Author(s): Velosa, Carlos Miguel Nóbrega
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/3642
Origin: uBibliorum
Subject(s): Quadrator - Controlo óptimo; Quadrator - Controlador de Batz-Keinman; Quadrator - Controlador gramiano; Quadrator - Filtro de Kalman
Um Quadrotor é uma aeronave com quatro rotores com algumas características dos helicópteros convencionais tais como a capacidade de pairar no ar. Contrariamente aos helicópteros e aos aviões, é uma aeronave capaz de se movimentar de um sítio para outro sem que tenha necessariamente uma determinada atitude como os aviões. É uma aeronave controlável dentro do seu domínio operacional, sem nenhuma margem de estabilidade estática, e exige portanto que a sua atitude seja constantemente controlada. Esta característica que a difere das outras aeronaves requer que o Quadrotor tenha pelo menos um controlador de atitude, caso contrário é quase impossível controlá-lo directamente por um operador. Assim, vários métodos de controlo modernos são apresentados nesta dissertação para a estabilização da posição e da atitude em referências programáveis. São eles o controlador LQR (Linear-Quadratic-Regulator), o controlador de Y. Elkrief, o controlador de Bar-Shalom, e o controlador de Batz-Kleinman. Um controlador a quatro dimensões designado por Gramiano é também implementado permitindo que o Quadrotor mude de um estado para outro num período temporal bem definido. Tendo em conta que um Quadrotor tem um consumo energético consideravelmente elevado devido aos seus quatro motores, é feita uma optimização da autonomia de voo para o tornar mais eficiente. O controlo da posição e da atitude é feito pelo controlador de Batz-Kleinman com uma trajectória definida por waypoints, o que permite que o Quadrotor cumpra uma determinada missão autonomamente. Quanto ao controlo da atitude, este é feito pelo controlador clássico LQR, pelo controlador de Elkrief, pelo de Bar-Shalom, pelo de Batz-Kleinman e pelo Gramiano. De modo a obter o estado do Quadrotor o mais “limpo” possível, isto é, sem ruído, um estimador de Kalman contínuo é implementado recorrendo à aproximação do espaço dual. Por fim, são apresentadas simulações em MatLab® do controlo da posição e sobretudo da atitude, é apresentada a resposta do estimador de Kalman, é feita uma conversão dos sinais de controlo para PWM (Pulse-Width Modulation) em C++ baseando-se na plataforma Arduino Mega, e termina com uma comparação entre os vários controladores.
A Quadrotor is an aircraft with four rotors with some characteristics of conventional helicopters such as the ability to hover. Contrary to helicopters and airplanes, it is an aircraft capable of moving from one place to another without necessarily having a certain attitude like airplanes. It is a controllable aircraft within its operational domain with no margin of static stability, and as a consequence it requires its attitude to be constantly controlled. This feature that differs from other aircraft requires that the Quadrotor has at least one attitude controller, otherwise it is almost impossible to control it directly by an operator. So, several methods of modern control are presented in this thesis to stabilize the position and the attitude in scheduled references. They are the LQR (Linear-Quadratic-Regulator) controller, the Y. Elkrief controller, the Bar-Shalom controller, and the Batz-Kleinman controller. A four dimension controller called Gramian is also implemented allowing the Quadrotor change from one state to another in a well-defined time period. Given that the Quadrotor has a pretty high energy consumption due to its four engines, it is made an optimization of flight endurance to make it more efficient. The control of the position and attitude is made by the Batz-Kleinman controller with a path defined by waypoints, which allows the Quadrotor fulfill a specific mission autonomously. As to attitude control, it is made by the classical LQR controller, by the Elkrief controller, by the Bar-Shalom controller, by the Batz-Kleinman controller, and by the Gramian controller. To obtain the status of the Quadrotor as “clean” as possible, ie without noise, a continuous Kalman estimator is implemented using the dual space approach. Finally, simulations of position and particularly of attitude control are presented using MatLab® , it is presented the Kalman estimator response, it is made a conversion of control signals to PWM (Pulse-Width Modulation) in C++ based on Arduino Mega platform, and ends with a comparison between several controllers.
