desenvolvimento de um ambiente de simulac˘ao de …

DESENVOLVIMENTO DE UM AMBIENTE DE SIMULACAO DE VANTSTILT-ROTOR PARA TESTES DE ESTRATEGIAS DE CONTROLE

Arthur V. Lara∗, Brenner S. Rego†, Guilherme V. Raffo∗†, Janier Arias-Garcia∗

∗Departamento de Engenharia Eletronica, Universidade Federal de Minas GeraisBelo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

†Programa de Pos-Graduacao em Engenharia Eletrica, Universidade Federal de Minas GeraisBelo Horizonte, Minas Gerais, Brasil

Emails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract— This paper presents a simulation environment for testing control strategies of tilt-rotor unmannedaerial vehicles. The proposed system is based on the robotic simulator Gazebo, along with the framework ofrobotic applications ROS (Robotic Operating System). A graphical user interface was developed to allow adetailed configuration of simulations, including the aircraft model to be simulated and its physical parameters,available instrumentation, the control strategy to be evaluated and also scenario. The simulation environmentis validated through a numerical experiment involving the load transportation task, considering a discrete-timecontrol strategy based on the mixed H2/H∞ formulation with pole placement constraints. The results are thencompared to ones obtained through simulation in MATLAB/Simulink environment.

Keywords— Tilt-rotor UAV, Robotic simulator, Control systems, Aerial vehicles.

Resumo— Este artigo apresenta um ambiente de simulacao para testes de estrategias de controle de veıculosaereos nao tripulados na configuracao tilt-rotor. O sistema proposto e baseado no simulador robotico Gazebo,em conjunto com o framework de aplicacoes roboticas ROS (Robot Operating System). Foi desenvolvida umainterface grafica que permite a configuracao detalhada das simulacoes, incluindo o modelo da aeronave a sersimulada e seus parametros fısicos, instrumentacao disponıvel, estrategia de controle a ser avaliada e cenario.O ambiente de simulacao e validado atraves de um experimento numerico envolvendo a tarefa de transporte decarga, considerando uma estrategia de controle em tempo discreto baseada na formulacao H2/H∞ mista comrestricao na alocacao de polos. Os resultados sao entao comparados aos obtidos via simulacao em ambienteMATLAB/Simulink.

Palavras-chave— VANT tilt-rotor, Simulador robotico, Sistemas de controle, Veıculos aereos.

1 Introducao

Recentes avancos tecnologicos tem permitido odesenvolvimento de veıculos aereos nao tripula-dos (VANTs) comerciais, resultando em um au-mento significativo de sua popularidade, atraindotanto a atencao da industria, quanto de pesquisa-dores. Utilizados inicialmente para fins militares,os VANTs tem sido encontrados em diversas apli-cacoes civis, como pulverizacao de culturas, mo-nitoramento de estradas, missoes de busca e res-gate, inspecao de incendios, filmagens cinemato-graficas e entregas de suprimentos em locais dedifıcil acesso.

Entre as varias configuracoes de VANTs, asaeronaves hıbridas tem recebido atencao signifi-cativa nos ultimos anos devido as suas vantagenssobre aeronaves de asa rotativa e asa fixa, sendouma das configuracoes mais populares o tilt-rotor(Norton, 2004). Esta e caracterizada por pos-suir dois propulsores e mecanismos responsaveispor inclina-los, permitindo dois modos de ope-racao: helicoptero e aviao. Combinando ambosos modos, um VANT na configuracao tilt-rotor ecapaz de realizar tanto decolagem e pouso ver-ticais, quanto voos de avanco com maiores velo-cidades quando comparado a um VANT de asarotativa. Essas caracterısticas permitem realizar

missoes em ambientes fechados e abertos.

O desenvolvimento de sistemas de controlepara realizar voos autonomos de VANTs requeruma atencao especial na fase de projeto, com oobjetivo de se alcancar todas as especificacoes ecumprir a missao com sucesso. Os sistemas decontrole sao essencialmente compostos por ins-trumentacao, hardware embarcado e algoritmosde controle, cuja validacao experimental requera realizacao sistematica de diferentes testes, de-mandando um tempo significativo, e ainda compotenciais prejuızos provenientes de falhas provo-cadas por quaisquer componentes dentre os cita-dos. Dentre as ferramentas de testes de sistemasde controle existentes, a simulacao computacionalconstitui uma alternativa para atenuar os proble-mas acima apresentados. Alem disso, esta permitea selecao de diferentes cenarios, configuracoes deVANTs, instrumentos e parametros, tornando-seadaptavel a diferentes necessidades de projeto.

