Desenvolvimento de uma plataforma de teste para controle de atitude de helicópteros de pequena escala

Abstract

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma plataforma de teste de controladores digitais da atitude de um helicóptero elétrico de pequena escala. A plataforma desenvolvida fixa o helicóptero em uma posição, restringindo os movimentos de translação e permitindo três graus de liberadade de movimentos de rotação, possui um sistema de detecção da atitude executado em computador que fornece em tempo real estimativas da atitude do helicóptero, um sistema de interface envia as medidas dos sensores para o computador e envia os sinais de comando do computador para os motores. O helicóptero usado é o helimodelo elétrico BETL CPX do fabricante Eskyr, este helimodelo apresenta módulos de controle e dinâmica semelhantes a um helicóptero convencional. Uma modelagem matemática foi realizada para a resposta do helicóptero aos sinais de controle lateral, longitudinal, pedal e coletivo, a partir de modelos da resposta dos rotores aos sinais de comando e modelos da resposta da atitude do helicóptero a forças geradas pelo movimento das hélice, ao final obteve-se um modelo dedicado para o sistema helimodelo-plataforma que considera a complexidade do BELT CPX, a barra estabilizadora presente em helimodelos e o efeito das forças de apoio e atritos introduzidos pela estrutura física da plataforma. O modelo obtido neste trabalho foi apresentado no artigo Modelagem Modelagem de um helicóptero elétrico fixo em uma plataforma três graus de liberade publicado no XIX CREEM em 2012. O sistema de determinação da atitude foi implementado com uma placa de sensores SEN-10724 fabricada pela Sparkfun, que possui acelerômetro, giroscópio e magnetômetro triaxiais. Uma estimativa de atitude é obtida pelo modelo cinemático discreto da propagação da atitude no tempo em função das velocidades angulares medidas pelo giroscópio, e outra estimativa da atitude é obtida pelo método TRIAD aplicado aos vetores de campo gravitacional e magnético medidos pelo acelerômetro e magnetômetro, respectivamente. O Filtro de Kalman Estendido Correlato (FKEC) é usado para fazer a combinação entre as duas estimativas. O FKEC foi implementado em MATLAB, e o sistema de interface entre os sensores, computador e motores foi implementada em uma versão baseada em Arduino e outra versão baseada em Raspberry Pi com Linux RTOS embarcado. Testes de desempenho mostraram que as duas versões da interface de aquisição e atuação são capazes de operar a uma taxa de leitura dos sensores e atualização do acionamento dos motores de 50Hz. Simulações realizadas para o modelo matemático mostrou os resultados esperados. E testes realizados com o sistema de determinação da atitude mostrou estimativas de atitude coerentes com os movimentos realizados nos experimentos de teste, e a comparação entre as duas estimativas obtidas sem o FKEC e a estimativa fornecida pelo FKEC permitiu observar o efeito positivo do FKEC. Um modelo em simulação de um sistema de controle da atitude com controladores PIDs discretos e o modelo matemático do helicóptero obtido como planta foi implementado em Matlab/Simulink para mostrar um caso típico de utilização da plataforma e demonstrar que controladores simples são capazes de estabilizar o helimodelo na plataforma.