Controle de transição para veículo de decolagem e aterrissagem vertical - VTOL

Abstract

No contexto de veículos aéreos tripulados e não tripulados, o eVTOLs são aeronaves que vêm se destacando no século XXI, com projeções promissoras para o futuro. Com aplicabilidades desde o transporte de carga até o de pessoas, essas aeronaves unem a versatilidade de um helicóptero com a eficiência e autonomia de um asa fixa. Uma fase importante presente no voo dessas aeronaves é a transição da condição de voo pairado para o voo de cruzeiro, onde forças provenientes dos lifters e da asa fixa coexistem e geram desafios de controle para os sistemas de automatismo. Com o objetivo de estudar, desenvolver e aprimorar os conceitos de controle da fase de transição, o presente trabalho adaptou e modelou uma aeronave radio controlada eVTOL de pequeno porte. Controles de voo pairado e de voo asa fixa foram propostos para atuarem nas diferentes fases de voo. Para comandar a interação entre ambos, um sistema de switch foi proposto e estratégias diferentes de controle foram estudadas e testadas, como por exemplo a função sigmoide para o switch entre controladores. Verificou-se que dependendo dos parâmetros escolhidos, é facilmente provocado o fenômeno de estol durante a fase de transição, realçando a alta dependência nas forças de tração dos lifters para velocidades iguais ou ligeiramente superiores à velocidade de estol, de forma a proporcionar sucesso na transição. Os melhores resultados foram obtidos para configurações em que ainda havia pouca ou alguma força gerada pelos Lifters em velocidades até 10 % acima da velocidade de estol da aeronave.

In the context of manned and unmanned aerial vehicles, eVTOLs (Electric Vertical Takeoff and Landing) are aircraft that have been gaining prominence in the 21st century, with promising projections for the future. With applications ranging from cargo to passenger transport, these aircraft combine the versatility of a helicopter with the efficiency and autonomy of a fixed-wing aircraft. An important phase in the flight of these aircraft is the transition from a hovering condition to cruise flight, where forces from lifters and the fixed wing coexist, presenting control challenges for automation systems. In order to study, develop, and improve control concepts during the transition phase, the present work adapted and modeled a small-scale radio-controlled eVTOL aircraft. Controls for hovering flight and fixed-wing flight were proposed. To manage the interaction between the two, a switch system was proposed, and different control strategies were studied and tested, such as the sigmoid function for the switch between controllers. It was observed that depending on the chosen parameters, the stall phenomenon is easily triggered during the transition phase, highlighting the high dependence on lifters’ forces for speeds equal to or slightly higher than the aircraft’s stall speed, to ensure successful transition. The best results were obtained for configurations in which there was still little or some force generated by the lifters at speeds up to 10 % above the aircraft’s stall speed.