Desenvolvimento do sistema embarcado e controle dos rotores inclináveis de um robô aéreo didático

Abstract

O desenvolvimento de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) viabiliza a execução de tarefas que requerem o uso de aeronaves, porém com menor custo e complexidade em comparação às aeronaves tripuladas. O robô aéreo com dois rotores inclináveis, ou Tilt-Rotor, é um VANT bi-rotor capaz de inclinar seus rotores para permitir decolagem e pouso verticais, e voo horizontal; assim é uma aeronave versátil e eficiente que oferece aplicações em diversas áreas da engenharia. Este trabalho apresenta uma proposta de aperfeiçoamento do robô aéreo Tilt-Rotor desenvolvido no Laboratório de Automação e Robótica (LARA), tendo como foco: o desenvolvimento de um novo sistema embarcado, com alteração do microcontrolador para um ESP32, e que também realiza comunicação com um sistema de aquisição de dados; além da comparação e validação, em simulação, entre diferentes técnicas para controle de velocidade dos rotores. O software embarcado desenvolvido tem os seguintes propósitos: medição da distância entre o robô aéreo e o solo; medições de aceleração linear, velocidade angular e campo magnético, para o sistema de localização; envio do sinal de controle para os motores; medição da velocidade dos motores; e comunicação com o sistema de aquisição de dados, com gerenciamento de filas circulares, por meio de troca de mensagens JSON entre um servidor e um cliente TCP/IP, pelo modo de geração de uma rede Wi-Fi própria. Os testes do software embarcado, integrado com o protótipo do hardware montado em placa perfurada, avaliam a precisão e exatidão das medições dos sensores, assim como se os requisitos temporais das tarefas estão sendo cumpridos, por se tratar de um sistema de tempo real. O sistema de aquisição de dados desenvolvido consiste em uma solução para a aquisição, o armazenamento e a visualização dos dados adquiridos pelos sensores do microcontrolador ESP32, bem como para atualização dos parâmetros das técnicas de controle nele implementadas. Por fim, o desenvolvimento, a comparação e a validação por simulação, nas ferramentas computacionais Simulink e Matlab, de duas técnicas de controle de velocidade de rotação dos motores do robô aéreo, buscam a precisão e a acurácia necessárias para que o controlador de atitude e altitude, em uma estrutura em cascata com o controle dos motores, tenha a garantia de que a velocidade por ele requisitada seja a velocidade real dos motores, independentemente das características dinâmicas do sistema. A primeira técnica consiste no controle clássico Proporcional, Integral e Derivativo (PID) e a segunda se fundamenta nas técnicas de Controle Adaptativo por Modelo de Referência (MRAC). Os resultados mostram que técnicas de controle adaptativo são mais eficientes em sistemas de dinâmica variável, como os motores do VANT deste trabalho.