Effects of endowing tilt-rotor mechanisms in the context of multi-copters

Autor: Felipe Machini Malachias Marques
Přispěvatelé: Finzi Neto, Roberto Mendes, Cavalini, Aldemir Aparecido Junior, Raffo, Guilherme Vianna, Galvão, Roberto Kawakami Harrop, Gonçalves, Rogério Salles, Molina, Fabian Andres Lara
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFU
Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
instacron:UFU
DOI: 10.14393/ufu.te.2022.15
Popis: CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico 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. 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. Tese (Doutorado)
Databáze: OpenAIRE
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