Na literatura sao encontrados alguns traba-lhos voltados ao desenvolvimento de ambientes desimulacao de VANTs para avaliacao de estrate-gias de controle. Em Figueiredo e Saotome (2012)foi desenvolvido o modelo de um VANT quadrotorno simulador X-plane para avaliacao do desempe-nho de um controlador PD com o auxılio do am-biente Matlab/Simulink. Em Sorton e Hamma-

XIII Simposio Brasileiro de Automacao Inteligente

Porto Alegre – RS, 1o – 4 de Outubro de 2017

ISSN 2175 8905 2135

ker (2005) foi testado via hardware-in-the-loop umprototipo de um piloto automatico para VANTsde asa fixa com o auxılio do simulador FlightGear.Entretanto, os simuladores X-plane e FlighGearnao permitem a simulacao de aeronaves compostaspor multiplos corpos rıgidos, sendo que o primeironao e um software de codigo aberto. Em Nagatyet al. (2013), o simulador Gazebo foi utilizado paraa avaliacao de um controlador em cascata paraVANTs quadrotor. Ja em Olivares-Mendez et al.(2015) foi apresentado um sistema de controle si-mulado atraves do V-REP, baseado em visao com-putacional, para um VANT quadrotor. Contudo,apesar do V-REP permitir a simulacao de siste-mas multicorpos, este oferece pouco suporte paraa edicao de parametros de modelos, cenario e si-mulacao por meio de software externo.

Este trabalho esta inserido no projeto de pes-quisa ProVant, realizado pela Universidade Fede-ral de Santa Catarina e pela Universidade Federalde Minas Gerais, cujo objetivo principal e o desen-volvimento de VANTs na configuracao tilt-rotor.Neste contexto, o artigo apresenta o desenvolvi-mento de um ambiente de simulacao baseado emmodelos CAD (Computer Aided Design) 3D, como intuito de tornar seguro o processo de desen-volvimento e validacao de estrategias de controle,sendo esta etapa anterior a realizacao de provasde voo. Alem disso, o ambiente de simulacao econfiguravel via interface grafica para tilt-rotors epossui uma arquitetura de software que emula aarquitetura de software embarcado do VANT, ob-jetivando assim a realizacao de futuras simulacoesvia hardware-in-the-loop.

O ambiente de simulacao esta baseado no si-mulador Gazebo e o framework de desenvolvi-mento de aplicacoes roboticas ROS (Robot Opera-ting System). O ROS dispoe de repositorios comvarios modulos de software, e fornece uma inter-face de programacao de aplicacoes para robotica.Ja o simulador Gazebo e um software de simulacao3D de licenca gratuita sob a responsabilidade daOpen Source Robotics Foundation (OSRF), capazde simular o comportamento dinamico de corposrıgidos articulados, alem de incluir outras funcio-nalidades como deteccao de colisao e visualizacaografica.

2 Especificacoes

Este trabalho apresenta um ambiente de simu-lacao desenvolvido para VANTs na configuracaotilt-rotor, com o objetivo de avaliar o desempe-nho de estrategias de controle. Na primeira etapa,utilizou-se como hipotese inicial de projeto a ne-cessidade de simular apenas uma aeronave por ex-perimento e, entao, foram definidos os requisitosfuncionais e nao-funcionais que estao apresentadosnas Tabelas 1, 2, 3 e 4. Os requisitos funcionais fo-ram especificados de acordo com tres criterios: (i)

usabilidade de VANTs com diferentes configura-coes; (ii) testabilidade de estrategias de controle;(iii) configuracao de simulador.

