Projeto de piloto automático para um vant de pequena escala: modelagem e simulação

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Data

2022-03-18

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have been the focus of intense research for several years. Its applicability is extremely wide and capable of providing significant advances in important areas such as precision agriculture, georeferencing, monitoring and defense, among others. Nowadays, it is possible to achieve a high level of reliability and productivity, allied to incredibly versatile aircrafts. The development of a UAV is complex and consists of several non-trivial steps. Among them, it can be cited the dynamic modeling of the aircraft, as well as the design of a control system capable of performing a safe automatic flight and, in some more complex cases, autonomous flight. The present work took focus on the mathematical modeling of a fixed-wing small scale remotely piloted aircraft, on the development of an automatic flight control system, and on a simulation environment that allowed the interconnection and the dynamic evaluation of the project. Through computational analysis and, with the help of 3D drawings in CAD (Computer Aided Design), it was possible to obtain the essential data of the aircraft such as moment of inertia, aerodynamic coefficients and stability-control derivatives. Using MATLAB and Simulink software it was possible to develop the simulation environment and, on the same platform, through the SLC method (Successive Loop Closure), the control laws and the autopilot system were proposed. As a result, an aircraft model was obtained, a simulation environment that allowed visual analysis of flight behavior, and a control system capable of maintaining safe automatic flight in unstable atmosphere, through inputs such as desired speed, altitude and heading. In the end, it was possible to acquire a broader view of the complex functioning of these important machines and propose future modifications and continuations to the project.
Veículos aéreos não tripulados (VANTs ou, UAVs do Inglês) têm sido foco de intensa pesquisa há vários anos. Sua aplicabilidade é extremamente ampla e capaz de fornecer avanços significativos em setores importantes como o da agricultura de precisão, georreferenciamento, monitormento e defesa, dentre outros. Atualmente, é possível alcançar alto nível de confiabilidade e produtibilidade, aliados à aeronaves cada vez mais versáteis. O desenvolvimento de um UAV é complexo e é composto por várias etapas não triviais. Dentre elas destacam-se a modelagem dinâmica da aeronave, assim como o projeto de um sistema de controle capaz de realizar o voo automático em segurança e, em alguns casos mais complexos, o voo autônomo. No presente trabalho colocou-se foco na modelagem matemática de uma aeronave asa fixa remotamente pilotada e de pequena escala, no desenvolvimento de um sistema de controle automático de voo, e de um ambiente de simulação que permitisse a interconexão e a avaliação dinâmica do projeto. Por meio de análises computacionais e, com o auxílio de desenhos 3D em CAD (Computer Aided Design), foi possível obter os dados essenciais da aeronave como momento de inércia, coeficientes de aerodinâmicos e derivadas de estabilidade e controle. Utilizando os softwares MATLAB e Simulink foi possível desenvolver o ambiente de simulação e, na mesma plataforma, por meio do método SLC (Successive Loop Closure), propuseram-se as leis de controle e o sistema de piloto automático. Como resultado obteve-se uma modelagem de aeronave, um ambiente de simulação que permitiu análises visuais do comportamento do voo, e um sistema de controle capaz de manter o voo automático em atmosfera instável, mediante entradas como velocidade, altitude e rumo desejadas. Ao final, foi possível adquirir uma visão mais ampla do complexo funcionamento dessas importantes máquinas e propor futuras modificações e continuações ao projeto.

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Palavras-chave

Engenharia, Drone, Automação, Controle de voo

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