Título: Implementação de um sistema de atitude e direção baseado em quaterniões para veículos aéreos não tripulados

Título alternativo: Implementation of an attitude and orientation system based on quaternions for unmanned aerial vehicles

Autoria de: Marcello Gonçalves Moreira

Orientação de: Belisario Nina Huallpa

Presidente da banca: Belisário Nina Huallpa

Primeiro membro da banca: Leonardo Silveira Paiva

Segundo membro da banca: Danton Diego Ferreira

Palavras-chaves: Filtros Complementares, Aeronaves Remotamente Pilotadas, Fusão de Sensores, Sistemas Embarcados, Arduino Uno

Data da defesa: 17/06/2019

Semestre letivo da defesa: 2019-1

Data da versão final: 24/06/2019

Data da publicação: 24/06/2019

Referência: Moreira, M. G. Implementação de um sistema de atitude e direção baseado em quaterniões para veículos aéreos não tripulados. 2019. 35 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Controle e Automação Bacharelado)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2019.

Resumo: Aeronaves Remotamente Pilodatas (Remotely Piloted Aircafts - RPA) apresentam grande potencial de aplicação para diversas áreas da indústria e do setor agrário. A necessidade do voo autônomo desses veículos exige um grande nível de sensoriamento e redundância em caso de falhas. Na aviação clássica, são usados robustos sistemas de referência de atitude e direção conhecidos pela sua sigla em inglês AHRS(Atittude and Heading Reference System). Esse sistema fornece informações de inclinação e direção da aeronave a partir de medições de diversas variáveis físicas. Os algoritmos de AHRS usualmente fazem a fusão de diversos sensores para obter informações mais confiáveis e precisas. Os cálculos que um AHRS realiza envolvem operações com matrizes rotacionais que possuem custo computacional elevado. Esse alto custo computacional representa limitações para processadores embarcados em pequenas aeronaves. Como alternativa, o cálculo rotacional com quaterniões é mais eficiente e tem custo computacional reduzido. O objetivo desse trabalho é comparar e implementar um AHRS baseado em quaterniões para ser utilizado em uma RPA do tipo quadrirrotor. Para este trabalho, propõe-se utilizar um Arduino Uno responsável por executar o algoritmo do sistema AHRS e manter a comunicação com os sensores cinético e magnetômetro. Apos a implementação e comparação dos algoritmos propostos. Foi percebido que o Filtro de Kalman Extendido apresentou os melhores resultados teóricos. No entanto, não foi possível implementa-lo em um ambiente tão restringido como um Arduino Uno. Como alternativa, o algoritmo de Madgwick apresentou o segundo melhor resultado e pode ser implementado.

Abstract: Remotely Piloted Aircraft (RPA) show great potential in various industries and agricultural sectors. The necessity of autonomous flight of these vehicles demands a great level of sensing and redundancy in case something fails. At classical aviation, robust navigational systems known as Attitude and Heading Reference Systems (AHRS) are used. These system gives information about orientation relative to ground frame from the measurement of an assortment of sensors. AHRS Algorithms usually fuse these many sensors to obtain reliable and precise information. The calculations a AHRS needs to do involves the use of rotation matrices that have a high computational cost. Those high demanding computations represents limitations regarding embedded systems in small aircrafts. In order to avoid this, the use of quaternion representation is more computationally efficient. The objective of this paper is too compare and implement an AHRS based on quaternion to be used on a RPA of type quad rotor. For this work, it is proposed to use an Arduino Uno to run the algorithm and communicate with inertial and magnetic sensors. After the comparison and implementation, it was noticed that Extended Kalman Filter presents the best results theoretically. However, it could not be implement in such a restricted environment as an Arduino Uno. As an alternative, the Madgwick algorithm had the second best results and could be implemented.

URI: sip.prg.ufla.br/publico/trabalhos_conclusao_curso/acessar_tcc_por_curso/
engenharia_de_controle_e_automacao/20191201311218

URI alternaviva: repositorio.ufla.br/handle/1/43928

Curso: G022 - ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO (BACHARELADO)

Nome da editora: Universidade Federal de Lavras

Sigla da editora: UFLA

País da editora: Brasil

Gênero textual: Trabalho de Conclusão de Curso

Nome da língua do conteúdo: Português

Código da língua do conteúdo: por

Licença de acesso: Acesso aberto

Nome da licença: Licença do Repositório Institucional da Universidade Federal de Lavras

URI da licença: repositorio.ufla.br

Termos da licença: Acesso aos termos da licença em repositorio.ufla.br

Detentores dos direitos autorais: Marcello Gonçalves Moreira e Universidade Federal de Lavras

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