Controle de posição com restrição à orientação de um Veículo Aéreo Não-Tripulado tipo Quadrirrotor

Quadrotors aircraft are composed by four propellers mounted on four engines on a cross or x disposition, and, in this structure, the engines on the same arm spin in the same direction and the other arm in the opposite direction. By rotating each helix generates vertical upward thrust. The control is done by varying the rotational speed of each motor. Among the advantages of this type of vehicle can cite the mechanical simplicity of construction, the high degree of maneuverability and the ability to have vertical takeoffs and landings. The modeling and control of quadrirrotores have been a challenge due to problems such as nonlinearity and coupling between variables. Several strategies have been developed to control this type of vehicle, from the classical control to modern. There are air surveillance applications where a camera is fixed on the vehicle to point forward, where it is desired that the quadrotor moves at a fixed altitude toward the target also pointing forward, which imposes an artificial constraint motion, because it is not desired that it moves laterally, but only forwards or backwards and around its axes . This restriction is similar to the naturally existing on robots powered by wheels with differential drive, which also can not move laterally, due to the friction of the wheels. Therefore, a position control strategy similar to that used in this type of robot could be adapted for aerial robots like quadrotor. This dissertation presents and discusses some strategies for the control of position and orientation of quadrotors found in the literature and proposes a strategy based on dynamic control of mobile robots with differential drive, called the variable reference control. The validity of the proposed strategy is demonstrated through computer simulationsQuadrirrotores são veículos aéreos compostos por quatro hélices montadas sobre quatro motores em uma disposição em cruz ou x, sendo que, nessa estrutura, os motores sobre o mesmo braço giram no mesmo sentido e os do outro braço em sentido oposto. Ao girar, cada hélice gera empuxo vertical para cima. O controle é feito variando-se a velocidade de rotação de cada motor. Dentre as vantagens desse tipo de veículo pode-se citar a simplicidade mecânica de construção, o alto grau de manobrabilidade que possui e a capacidade de pousos e decolagens verticais. A modelagem e o controle de quadrirrotores tem sido um desafio devido a problemas como não-linearidades e acoplamento entre variáveis. Várias estratégias já foram desenvolvidas para o controle desse tipo de veículo, desde as de controle clássico até as mais modernas. Há aplicações de supervisão aérea em que uma câmera é fixada no veículo de forma a apontar para a frente, onde é desejado que o quadrirrotor procure se movimentar a uma altitude fixa em direção ao alvo também apontando para a frente, o que impõe uma restrição artificial de movimento, pois não é desejado que se movimente lateralmente, mas para frente ou para trás e que gire ao redor dos seus eixos. Tal restrição é semelhante àquela existente de maneira natural em robôs movidos a rodas com acionamento diferencial, que também não podem se movimentar lateralmente, mas devido ao atrito das rodas. Portanto, uma estratégia de controle de posição semelhante à usada nesse tipo de robôs poderia ser adaptada para robôs aéreos do tipo quadrirrotor. Este trabalho apresenta e discute algumas estratégias de controle de posição e orientação de quadrirrotores encontradas na literatura e propõe uma estratégia baseada no controle dinâmico de robôs móveis com acionamento diferencial, o chamado controle por referência variável. A validade da estratégia proposta é comprovada através de simulações computacionai