Effects of endowing tilt-rotor mechanisms in the context of multi-copters

Efeitos da inclusão de mecanismos tilt-rotor no contexto de multirrotores

dc.contributorFinzi Neto, Roberto Mendes
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/3792275882221002
dc.contributorCavalini, Aldemir Aparecido Junior
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/0387727577180664
dc.contributorRaffo, Guilherme Vianna
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/8001209726245510
dc.contributorGalvão, Roberto Kawakami Harrop
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/2331014850737529
dc.contributorGonçalves, Rogério Salles
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/9474579551520236
dc.contributorMolina, Fabian Andres Lara
dc.contributorhttp://lattes.cnpq.br/9396512408023675
dc.creatorMarques, Felipe Machini Malachias
dc.date2022-04-08T13:22:15Z
dc.date2022-04-08T13:22:15Z
dc.date2022-02-11
dc.date.accessioned2023-09-28T21:19:44Z
dc.date.available2023-09-28T21:19:44Z
dc.identifierMARQUES, Felipe Machini Malachias. Efeitos da inclusão de mecanismos tilt-rotor no contexto de multirrotores. 2022. 188 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.15.
dc.identifierhttps://repositorio.ufu.br/handle/123456789/34631
dc.identifierhttp://doi.org/10.14393/ufu.te.2022.15
dc.identifier.urihttps://repositorioslatinoamericanos.uchile.cl/handle/2250/9067913
dc.descriptionStandard fixed-rotor multi-copters are classified as underactuated systems. For such cases, position and attitude control cannot be achieved independently due to the number of control inputs. To overcome this, novel multi-copter designs containing vectoring thrust mechanisms have been studied. This strategy, denominated tilt mechanism, has been widely employed on bi-copters, tri-copters, quad-copters and hexa-copters. In this context, this study concerns the dynamical modeling of a tilting rotor multi-copter aerial vehicle capable of tilting its motors laterally. Based on that, the control decoupling properties of the model are explored emphasizing the trade-off between mechanical complexity versus system maneuverability and controllability. For this, a tilt-rotor bi-copter test bench is developed for model and control validation. Then, two control design formulations are proposed and validated experimentally. First, the Linear Quadratic Tracking (LQT) is employed for trajectory tracking considering fixed and tilt-rotor configurations. In the sequel, a Model Predictive Controller (MPC) is designed for position tracking considering tilt deflection limitations, actuator dynamics and control decoupling between attitude and horizontal displacement. The results have shown that the tilt mechanism dynamics have major influence in lateral motion of the multi-copter. Moreover, the MPC dynamic decoupling control strategy presented some improvement over the LQT controller being able to properly handle the tilt-deflection constraints.
dc.descriptionCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.descriptionCNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
dc.descriptionTese (Doutorado)
dc.descriptionEm geral, multirrotores com rotores fixos são classicados como sistemas subatuados. Nesses casos, o número de variáveis de controle torna inviável realizar o controle de posição e atitude de forma independente. A fim de reverter esse cenário, novas configurações de multirrotores contendo mecanismos de vetorização de empuxo têm sido estudadas. Essa estratégia, denominada tilt-rotor, vêm sendo empregada em bicópteros, tricópteros, quadcópteros e hexacópteros. Nesse contexto, o presente estudo trata da modelagem dinâmica e controle de um veículo multirrotor tilt-rotor capaz de rotacionar seus motores lateralmente. Assim, busca-se explorar as propriedades de desacoplamento de controle do sistema enfatizando a ponderação entre complexidade mecânica versus a controlabilidade e manobrabilidade do veículo. Para isso, é proposto o desenvolvimento de uma bancada contendo um bicóptero tilt-rotor para validação do modelo e leis de controle. Então, duas formulações de controle são propostas e validadas experimentalmente. A primeira delas é baseada na técnica Linear Quadratic Tracking (LQT) empregada para rastrear um sinal de referência considerando configurações com rotores fixos e tilt. Em seguida, projeta-se o controlador a partir da concepção do Model Predictive Control (MPC) para rastreamento de posição considerando limitações nas deflexões do tilt, a dinâmica do atuador e o desacoplamento de controle entre deslocamento horizontal e atitude. Os resultados obtidos mostram que a dinâmica do mecanismo de vetorização de empuxo tem grande influência sobre o movimento lateral do multirrotor. Ainda, a estratégia de desacoplamento de controle junto com a técnica MPC apresentou melhorias significativas sobre o LQT tendo em vista a sua capacidade de gerenciar as restrições de deflexão do mecanismo tilt.
dc.formatapplication/pdf
dc.languageeng
dc.publisherUniversidade Federal de Uberlândia
dc.publisherBrasil
dc.publisherPrograma de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectMulti-copters
dc.subjectTilt-rotor
dc.subjectUnmanned Aerial Vehicle (UAV)
dc.subjectModel Predictive Control (MPC
dc.subjectLinear Quadratic Regulator
dc.subjectBi-dopter
dc.subjectVeículos Aéreos Não Tripulados (VANTS)
dc.subjectControle Preditivo
dc.subjectMultirrotor
dc.subjectVetorização de empuxo
dc.subjectRegulador Linear Quadrático
dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA AEROESPACIAL::DINAMICA DE VOO::ESTABILIDADE E CONTROLE
dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::CONTROLE DE SISTEMAS MECANICOS
dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::PROJETOS DE MAQUINAS::TEORIA DOS MECANISMOS
dc.subjectCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::ELETRONICA INDUSTRIAL, SISTEMAS E CONTROLES ELETRONICOS::CONTROLE DE PROCESSOS ELETRONICOS, RETROALIMENTACAO
dc.subjectEngenharia mecânica
dc.subjectPesquisa (Vetor)
dc.subjectRotores - Dinâmica
dc.subjectControle preditivo
dc.titleEffects of endowing tilt-rotor mechanisms in the context of multi-copters
dc.titleEfeitos da inclusão de mecanismos tilt-rotor no contexto de multirrotores
dc.typeTese


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