Tabela 1: Requisitos nao-funcionais

Requisito Motivo

Uso de software delicenca gratuita e

codigo aberto

Permitir que o desenvolvedoraltere o codigo fonte

conforme sua necessidadeUso de modelos

projetados atravesde ferramentas

CAD (ComputerAided Design) 3D

Utilizar projetos mecanicosja existentes dos prototipos

de VANTs tilt-rotordesenvolvidos pelo ProVant

Abstracao deaspectos tecnicos

Tornar intuitiva a utilizacaodo ambiente de configuracao

Escalabilidade efacilidade demanutencao

Permitir a inclusao de novasfuncionalidades e facilidadede localizacao e correcao de

falhas de software

Tabela 2: Requisitos funcionais - Configuracao deVANTs

Requisito Motivo

Inclusao e selecaode aeronaves

Facilidade na inclusao denovas versoes de VANTs

Inclusao e selecaode cenarios diversos

Realizacao de testes sobrediferentes condicoes

climaticas e atmofericasLivre insercao e/ou

exclusao deinstrumentacao

Garantir funcionamento denovos modelos de

instrumentos

Tabela 3: Requisitos funcionais - Testabilidade deestrategias de controle

Requisito Motivo

Alteracao deparametros fısicosdos modelos das

aeronaves

Testes de robustez deestrategias de controle para

VANTs com parametrosdiferentes

Implementacao denovas estrategias de

controle

Reutilizacao e facilidade deimplementacao de novasestrategias de controle

Tabela 4: Requisitos funcionais - Configuracao desimulador

Requisito Motivo

Selecao de parametros desimulacao

Selecionar parametrosque melhor se

adequam ao usuario

Comando de inicializacaocom configuracao

selecionada no simuladorGazebo e controlador

Agilizar o processo detestes

3 Implementacao do Ambiente desimulacao

3.1 Estrutura e Fluxo de Informacao

Como uma das especificacoes do ambiente de si-mulacao e ser composto por software de licenca



2136

gratuita e de codigo aberto, o mesmo foi desenvol-vido voltado para o sistema operacional Ubuntu16.04, e esta baseado no framework de aplicacoesroboticas ROS (versao Kinect) e no simulador Ga-zebo (versao 7.0).

Com o objetivo de acelerar a implementacaomediante a um processo de desenvolvimento meto-dologico que resulte numa abordagem sistematicacapaz de estimar o progresso de desenvolvimentoe de reduzir a ocorrencia de riscos de projeto, oambiente de simulacao foi subdividido nos seguin-tes componentes: (i) um modelo de um VANTtilt-rotor ; (ii) instrumentacao; e (iii) algoritmo decontrole. A estrutura desse sistema esta represen-tada na Figura 1. O fluxo de informacoes ocorreem ciclos comandados pelo passo de simulacao,em que cada ciclo funciona na seguinte ordem: (i)execucao de passo de simulacao pelo Gazebo; (ii)obtencao de dados dos sensores disponıveis; (iii)processamento dos sinais de controle pelo contro-lador; e (iv) aplicacao dos sinais de controle sobreos atuadores da aeronave.

Controlador

AtuadoresSensores

Algoritmo de controle

Instrumentacao

VANT tilt-rotor

Figura 1: Fluxo de informacoes do ambiente desimulacao.

3.2 Modelo

Os modelos mecanicos das aeronaves tilt-rotor noprojeto ProVant sao desenvolvidos utilizando fer-ramentas CAD 3D. Os modelos CAD ja desenvol-vidos estao ilustrados na Figura 2.

O modelo utilizado neste trabalho corres-ponde ao VANT 2.0, projetado para tarefas detransporte de carga. A carga e conectada a aero-nave por uma haste e seu projeto mecanico via So-lidworks foi elaborado separadamente do modeloVANT 2.0. O processo de juncao destes modelosocorre atraves da uniao de cada um dos arquivosque os descrevem, resultando no sistema ilustradona Figura 3.

Com a finalidade de converter modelos deprojetos mecanicos para arquivos de descricao demodelos no padrao SDF (Simulation DescriptionFormat) e meshes no formato STL (STereoLitho-graphy) e adotado um processo de exportacao

composto por duas etapas: (i) ferramenta paraSolidworks denominada SolidWorks to URDF Ex-porter para obtencao de meshes e arquivos URDF(Unified Robot Description Format); (ii) ferra-menta gzsdf para converter arquivos urdf para sdf.

