Dissertação

{pt_PT=Control and Estimation Methods for Unknown Load Transportation with Quadrotors} {} EVALUATED

{pt=Esta tese apresenta metodologias para o controlo de altura de um quadrirotor com uma carga constante desconhecida, utilizando estimativas da massa e das variáveis de estado baseadas em medições obtidas dos sensores de movimento instalados a bordo. É também necessário que as soluções para a estimação e controlo obtenham erro estático nulo na posição e, dado não haver sensor de velocidade a bordo, forneçam estimativas da velocidade vertical. As soluções consideradas abrangem métodos lineares e não-lineares. Estas incluem métodos algébricos, controlo clássico, controlo e estimação ótimos, ação integrativa, métodos multi-modelo, controlo por modos deslizantes e controlo adaptativo. Todos os métodos foram testados em simulação e os três métodos mais promissores foram validados em mais detalhe. A primeira solução proposta usa como controlador a solução sub-ótima estacionária de um Regulador Linear Quadrático (LQR), onde se adiciona ação integrativa. O problema da estimação de estado e de parâmetros durante o voo é tratado recorrendo a um estimador adaptativo multi-modelo. A segunda solução incorpora um controlador adaptativo multi-modelo, utilizando controladores LQR com ação integrativa e filtros de Kalman com componente integrativa. A última solução estudada usa um controlador adaptativo, por escalonamento dos ganhos do regulador LQR e por ajuste da compensação da força gravitacional. O problema de estimação é resolvido recorrendo a um estimador adaptativo multi-modelo. Os sistemas de controlo obtidos foram validados recorrendo a um quadrirotor comercial, disponível no mercado e equipado com uma Unidade de Medição Inercial (IMU), um sensor ultrassom para medir a altura e um barómetro, entre outros sensores. , en=This thesis presents methodologies for height control of a quadrotor that transports a piecewise constant unknown load, given the estimates on both weight and state variables, based on measurements from motion sensors installed on board. The control and estimation solutions were required to guarantee null steady state position error and provide vertical velocity estimates, given that there is no velocity sensor on board the quadrotor. The approaches considered encompass linear and non-linear methods. They include an algebraic solution, classical control, optimal control and estimation, integrative action, multi-model methods, sliding mode control, and adaptive control techniques. All methods were tested in simulation and the three most promising approaches were selected for proposal. The first proposed solution has as controller the sub-optimal steady state solution of a Linear\break Quadratic Regulator (LQR) problem, where an integrative effect is added. The in-flight estimation problem is tackled resorting to a multiple-model adaptive estimator. The second solution is a Multi-Model Adaptive Controller, using LQR with integrative action, and Kalman filter with integrative component. The last solution incorporates an adaptive controller, scheduling LQR gains and gravitational force compensation. The in-flight estimation problem is tackled resorting to a multiple-model adaptive estimator. The control systems obtained were validated resorting to an off-the-shelf commercially available quadrotor, equipped with an Inertial Measurement Unit (IMU), an ultrasound height sensor, and a barometer, among other sensors.}
{pt=Quadrirotor, Controlo de Altura, Estimação, Carga Desconhecida, en=Quadrotor, Height Control, Estimation, Unknown Load}

Junho 21, 2018, 10:0

Orientação

ORIENTADOR

Carlos Baptista Cardeira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado