Desenvolvimento, integração e avaliação experimental de um sistema robótico híbrido aéreo-terrestre

Abstract

A crescente utilização de veículos aéreos e terrestres não tripulados impulsiona a pesquisa e aprimoramento dessas plataformas visando obter um sistema robótico mais eficiente. Nesse contexto, plataformas robóticas de locomoção híbrida aéreo-terrestre surgem como uma solução que combina a alta mobilidade de veículos aéreos não tripulados (VANTs) com a estabilidade e baixo consumo energético de veículos terrestres não tripulados (VTNTs). Este trabalho desenvolveu e avaliou experimentalmente uma plataforma robótica híbrida com arquitetura aberta e modular, voltada à execução de tarefas em ambientes de terreno irregular e difícil transposição. O desenvolvimento do protótipo compreendeu os projetos mecânico e elétrico, a integração dos sistemas de alimentação e comunicação e a implementação dos algoritmos de controle. Complementarmente, propôs-se o ajuste de filtros digitais a partir da caracterização vibratória do conjunto por meio de ensaios preliminares de voo pairado em ambiente interno. Essa medida foi adotada para melhorar o desempenho de manutenção da altitude em voo da plataforma construída, devido à influência do aumento de massa na atuação do multirrotor. O ajuste de filtros apresentou uma redução de aproximadamente 73,4% no desvio médio absoluto entre a altitude de referência e a medida de um VANT com uma carga de 0,887 kg acoplada, representando o sistema de propulsão terrestre. Posteriormente, com o protótipo completo, foram realizados ensaios em um percurso retilíneo de 20 metros, comparando-se o consumo energético nos modos terrestre e aéreo com o consumo de um veículo aéreo equipado com o mesmo sistema propulsor. Nas condições avaliadas, o consumo aéreo do VANT foi aproximadamente 6,29 vezes maior que o consumo terrestre do veículo híbrido, o que evidencia o benefício energético da locomoção terrestre e o potencial de aplicação das plataformas híbridas. Foram utilizados componentes de fácil aquisição e arquitetura de software e hardware aberta, como a controladora de voo Pixhawk 6C e o microcontrolador ESP32, visando favorecer a reprodução e pesquisa do sistema por outros pesquisadores.

The increasing use of unmanned aerial and ground vehicles drives research into and improvements to these platforms to develop more efficient robotic systems. In this context, hybrid aerial-ground robotic platforms offer a solution that combines the high mobility of unmanned aerial vehicles (UAVs) with the stability and low energy consumption of unmanned ground vehicles (UGVs). This work developed and experimentally evaluated a hybrid robotic platform with an open and modular architecture, intended for tasks in environments with uneven terrain that is difficult to traverse. Prototype development encompassed mechanical and electrical design, the integration of power supply and communication systems, and the implementation of control algorithms. Additionally, digital filter tuning was proposed based on vibration characterization of the system through preliminary indoor hover tests. This approach was adopted to enable flight of the developed platform, given the influence of increased mass on multirotor performance. Filter tuning resulted in an approximately 73.4% reduction in the mean absolute deviation between the reference and measured altitudes of a UAV carrying an additional 0.887 kg load representing the ground propulsion system. Subsequently, tests were conducted with the complete prototype along a straight 20-meter path, comparing its energy consumption in ground and aerial modes with that of an aerial vehicle equipped with the same propulsion system. Under the evaluated conditions, the UAV consumed approximately 6.29 times as much energy in flight as the hybrid platform did during ground locomotion, highlighting the energy benefits of ground locomotion and the application potential of hybrid platforms. Readily available components with open architectures, such as the Pixhawk 6C flight controller and the ESP32 microcontroller, were used to help other researchers reproduce and further investigate the system.