O modelo cinematico obtido para o VANT 2.0com carga e descrito atraves de cinco juntas: duasjuntas rotativas correspondentes ao movimento decada um dos servomotores, duas juntas rotativaspara cada um dos graus de liberdade da haste emrelacao ao VANT tilt-rotor, e uma junta fixa paraconectar a carga a haste. Alem disso sao utilizadosseis elos: um correspondente ao corpo principal,dois para cada um dos grupos propulsores, umpara representar a carga e dois para descrever osgraus de liberdade da haste.

3.3 Sensores e atuadores

Para obtencao de dados de sensores e envio dedados para os atuadores sao utilizadas bibliotecasdinamicas (plugins) disponibilizadas pelo simula-dor Gazebo, sendo bibliotecas especıficas do pro-jeto implementadas atraves de linguagem de pro-gramacao C++. Estao disponıveis no ambientede simulacao os seguintes plugins: GPS (GlobalPositioning System), IMU (Inertial MeasurementUnit), ultrassom, magnetometro, plugins para si-mular o empuxo gerado pelos propulsores da ae-ronave, servomotores, e plugins para obtencao deposicao, velocidade e aceleracao de todas as juntase elos que compoem o modelo.

A comunicacao entre os plugins e o contro-lador e realizada por meio de protocolo TCP/IP.Esta e caracterizada por seguir o modelo de co-municacao Publisher/Subscriber, atraves de enti-dades abstratas do ROS denominadas topicos. Es-tas ultimas sao caracterizadas por funcionar comocanais onde varios processos podem enviar e re-ceber de forma assıncrona informacoes de formaanonima. No ambiente de simulacao os topicosentre a estrutura de controle e o simulador estaoilustrados na Figura 4, onde elementos retangu-lares representam topicos, os elementos circularescorrespondem ao simulador Gazebo e Controla-dor, e as setas descrevem o sentido do fluxo deinformacao.

3.4 Controlador

O controlador, implementado na linguagem C++,corresponde a um processo que obtem os dadosdos sensores disponıveis, executa a lei de controlee envia os sinais aos atuadores implementados nosimulador Gazebo1. O diagrama de classes dessaentidade esta ilustrada na Figura 5.

A classe XMLReader permite a configuracaoprevia do controlador atraves de arquivos XML

1Algoritmos de filtragem (e.g., filtro de Kalman) po-dem ser implementados juntamente com a estrategia decontrole.



2137

(a) (b)

18

É importante ressaltar, no entanto, que apesar do projeto se basear em grande parte no

XV-15, do ponto de vista de controle segue os projetos anteriores do proVANT, em que os

rotores possuem um ângulo de deflexão lateral β (Figura 18) voltados para o interior da

aeronave, o que fica bem claro nas vistas frontais nas figuras da próxima seção. Esse ângulo é

um requisito do projeto de controle e existe desde o VANT 1.0 (Almeida Neto, 2014).

Considera-se que esse ângulo aumenta a controlabilidade do sistema como um todo, pois essa

deflexão dá ao conjunto propulsor mais um eixo de atuação direto, criando empuxo no eixo y,

mesmo que em menor escala (multiplicado por sen β), facilitando, portanto, a atuação do

controle dos propulsores.

3.1.2.1. VANT 3.1

Essa configuração foi desenhada com o objetivo de manter o CG da aeronave similar

ao CG da antiga aeronave (Almeida Neto, 2014), com os componentes elétricos mais pesados

na parte inferior da fuselagem e uma configuração verticalizada, gerando CG mais baixo o

que facilita o controle da aeronave. Outra escolha de projeto foi o formato, que tentou se

assemelhar a um perfil aerodinâmico em sua vista lateral. No entanto, as dimensões dos

componentes elétricos em seu interior deixaram o perfil muito espesso. Os efeitos dessa

espessura serão discutidos na seção de projeto aerodinâmico.

Figura 11- Três vistas do VANT 3.1

(c) (d)

Figura 2: Modelos CAD: VANTs (a) 1.0, (b) 2.0, (c) 3.0 e (d) 4.0.

Figura 3: Exemplo de modelo: VANT tilt-rotorcom carga suspensa.

Figura 4: Comunicacao entre elementos do ambi-ente de simulacao via topicos.

