Dissertação
Tube-based MPC with economical criteria for load transportation tasks using tilt-rotor UAVs
Fecha
2018-02-19Autor
Marcelo Alves dos Santos
Institución
Resumen
Essa dissertação de mestrado aborda o controle de um Veículo Aéreo Não Tripulado
(VANT) na conĄguração Tilt-rotor utilizado para o transporte de carga. Propõe-se resolver
esse problema através de leis de controle ótimo com horizonte deslizante, especiĄcamente,
métodos de controle preditivo baseado em modelo (MPC). O objetivo principal é obter
controladores capazes de realizar o seguimento de uma trajetória desejada mantendo o
sistema estável mesmo na presença de incertezas e perturbações.
Inicialmente é proposta uma estratégia de controle utilizando um MPC na formulação
incremental com modelo de predição linear e invariante no tempo. Posteriormente, essa
formulação é estendida para considerar modelos de predição lineares e variantes no tempo,
possibilitando lidar de maneira simples com o problema de variação de parâmetros do
sistema, como massa e comprimento do cabo conectando a carga suspensa ao VANT, o
que permite realizar manobras de decolagem e aterrissagem com a carga ainda em contato
com o solo. Além disso, essa estratégia trata o problema de seguimento de trajetória
considerando diferentes pontos de equilíbrio do sistema linearizado, sendo também possível
realizar seguimento de trajetória do ângulo de guinada do VANT sem instabilizar o sistema.
Ademais, é desenvolvido nesse trabalho um controlador MPC com critério econômico, sendo
este critério integrado ao funcional de custo do controlador através de funções potenciais de
atração e repulsão. Isso possibilita ao sistema de controle lidar com o problema de desvio
de obstáculos escolhendo uma trajetória econômica que evita colisão e reduz o erro entre a
trajetória inicial e a executada pelo VANT. Ainda, é abordada uma classe de controladores
preditivos robustos, o controlador preditivo baseado em tubos. Para garantir robustez ao
sistema, esse controlador utiliza em sua formulação algumas técnicas bem conhecidas em
teoria de conjuntos para deĄnir no espaço de estados conjuntos alcançáveis e regiões de
estabilidade que limitam a diferença entre a trajetória predita pelo modelo nominal e pelo
modelo que leva em consideração perturbações e incertezas limitadas. Esse controlador,
devido ao custo computacional das ferramentas de teoria de conjuntos, será utilizado
em cascata com um controlador não linear baseado na linearização por realimentação de
saída. Finalmente, as características de robustez do controlador baseado em tubos são
combinadas ao controlador MPC econômico para gerar uma nova estratégia de controle
robusto com critérios econômicos.