the obtained models in the experimental platform, a wired and wireless acquisitionsystem were developed to read the sensors and drive the actuators of the system. For the rst one, a PCI-6602 acquisition board from National Instruments has been integrated withMATLAB/Simulink software to perform aircraft control. However, the connecting cables ofthe sensors and actuators limited the yaw movement of the platform. Therefore, two wirelessacquisition architectures were implemented in an embedded system on a NXP FRDM-K64Fboard. These con gurations allowed the use of the microcontroller as a wireless acquisitionboard, where the interaction with MATLAB/Simulink software is based on radio frequencycommunication through serial protocols, eliminating the connection cables. In addition, forone of the wireless architectures, the control techniques were embedded in the FRDM-K64F'smicrocontroller and a radio control interface was developed. This aspect is important forthe study of the decoupled quadrotor in future works, transforming this embedded systeminto a simple ight controller. In order to validate this project, the controllers were appliedto the control plant and the results, were compared with the simulated system responses.The results were satisfactory, since the models represented the experimental platform beha-vior. The best performing control technique was the PI controller based on the Openpilot project.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/5454
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