Sensoriamento, atuação e controle de gêmeo digital de um sistema aerodinâmico de dois rotores

Esta dissertação apresenta o desenvolvimento e validação do gêmeo digital (GD) para um sistema aerodinâmico com dois graus de liberdade (arfagem e guinada), integrando técnicas de sensoriamento, atuação e controle com o objetivo de aprimorar a precisão e a eficiência operacional. A motivação da pesquisa decorre da crescente demanda por aeronaves mais seguras, eficientes e confiáveis, destacando o potencial dos gêmeos digitais como réplicas virtuais dinâmicas capazes de simular, em tempo real, o comportamento de sistemas físicos. A abordagem adotada permite a realização de experimentos controlados, previsão de falhas e otimização de desempenho, promovendo a redução de custos associados à construção de protótipos físicos e viabilizando estratégias de manutenção preditiva em sistemas aeroespaciais. O estudo foi desenvolvido com base em um protótipo conceitual de baixo custo, construído em impressão 3D e instrumentado com motores brushless e uma Unidade de Medida Inercial (IMU MPU6050), utilizado com plataforma principal para aquisição e análise de dados em tempo real. A comunicação com o ambiente de controle foi realizada via plataforma Arduino, com processamento dos dados no MATLAB, onde foram aplicados controles PID e técnicas de filtragem, como filtro complementar. A calibração e avaliação do Gêmeo Digital (GD) foram realizadas a partir de dados experimentais do protótipo físico, assegurando a coerência entre o comportamento dinâmico observado no sistema real e aquele reproduzido pelo modelo computacional. Os resultados evidenciam a capacidade do modelo digital em reproduzir com fidelidade o comportamento dinâmico esperado do sistema físico, viabilizando estratégias proativas de controle e monitoramento que resultam em maior desempenho e segurança. Esta pesquisa reforça a relevância dos gêmeos digitais na engenharia aeroespacial, oferecendo uma plataforma robusta para o desenvolvimento de sistemas inovadores e contribuindo para o avanço das técnicas de simulação e controle de sistemas de engenharia.

Resumo (inglês)

This dissertation presents the development and validation of a digital twin (DT) for a twodegree-of-freedom aerodynamic system with pitch and yaw, integrating sensing, actuation, and control techniques with the aim of improving accuracy and operational efficiency. The motivation of the research stems from the growing demand for safer, more efficient, and more reliable aircraft, highlighting the potential of digital twins as dynamic virtual replicas capable of real-time simulation of the behavior of physical systems. The approach adopted enables controlled experiments, fault prediction, and performance optimization, promoting a reduction in costs associated with building physical prototypes and enabling predictive maintenance strategies in aerospace systems. The study was conducted using a low-cost proof-of-concept prototype, manufactured through 3D printing and equipped with brushless motors and an Inertial Measurement unit (IMU MPU-6050), which served as the primary platform for real-time data acquisition and analysis. Communication with the control environment was performed via an Arduino platform, with data processing in MATLAB, where PID controllers and filtering techniques, such as the complementary filter, were applied. The calibration and evaluation of the Digital Twin (DT) were carried out using experimental data obtained from the physical prototype, ensuring consistency between the dynamic behavior observed in the real system and that reproduced by the computational model. The results demonstrate the digital model faithfully reproduce the expected dynamic behavior of the physical system, enabling proactive control and monitoring strategies that enhance performance and operational safety. This research reinforces the relevance of digital twins in aerospace engineering by providing a robust platform for the development innovative systems and contributing to advances in simulation and control techniques for engineering systems.

Palavras-chave

Gêmeo digital , Sistema aerodinâmico , Sensoriamento , Atuação , Controle interface Arduino-MatLab

Idioma

Português

Citação

DIMBUNGO, Gaspar Luyeye Nzau. Sensoriamento, atuação e controle de gêmeo digital de um sistema aerodinâmico de dois rotores. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista, Bauru, 2026.