Modelagem e simulação de drone

Descrição do estudo

O objetivo desse estudo consiste em analisar a modelagem e simulação de um modelo de sistema dinâmico de um drone.

Após uma pesquisa extensa sobre o tema e plataformas de desenvolvimento, optou-se por escolher o modelo proposto por Khanh Dang denominado Simulate Quadrotor in Simulink with SimMechanics. O projeto disponibilizado para estudo foi desenvolvido utilizando o software Matlab e tem como inspiração o drone DJI™ F450.

Análise do modelo

O modelo de sistema dinâmico estudado considera os seis graus de liberdade em pitch, roll e yaw, utiliza um controle do tipo PID (Proporcional-Integral-Derivativo) e considera como interface humano máquina o seguinte controle:

Diagrama de blocos

A modelagem completa do sistema dinâmico do drone está disponível no arquivo Assembly_Quadrotor.slx. Nesse arquivo encontrasse a implementação do modelo por meio da utilização de diagramas de blocos. O diagrama abaixo representa uma visão geral do drone completo, integrando a parte de controle e o comportamento físico das peças que constituem o quadrotor. A seguir será descrito com mais detalhes os 3 principais blocos: Inputs, Controller e Quadrotor 3D Model.

Inputs

O módulo Inputs é responsável por configurar os sinais de entrada da malha de controle referentes à altura de voo do drone e os ângulos de pitch, roll e yaw.

A partir da definição dos sinais utilizados como referência para voo do drone é possível definir o grau de precisão do tipo de controle implementado comparando com o resultado da simulação.

Controller

O módulo Controller tem como entradas a velocidade máxima do drone e o erro representado pela diferença entre os sinais de referência definidos no módulo Inputs e os sinais obtidos pela simulação, enquanto que as saídas são as velocidades de cada um dos 4 motores do drone.

Para ajustar esse controle foram utilizados 4 blocos PID, um para cada sinal de erro, conectados a blocos de ganho e a limitadores que saturam o valor de saída quando a entrada atinge valores acima ou abaixo do definido. As constantes utilizadas nesses blocos foram obtidas empiricamente.

Quadrotor 3D Model

Como dito anteriormente, as saídas do bloco Controller são as velocidades dos 4 motores do drone. A partir dessas velocidades são definidos 6 variáveis: X, Y, Gaz, Roll, Pitch e Yaw. Todas essas variáveis são responsáveis por determinar o voo do drone durante a simulação, além de servir como parâmetro para cálculo de erro em relação ao sinal de referência, caracterizando assim um sistema de controle de malha fechada.

Resultados obtidos na simulação

Ao executar a simulação do modelo estudado é possível visualizar em 3D o drone voando tendo como referência de voo os sinais atribuídos no bloco Inputs. Para facilitar o entendimento do comportamento do drone foi gravado o resultado de uma das simulações e disponibilizado no arquivo drone-simulation.mp4.

Simulation Data Inspector

Após analisar visualmente o comportamento de voo do drone, foi realizada uma análise mais aprofundada do grau de determinismo do drone. Para isso, foi utilizada a ferramenta do Simulink denominada Simulation Data Inspector.

A partir dessa ferramenta, foi possível observar os diferentes sinais do motor do drone gerados pela simulação e então comparar com os sinais de referência. A partir dos logs analisados desses sinais foram gerados gráficos para realizar a comparação e o cálculo de erro entre sinais.

Posição X e Y

Gaz

Pitch

Roll

Yaw

Influência do modelo de controle

Para estudar com mais detalhes a influência da escolha de um sistema de controle do tipo PID no voo de um drone, foi realizada uma comparação com uma simulação utilizando o controle do tipo P. O resultado obtido foi um erro maior e um sinal mais distorcido. Dessa forma, observa-se que o controle do tipo PID é uma boa solução na implementação da modelagem de um drone.

Referências

• Simulate Quadrotor in Simulink with SimMechanics: http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/48052-simulate-quadrotor-in-simulink-with-simmechanics

• Quadcopter Simulation and Control Made Easy: https://www.mathworks.com/videos/quadcopter-simulation-and-control-made-easy-93365.html

• DJI™ F450 User Manual: https://www.dji.com/flame-wheel-arf/download

Direitos autorais

O estudo aqui publicado teve como único objetivo analisar a modelagem de drone desenvolvida por Khanh Dang disponibilizada na plataforma File Exchange da MathWorks. A licença original do projeto encontra-se reproduzida integralmente no arquivo LICENSE.md.

“This work has not been authorized, sponsored, or otherwise approved by DJI.”