(eXtensible Markup Language). As seguintes con-figuracoes sao necessarias: (i) perıodo de amos-tragem do controlador; (ii) nome do arquivo coma estrategia de controle desejada; (iii) nomes dossensores e atuadores a serem utilizados; e (iv) no-mes dos arquivos onde serao armazenados os re-gistros da simulacao.

A classe MatlabData armazena em arquivosos dados de simulacao e as classes ros::Subscribere ros::Publisher obtem os dados dos sensores e en-viam os sinais de controle para os atuadores, res-pectivamente. Por fim, atraves de polimorfismo,a interface Icontroller define um padrao a ser se-guido pelo controlador para implementacao de di-ferentes estrategias de controle, tornando a es-trutura de controle configuravel a necessidade dousuario.

3.5 Interface grafica

Para uma melhor usabilidade do ambiente de si-mulacao foi criada uma interface grafica, cuja ja-nela principal esta ilustrada na Figura 7. Den-tre suas funcionalidades, a interface possibilita aalteracao de parametros fısicos do modelo, confi-guracao de instrumentacao disponıvel, selecao deestrategias de controle e cenario, configuracao deparametros especıficos do simulador Gazebo, alemda criacao e gerenciamento de arquivos templatepara novas estrategias de controle a serem testa-das.

A interface grafica foi desenvolvida em lin-guagem C++, utilizando o conjunto QT de fer-ramentas para desenvolvimento de aplicacoes. Odiagrama UML (Unified Modelling Language) quedescreve a estrutura da interface e mostrado na Fi-gura 6. A arquitetura de software utilizada pos-sui 3 camadas: (i) camada de apresentacao; (ii)camada de negocios; e (iii) camada de acesso adados. Cada uma contem um conjunto de ser-vicos, sendo que as interacoes entre as camadasocorrem apenas entre camadas adjacentes. Estemodelo possibilita o desenvolvimento continuadoda interface grafica, de acordo com novas funcio-nalidades requisitadas ao longo do tempo.

A camada de apresentacao e constituıda porsete classes: MainWindow, Dialog, DialogNew-Controller, DialogNewModel, DialogFields, Di-alogOpenController, DialogSensors. A classeMainWindow e utilizada para implementar a ja-nela principal, enquanto a classe Dialog forneceservicos para edicao de parametros de modelo eselecao de estrategia de controle. A classe Dialog-NewController permite o usuario criar uma novaestrategia de controle com nome solicitado, e aclasse DialogOpenController abre o local do pro-jeto de implementacao de uma dada estrategia decontrole. Por fim, as classes DialogFields e Di-alogSensors permitem incluir novos instrumentosno ambiente de simulacao, e a classe DialogNew-Model permite que o usuario selecione um novomodelo de VANT tilt-rotor para ser utilizado emsimulacao.

A camada de negocios e formada pelas clas-ses World, Model e Controller, que definem comosao criadas, armazenadas, modificadas e excluı-das informacoes sobre o cenario, modelo e con-



2138

Figura 5: Diagrama de classes do controlador.

trolador. Por fim, a camada de acesso a dados,composta pelas classes WordFile, ConfigFile, Mo-delFile e NewStrategy, gerencia a base de dadosdo ambiente de simulacao, alem de leitura e es-crita na unidade de memoria selecionada de todosos arquivos envolvidos.

4 Experimentos numericos

4.1 Cenario da simulacao

O experimento realizado envolve a missao detransporte de carga utilizando um VANT tilt-rotor, na qual a carga deve seguir uma trajetoriaespecificada e a aeronave deve permanecer estaveldurante o trajeto.

A trajetoria de referencia a ser percorrida pelacarga, em relacao ao sistema de coordenadas iner-cial, corresponde a um anel no espaco tridimen-sional, sendo descrita por xref(t) = 2 cos(πt/40);yref(t) = 2 sin(πt/40); zref(t) = 9 − 8 cos(πt/40);ψref = 0; sendo ψref valores de referencia para oangulo de guinada da carga.

O modelo CAD utilizado no simulador e oapresentado na Secao 3.2, ilustrado na Figura 3,enquanto o modelo matematico utilizado para si-mulacao em MATLAB/Simulink e o desenvolvidopor Rego e Raffo (2016). Assume-se medicao semruıdo para posicao, velocidade, orientacao e velo-cidade angular de todos os corpos rıgidos, e tam-bem para as variaveis de configuracao de todas asjuntas.

