Dissertação

{pt_PT=Linear and Nonlinear Control of UAVs: Design and Experimental Validation} {} EVALUATED

{pt=A presente dissertação apresenta soluções de controlo posicional e angular para um drone recorrendo a métodos lineares e não lineares. O modelo dinâmico do veículo aéreo é obtido. Os controladores não lineares são projetados considerando o modelo completo, enquanto que, para a síntese dos controladores lineares, uma linearização das dinâmicas do sistema é requerida. Linear Quadratic Regulator e Feedback Linearization foram as estratégias utilizadas para atacar o problema de controlo. Duas arquiteturas distintas tendo por base a abordagem linear foram concebidas e três diferentes estruturas de controlo, explorando os conceitos de realimentação estática e dinâmica, foram desenvolvidas com recurso à técnica não linear. A capacidade de seguimento de uma trajetória na presença de medições ruidosas de sensores e a robustez a variações significativas dos valores da massa e da inércia foram avaliadas em simulação, possibilitando, assim, a determinação das soluções lineares e não lineares mais promissoras com vista a serem posteriormente validadas experimentalmente. A abordagem linear selecionada consiste numa estrutura de controlo em anel duplo, sendo que ambos os anéis uma ação integrativa é incorporada. A segunda solução compreende um anel interno não linear que resulta da aplicação do método Feedback Linearization às dinâmicas angulares. Controladores quadráticos lineares com ação integrativa são implementados na cadeia de integradores resultante desta aplicação e também no anel externo de modo a controlar e estabilizar as zero dynamics. Os esquemas de controlo selecionados são implementados num quadricóptero disponível no mercado. Os resultados obtidos validam a modelação e as arquiteturas dos sistemas de controlo desenvolvidos. , en=This dissertation presents full control solutions for a quadrotor using linear and nonlinear methods. The dynamical model of the quadrotor is derived. The nonlinear controllers are designed considering this model, a linearization of the dynamics is required to synthesize the linear controllers. Linear Quadratic Regulator and Feedback Linearization were the techniques applied to tackle the control problem. Two control structures were devised using the linear approach and three different architectures, exploring the concepts of static and dynamic feedback, were developed for the nonlinear method. The capacity of trajectory tracking, in the presence of measurements noise, and the robustness to significant deviations of the mass and inertia values were evaluated in simulation. Thereby, the most promising linear and nonlinear solutions were selected for implementation in the actual quadrotor. The selected linear approach consists of an inner-outer loop control structure with integrative action incorporated in both loops. The second solution comprises a nonlinear inner loop that results from the application of static feedback linearization to the attitude and altitude dynamics. Linear quadratic controllers with integrative action are implemented not only to the resulting inner-loop chain of integrators, but also to the outer-loop, that controls the horizontal movement and, consequently, stabilizes the zero-dynamics. The selected control systems are implemented in a commercially available drone. The results obtained allow the validation of the modeling and control system architectures. }
{pt=Controlo, Linear Quadratic Regulator, Feedback Linearization, Ação Integrativa, Seguimento de Trajetória, en=Control, Linear Quadratic Regulator, Feedback Linearization, Integrative Action, Trajectory Tracking}

Junho 26, 2019, 11:0

Orientação

ORIENTADOR

Paulo Jorge Coelho Ramalho Oliveira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Associado

ORIENTADOR

Carlos Baptista Cardeira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar