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Título: Controle em ambientes interiores de veículos aéreos não tripulados
Autor(es): Santos, Milton César Paes
Orientador: Sarcinelli Filho, Mário
Coorientador: Carelli, Ricardo
Brandão, Alexandre Santos
Data do documento: 20-Out-2017
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: Esta Tese de Doutorado propõe controladores não lineares para serem aplicados a veículos aéreos não tripulados (VANTs) em missões de posicionamento, rastreamento de caminhos e seguimento de trajetória no espaço aéreo 3D. Adicionalmente, mostra-se um protótipo de uma plataforma para utilização dos VANTs em ambientes interiores, com diversas ferramentas computacionais que possibilitam utilizar robôs aéreos nessas missões clássicas de navegação. Para contextualizar as ferramentas desenvolvidas, destacam-se o desenvolvimento de algoritmos de detecção e localização de objetos no ambiente e um modelo de fusão sensorial descentralizado que é utilizado para melhorar os dados de postura (posição e orientação) do VANT medidos, além de detectar obstáculos. Posteriormente, o mesmo filtro de fusão é utilizado para combinar sinais de controle PVTOL (do inglês Planar Vertical Takeoff and Landing), relaxando as restrições de movimento da aeronave, antes limitadas ao deslocamento no eixo Z e nos planos verticais XZ e YZ. De forma complementar, a implementação de sistemas de navegação e controle é baseada em dois modelos dinâmicos diferentes, um deles simples e o outro detalhado. Os sistemas de controle são projetados utilizando-se técnicas clássicas de inversão de modelo, que se demonstra uma metodologia eficiente para o projeto de controladores para as aplicações desenvolvidas, a saber posicionamento, seguimento de trajetória e seguimento de caminhos. Adicionalmente, são projetados um controlador de desvio de obstáculo, para evitar colisão, um controlador adaptativo e um controlador com saturação das velocidades máximas. A estabilidade dos controladores é comprovada pela convergência assintótica das variáveis de controle e pelo cumprimento do objetivo de controle durante as simulações e experimentos realizados, em conformidade com a análise teórica.
This thesis proposes nonlinear controllers to be applied to unmanned aerial vehicles (UAVs) in positioning, trajectory-tracking and path-following missions in 3D airspace. In addition, a prototype of a platform conceived to allow using UAVs in indoor environments is shown, with several computational tools that allows using aerial robots in such classic navigation missions. In order to contextualize the developed tools, we highlight the development of algorithms for the detection and localization of objects in the environment and a decentralized sensorial fusion structure that is used to improve the measurement of the posture data (position and orientation) of the UAVs, in addition to detecting obstacles. Subsequently, the same fusion filter is used to combine PVTOL (Planar Vertical Takeoff and Landing) control signals, relaxing the aircraft motion constraints, previously limited to displacement along the Z axis and the XZ and YZ vertical planes. Complementarily, the implementation of navigation and control systems is based on two different dynamic models, one simple and the other detailed. The control systems are designed using classic model inversion techniques, which has shown to be an efficient methodology for the design of controllers for the developed applications, namely positioning, trajectory-tracking and path-following. Additionally, a collision avoidance controller, an adaptive controller, and a controller with maximum speed saturation are designed. The stability of such controllers is demonstrated by the asymptotic convergence of the control variables and by the fulfillment of the control objective during the simulations and experiments performed, as expected from the theoretical analysis.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/9690
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