4.2 Estrategia de controle

A estrategia de controle adotada para a realiza-cao da tarefa corresponde ao controlador H2/H∞misto de tempo discreto, com restricao na aloca-cao de polos, apresentado em Rego e Raffo (2016).

A descricao cinematica do sistema e reali-zada do ponto de vista da carga, conforme Fi-gura 8, onde: ξ , [x y z]T corresponde a posicaoda carga com relacao ao sistema de coordenadasinercial; φ, θ e ψ descrevem a orientacao da cargacom respeito ao sistema de coordenadas inercialatraves da convencao Z-Y -X sobre eixos locais(Jazar, 2010); γ1 e γ2 descrevem a orientacao da

aeronave com relacao a haste, na sequencia X-Ysobre eixos locais; e αR e αL descrevem a inclina-cao dos propulsores com respeito ao corpo princi-pal da aeronave. Os vetores dBCi , com i ∈ {1, 2, 3},e o angulo de inclinacao β, correspondem a para-metros de projeto da aeronave, enquanto dLB des-creve a haste. A Tabela 5 apresenta estes parame-tros fısicos, juntamente com as massas e tensoresde inercia de cada corpo rıgido que compoe o sis-tema, alem de demais parametros utilizados parao projeto do controlador2.

Tabela 5: Parametros fısicos do sistema.

Parametro ValormL 0.50 Kgm1 1.90 Kg

m2, m3 0.08 KgdLB [0 0 0,5]T mdBC1 [−0.0025 0.00013 −0.018]T m

dBC2 [0.00002 −0.27761 0.05621]T m

dBC3 [0.00005 0.27761 0.05621]T m

IL 8.333 · 10−6 · I3×3 Kg·m2

I1

6900.0 4.7 36.0∗ 790.0 −1.07∗ ∗ 6600.0

· 10−5 Kg·m2

I2

38.8 0 0∗ 10.0 0∗ ∗ 8.3

· 10−5 Kg·m2

I3

0.83 0 0∗ 10.0 0∗ ∗ 8.3

· 10−5 Kg·m2

g [0 0 −9.81]T m/s2

kτ 1.7 · 10−7 N·m·s2b 9.5 · 10−6 N·s2

(λR, λL) (1,−1)β 5o

µγ 0.05 N·m/(rad/s)

A estrategia de controle e baseada na li-nearizacao e discretizacao das equacoes de es-tado do sistema, obtidas via formulacao de Euler-Lagrange, em torno da trajetoria de referencia.Acoes integrais sao adicionadas sobre as variaveisreguladas (x, y, z e ψ) para fornecer um melhordesempenho no rastreamento de trajetoria. Os pa-rametros utilizados para o projeto do controlador

2A notacao apresentada nesta secao e a mesma definidaem Rego e Raffo (2016).



2139

Figura 6: Diagrama de classes da classe MainWindow.

Figura 7: Janela principal da interface grafica.

ξ

dLB

dBC1

dBC2

dBC3

ψ

φ θ

αR

αL

γ1

γ2

β

β

C2

C3

x y

z

I L

C1

B

fR

ταR

fL

ταL

Figura 8: Descricao cinematica do sistema.

sao dados por % = 49,

Hz = diag(√

5,√

5,√

5, 2/π, 2/π,√

15/π,√

40/π,√

40/π, 0.2/π, 0.2/π, 1/2, 1/2, 1/2, 3/π, 3/π,

4/π,√

5/(3π),√

5/(3π), 0.1/(3π), 0.1/(3π),√

5,√

5,√

5,√

0.1),

Dzu=

√150

(30−feqR )0 0 0

0√150

(30−feqL )0 0

0 0√

250 002×1 02×1 02×1 02×1

0 0 0√

250018×1 018×1 018×1 018×1

,

com f eqR = 12.6005 e f eqL = 12.6090. O restantedos parametros de ajuste sao os mesmos apresen-

tados em Rego e Raffo (2016).

4.3 Resultados e discussao

As simulacoes foram realizadas considerando pe-rıodo de amostragem de 12 ms. O ambiente desimulacao foi configurado com motor de simula-cao Simbody e passo de simulacao de 1 ms.

