Dissertação

{pt_PT=High-altitude Balloon Trajectory Prediction with Corrections based on Real-Time Observations} {} EVALUATED

{pt=Balões de grande altitude (BGA) ascendem sem gasto de energia, mas habitualmente não podem ser controlados, visto não possuírem motores ou outros atuadores. Veículos aéreos não-tripulados (VANT), no entanto, consomem energia para conseguir ascender, mas podem ser consistentemente controlados. Combinar ambos numa plataforma híbrida de forma a aumentar a complexidade e alcance de missões científicas é uma solução ainda inexplorada, sendo esse o objetivo do projeto HABAIR, no âmbito do qual se insere este trabalho. Para tal ser possível, uma ferramenta eficaz para planeamento de trajetória de BGA deve ser criada para permitir um planeamento de missão versátil. Os preditores existentes apenas permitem previsões a priori, baseadas em condições assumidas do lançamento e previsões de vento. Considerando a falta de informações de previsão de vento vertical, propõe-se uma implementação que corrige as trajetórias em tempo real para tentar compensar quaisquer interações não-modeladas. As correções são feitas em tempo real através de um filtro de Kalman, com equações de cinemática com aceleração nula para estimar a trajetória usando informação de ficheiros de previsão de vento horizontal e baseado em condições de lançamento definidas pelo utilizador. Os resultados foram validados comparando com preditores existentes e com observações reais de voos do Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) e do HABAIR. Verificou-se que realizar correções às trajetórias leva a uma melhoria significativa nos resultados, compensando até assunções erradas ou erros no lançamento. Outra componente da implementação permite a definição de cargas específicas adicionais a serem largadas., en=High-altitude balloons (HAB) can ascend without spending energy, but cannot normally be controlled due to not possessing motors or other actuators. Unmanned aerial vehicles (UAV), on the other hand, consume energy to ascend, but can be controlled reliably. Combining both technologies in a hybrid platform to increase the complexity and reach of scientific missions is still an unexplored approach, and is the goal of the HABAIR project, in the scope of which this work is inserted. For this to be possible, an effective HAB trajectory prediction tool must be created to allow for versatile mission planning. Existing online predictors only allow for trajectory estimations a priori, based on assumed launch conditions and wind forecast data. Considering the lack of vertical wind forecast information, this work proposes additional functionalities as performing trajectory corrections in real-time to try and address all unmodeled weather interactions. The corrections are performed in real-time with a Kalman filter implementation, and zero-acceleration kinematics equations are used to estimate the trajectory, using horizontal wind velocity data from forecast files and user-defined launch conditions. The achieved implementation was validated in comparison to other available online estimators, and also using observation data from flights by Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) and HABAIR. It was verified that performing trajectory corrections leads to very significant improvements to the estimations, even compensating for wrong assumptions or errors in launch conditions. Another implemented feature allows the user to define specific payloads to be dropped during the HAB flight.}
{pt=balão de grande altitude, veículo aéreo não tripulado, filtro de Kalman, previsão de trajetória em tempo real, en=high-altitude balloon, unmanned aerial vehicle, Kalman filter, real-time trajectory prediction}

Dezembro 5, 2019, 11:0

Orientação

ORIENTADOR

Alexandra Bento Moutinho

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

José Raul Carreira Azinheira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar