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Fault detection and diagnosis system considering aerodynamic effects for unmanned aerial vehicles.

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dc.creator.ID MADRUGA, S. P. pt_BR
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/2511852102364291 pt_BR
dc.contributor.advisor1 LIMA, Antonio Marcus Nogueira.
dc.contributor.advisor1ID LIMA, A. M. N. pt_BR
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/2237395961717699 pt_BR
dc.contributor.advisor2 NASCIMENTO, Tiago Pereira.
dc.contributor.advisor2ID NASCIMENTO, TIAGO P. pt_BR
dc.contributor.advisor2Lattes http://lattes.cnpq.br/1641673656667170 pt_BR
dc.contributor.referee1 ROCHA NETO, José Sérgio da.
dc.contributor.referee2 LUIZ, Saulo Oliveira Dornellas.
dc.contributor.referee3 CONCEIÇÃO, André Gustavo Scolari.
dc.contributor.referee4 DREWS JÚNIOR, Paulo Lilles Jorge.
dc.description.resumo O controle de atitude em quadricópteros usualmente não considera a possibilidade de perda de effetividade no atuator, tornando-se ineficiente para operar em certas condições. os algoritmos de Detecção e Diagnóstico de Falhas (FDD) disponíveis na literatura não levam em consideração a presença de efeitos aerodinâmicos como batimento das pás das hélices (blade flapping) e a força de arrasto induzida (induced drag), que prejudicam o desempenho de voo. A atenuação na velocidade de rotação dos motores causada por estes efeitos pode inclusive ser confundida por uma falha de perda de efetividade. Assim, é oportuno ter um FDD que é capaz de considerar esses efeitos. Sistemas de controle de quadricópteros como um todo tendem a negligenciar a presenca desses efeitos aerodinâmicos. Esta tese propõe, primeiramente, que estes efeitos podem ser compensados na alocação de controle, usando uma function-fitting neural network como uma ferramenta que substitui uma matriz de alocação clássica. O treino da rede é feito offline, economizando poder computacional. O sistema alvo é um drone PARROT Mambo. Este quadricóptero é particularmente susceptível aos efeitos aerodinâmicos de interesse desta tese, dado o seu tamanho reduzido. Neste sentido, quando comparam-se os comandos enviados pelo controlador, que devem ser seguidos pelos atuadores, com os conjugados mecânicos gerados por eles, o uso da rede neural proposta torna possível diminuir o erro de alocação. Ou seja, os atuadores executam o esforço de controle apropriado pedido pelo controlador, enquanto a matriz de alocação clássica não consegue atingir o mesmo desempenho. Além disso, o comportamento de malha fechada também foi melhorado com o uso da nova alocação de controle (NNCA), bem como a qualidade dos sinais de torque e empuxo, nos quais perceberam-se comportamentos mais suaves e menos ruidosos. A fim de manter a coerência com a inclusão da modelagem dos efeitos aerodinâmicos no sistema por meio da NNCA, estas equações também foram incluídas da formulação do FDD. O novo sistema de detecção de falhas é baseado em um EKF de ordem reduzida tolerante a efeitos aerodinâmicos (ROEKF-TAE), capaz de detectar falhas de perda de efetividade (LOE) em mais de um atuador simultaneamente. Com este objetivo, introduziu-se na formulação do estimador de falhas um modelo do quadricóptero que inclui as equações ii dos efeitos aerodinâmicos pertinentes. A NNCA previamente desenvolvida também foi utilizada em todas as simulações computacionais e experimentos de voo do FDD. Os testes de voo para esta nova abordagem de FDD foram realizados utilizando o mesmo mini drone PARROT mambo. Compararam-se os resultados do ROEKF-TAE proposto com os do EKF tradicional e com os de uma solução do estado da arte que utiliza um filtro de Kalman adaptativo. O ROEKF-TAE foi capaz de distinguir melhor entre os efeitos da falha de fato e aqueles que era interferência do blade flapping. Ainda, ele tem melhor precisão ao diferenciar os atuadores defeituosos dos saudáveis. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department Centro de Engenharia Elétrica e Informática - CEEI pt_BR
dc.publisher.program PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA pt_BR
dc.publisher.initials UFCG pt_BR
dc.subject.cnpq Engenharia elétrica. pt_BR
dc.title Fault detection and diagnosis system considering aerodynamic effects for unmanned aerial vehicles. pt_BR
dc.date.issued 2023-03-31