A Figura 9 mostra as trajetorias desejada epercorrida pela carga no simulador. A Figura 10apresenta o erro de rastreio sobre as variaveis con-troladas. A tarefa foi realizada com sucesso, sendoa trajetoria percorrida pela carga muito proximaa trajetoria desejada, como mostra a evolucao doerro de rastreio. A existencia de dinamicas naomodeladas, como atrito viscoso nos servomotores,resultam na diferenca observada entre os resulta-dos obtidos no ambiente desenvolvido e no MA-TLAB/Simulink.

x (m) y (m)

z(m

)

-3-2

-10

12

3 -3-2

-10

120

5

10

15

20 DesejadaRealizada

Figura 9: Trajetorias desejada e percorrida pelacarga no simulador.

A Figura 11 apresenta o comportamento dorestante dos graus de liberdade do sistema. Noteque estes permanecem estaveis durante todo oseguimento de trajetoria. Note ainda que dife-rentes pontos de operacao sao observados paraalgumas variaveis. Hipoteses feitas por Rego eRaffo (2016), com o intuito de simplificar o mo-delo matematico desenvolvido, resultam em pon-tos de equilıbrio diferentes dos que sao observadospelo modelo utilizado no ambiente de simulacaoapresentado neste trabalho, que por nao possuirtais simplificacoes representa com mais fidelidade



2140

x−xref

(m

)

-5

0

5

10×10−3

y−yref

(m

)

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

Tempo (seg)

z−zref

(m

)

0 20 40 60 80-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

Tempo (seg)

ψ−ψref

(rad)

0 20 40 60 80-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

SimuladorMATLAB

Figura 10: Erro de rastreio das variaveis contro-ladas.

o comportamento do sistema real. Por fim, a Fi-gura 12 mostra os sinais de controle aplicados aosatuadores da aeronave.

φ(rad)

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

θ(rad)

-10

-5

0

5×10−3

γ1

(rad)

-0.05

0

0.05

γ2

(rad)

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Tempo (seg)

αR

(rad)

0 20 40 60 80-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

Tempo (seg)

αL

(rad)

0 20 40 60 80-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

SimuladorMATLAB

Figura 11: Evolucao dos demais graus de liber-dade do sistema.

fR

(N)

12

12.5

13

13.5

fL

(N)

12

12.5

13

13.5

Tempo (seg)

ταR

(N.m

)

0 20 40 60 80-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

Tempo (seg)

ταL

(N.m

)

0 20 40 60 80-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

SimuladorMATLAB

11.5

Figura 12: Sinais de controle enviados aos atua-dores.

5 Conclusoes e trabalhos futuros

Este trabalho apresentou um ambiente de simu-lacao para testes de estrategias de controle deVANTs na configuracao tilt-rotor3. A implemen-tacao e baseada no simulador Gazebo e no fra-mework de aplicacoes roboticas ROS, que permitea configuracao detalhada das simulacoes, como omodelo da aeronave a ser simulada e seus para-metros fısicos, sensores disponıveis, estrategia de

3Demo do Simulador ProVant esta disponıvel online emhttps://youtu.be/k7MykhlrkAk .

controle a ser testada e cenario. Uma interfacegrafica foi desenvolvida para uma melhor usabili-dade do ambiente de simulacao.

Para a validacao do ambiente, foi realizadoum experimento numerico envolvendo a tarefa detransporte de carga usando um VANT tilt-rotor,com a finalidade de avaliar uma estrategia de con-trole em tempo discreto baseada na formulacaoH2/H∞ mista, projetada para rastreio de trajeto-ria da carga. A tarefa foi realizada com sucesso,e os resultados obtidos foram comparados ao de-sempenho obtido atraves de simulacao realizadano ambiente MATLAB/Simulink, em que diferen-cas foram observadas devido a simplificacoes feitasno modelo utilizado para o projeto do controla-dor. Como trabalhos futuros, novas funcionalida-des serao adicionadas ao ambiente de simulacao,tais como a inclusao e configuracao de ruıdo demedicao via interface grafica, assim como de efei-tos aerodinamicos (Miranda et al., 2017).

6 Agradecimentos

O presente trabalho foi realizado com o apoio fi-nanceiro da CAPES, CNPq e FAPEMIG.

Referencias

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