A closed-form energy model for quadcopters based on the dynamic of the movement applied to calculate wind parameters aiming to extend the flight time

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Marins, João Luís
• Orientador(a): Ferreira Júnior, Paulo Roberto
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Computação
• Departamento: Centro de Desenvolvimento Tecnológico
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Computação; Estimação do vento; Modelo de energia; Modelo dinâmico; Estimação probabilística; Quadricóptero; Wind estimation; Energy model; Dynamic model; Probabilistic estimation; Quadcopter
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/handle/prefix/6896

Existem vários motivos que incentivam os pesquisadores a encontrar um método para determinar previamente o consumo de energia de um UAV. Entre eles, temos: verificar a capacidade de completar uma missão ou estudar o tempo de vida da bateria. O primeiro é essencial quando o UAV está executando uma cobertura ou entregando uma encomenda. O último é importante para evitar que a bateria fique totalmente descarregada durante o vôo. Os UAVs registram, em seu computador de voo, informações sobre o consumo, independentemente de eles serem elétricos ou a combustível. Porém, na maioria das vezes, essa informação instantânea serve apenas como um aviso de que é hora de retornar ao ponto de lançamento. Não é útil para calcular o consumo antes do vôo. Nesta tese, um novo modelo de energia de forma fechada para um quadricóptero, baseado na dinâmica do movimento e nos princípios da Física de Superposição e Conservação de Energia, é proposto. O modelo pode ser facilmente estendido para outros tipos de multi-rotores porque é só depende dos parâmetros do quadricóptero. Ele considera cada parcela de energia consumida separadamente na equação, até mesmo a força de arrasto que normalmente é desprezada em outros modelos. O modelo foi validado contra outro modelo publicado na literatura e se ajusta aos dados experimentais com muita precisão (após um vôo). Também foi aplicado a duas situações diferentes: para calcular o consumo de energia para um caminho previamente definido e para comparar dois caminhos de vôo e determinar qual deles consome menos energia (antes de um vôo). Como uma aplicação não convencional para o modelo, ele é usado de forma reversa. A energia consumida estimada por um filtro probabilístico é aplicada como uma entrada para o modelo de forma que a velocidade do quadricóptero em relação à massa de ar seja calculada. Esses dados e informações fornecidos pelo computador de vôo permitem determinar a velocidade e a direção do vento que afetam o vôo. Diferentes UAVs voando em locais diferentes, e mesmo em trajetórias muito ruidosas, validaram o uso para determinação de parâmetros de vento. Por fim, para completar a tese, foi simulado o uso de informações sobre o vento para apoiar decisões durante as manobras de busca ou patrulha para que o consumo de energia seja reduzido e o tempo de vôo ampliado. O consumo de energia foi calculado com o modelo de forma fechada por meio de uma aproximação computacional da cinemática do UAV.