dc.description.abstract Attitude control in quadrotors usually does not consider the possibility of actuator lossof-effectiveness, becoming then inefficient at certain operating conditions. Fault-Detection and Diagnosis (FDD) algorithms available in the literature do not take into consideration the presence of aerodynamic effects such as blade flapping and induced drag, which hinders flight performance. The attenuation these effects cause on actuator speed could even be mistaken for a loss-of-effectiveness fault, so an FDD system capable of identifying them could be opportune. Typical quadrotor control systems as a whole tend to neglect the presence of such aerodynamic effects. As a primary effort, this thesis proposes that these effects can be compensated in the control allocation step, using a function-fitting neural network as a tool to replace the classic allocation matrix, without using the aerodynamic inflow equations directly. The network training is performed offline, saving on computational power. The target system is a PARROT Mambo drone. This specific quadrotor is particularly susceptible to the aerodynamic effects of interest to this thesis, given its small size. In this sense, when comparing the commands sent by the controller that must be achieved by the actuators, to the mechanical torques generated by them, the usage of the proposed neural network control allocation (NNCA) makes it possible to achieve a close match, meaning the actuators execute the appropriate control effort demanded by the controller, while the classic allocation matrix cannot perform the same way. Furthermore, the closed-loop performance was also improved with the use of the new control allocation, as well as the quality of the thrust and torque signals, in which a much less noisy behavior was perceived. In order to be coherent with the inclusion of the aerodynamic effects modeling into the system through the control allocation, these equations are also included in the FDD formulation. The new fault detection scheme is based on a Reduced Order EKF Tolerant to Aerodynamic Effects (ROEKF-TAE) capable of detecting loss-of-effectiveness (LOE) faults in more than one actuator at the same time. With this goal, a more complete model of the quadrotor system including the pertinent aerodynamic effects equations is introduced in the filter’s development. Moreover, the previously developed NNCA was applied in all iv the new FDD scheme simulations and experiments. The experimental flights for the new FDD approach were performed using the same PARROT Mambo micro drone. They were compared to those of a traditional EKF, as well as to those of a state-of-the-art adaptive Kalman Filter available in the literature. The ROEKF-TAE is able to better distinguish between the effects of the actual fault and those of the blade-flapping disturbance. Also, it has better accuracy in identifying which actuators are truly defective and which are not. pt_BR
dc.identifier.uri http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/31473
dc.date.accessioned 2023-08-16T19:41:51Z
dc.date.available 2023-08-16
dc.date.available 2023-08-16T19:41:51Z
dc.type Tese pt_BR
dc.subject Quadricóptero pt_BR
dc.subject VANT pt_BR
dc.subject Batimento das pás das hélices pt_BR
dc.subject Rede neural pt_BR
dc.subject Detecção e diagnóstico de falhas pt_BR
dc.subject Quadrotor pt_BR
dc.subject UAV pt_BR
dc.subject Blade flapping pt_BR
dc.subject Control allocation pt_BR
dc.subject Neural network pt_BR
dc.subject Fault detection and diagnosis pt_BR
dc.subject Cuadricóptero pt_BR
dc.subject Hélice batiendo pt_BR
dc.subject Red neuronal pt_BR
dc.subject Detección y diagnóstico de fallas pt_BR
dc.subject Quadricoptère pt_BR
dc.subject Pales d'hélice battantes pt_BR
dc.subject Réseau de neurones pt_BR
dc.subject Détection et diagnostic de pannes pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.creator MADRUGA, Sarah Pontes.
dc.publisher Universidade Federal de Campina Grande pt_BR
dc.language eng
dc.title.alternative Sistema de detecção e diagnóstico de falhas considerando efeitos aerodinâmicos para veículos aéreos não tripulados. pt_BR
dc.description.sponsorship Capes pt_BR
dc.identifier.citation MADRUGA, Sarah Pontes. Fault detection and diagnosis system considering aerodynamic effects for unmanned aerial vehicles. 2023. 124 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2023 pt_BR


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