Desenvolvimento de um protótipo de quadrotor para aplicação em agricultura de precisão

Abstract

Resumo: Este trabalho descreve todas as etapas realizadas no desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado do tipo quadrirrotor, destinado à captura de imagens e vídeos aéreos em alta definição, bem como apresenta dados detalhados sobre resultados de testes do modelo em ambiente controlado. Como a estrutura do modelo foi desenvolvida em um projeto anterior foram identificados pontos de melhoria que foram alterados na estrutura física, apresentando melhoras no desempenho do veículo. Na etapa de identificação do modelo, são descritos os métodos utilizados para identificar os elementos do veículo como parâmetros das hélices, modelagem matemática do conjunto ESC-Motor-Hélice e modelagem da estrutura completa do quadrirrotor. Após esta etapa, é descrito o controle e estabilização do modelo, que utilizou controladores PID, controlando a velocidade dos quatro motores da estrutura de forma independente. Para a sintonia desses controladores foi utilizada a metodologia de alocação de polo, seguida de simulações em ambiente MATLAB, baseadas nos modelos obtidos na etapa de identificação. Por último são mostrados métodos e resultados utilizados para filtrar ruídos mecânicos provenientes da estrutura física, ocasionados principalmente pelo conjunto motor-hélice, assim como resultados obtidos com as simulações. As simulações foram validadas com medidas experimentais no protótipo do quadrirrotor, levando a resultados satisfatórios.

Abstract: This work describes all the steps performed in the development of an unmanned aerial vehicle of the type quadcopter, intended for capturing aerial images and videos in high definition and presents detailed data about results of model tests in a controlled environment. As the model structure was made in a previous project, improvement points were identified that have changed the physical structure, showing improvements in the vehicle performance. In the model identification step, we describe the methods used to identify the vehicle elements such as the propellers parameters, mathematical modeling of the whole ESC-Motor-Propeller and modeling of the complete structure of the quadcopter. After this step, it is described the control and stabilization of the model, which used PID controllers, controlling the speed of the four engines of the structure independently. For tuning these controllers the allocation pole methodology was used, followed by simulations in MATLAB environment, based on the models obtained in the identification step. Finally methods and results used to filter mechanical noise from the physical infrastructure, mainly caused by motor-propeller assembly, are shown as well as results obtained from the simulations. The simulations were validated by experimental measurements in the quadcopter prototype, leading to satisfactory results.