Development of an autonomous unmanned aerial vehicle specification of a fixed-wing vertical takeoff and landing aircraft

• Main Author: Silva, Natássya Barlate Floro da
• Other Authors: Branco, Kalinka Regina Lucas Jaquie Castelo
• Format: Others
• Language: en
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2018
• Subjects: Algoritmos de seguimento de trajetória; AVALON; Controle para VANTs; Fusão de sensores; Path-following algorithm; Sensor fusion; Tailsitter; UAV control
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/55/55134/tde-16102018-100220/

Several configurations of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) were proposed to support different applications. One of them is the tailsitter, a fixed-wing aircraft that takes off and lands on its own tail, with the high endurance advantage from fixed-wing aircraft and, as helicopters and multicopters, not requiring a runway during takeoff and landing. However, a tailsitter has a complex operation with multiple flight stages, each one with its own particularities and requirements, which emphasises the necessity of a reliable autopilot for its use as a UAV. The literature already introduces tailsitter UAVs with complex mechanisms or with multiple counter-rotating propellers, but not one with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing. This thesis presents a tailsitter UAV, named AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), and its autopilot, composed of 3 main units: Sensor Unit, Navigation Unit and Control Unit. In order to choose the most appropriate techniques for the autopilot, different solutions are evaluated. For Sensor Unit, Extended Kalman Filter and Unscented Kalman Filter estimate spatial information from multiple sensors data. Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law and Vector Field path-following algorithms are extended to incorporate altitude information for Navigation Unit. In addition, a structure based on classical methods with decoupled Proportional-Integral-Derivative controllers is compared to a new control structure based on dynamic inversion. Together, all these techniques show the efficacy of AVALONs autopilot. Therefore, AVALON results in a small electric tailsitter UAV with a simple design, with only one propeller and without auxiliary structures to assist in the takeoff and landing, capable of executing all flight stages. === Diversas configurações de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) foram propostas para serem utilizadas em diferentes aplicações. Uma delas é o tailsitter, uma aeronave de asa fixa capaz de decolar e pousar sobre a própria cauda. Esse tipo de aeronave apresenta a vantagem de aeronaves de asa fixa de voar sobre grandes áreas com pouco tempo e bateria e, como helicópteros e multicópteros, não necessita de pista para decolar e pousar. Porém, um tailsitter possui uma operação complexa, com múltiplos estágios de voo, cada um com suas peculiaridades e requisitos, o que enfatiza a necessidade de um piloto automático confiável para seu uso como um VANT. A literatura já introduz VANTs tailsitters com mecanismos complexos ou múltiplos motores contra-rotativos, mas não com apenas um motor e sem estruturas para auxiliar no pouso e na decolagem. Essa tese apresenta um VANT tailsitter, chamado AVALON (Autonomous VerticAL takeOff and laNding), e seu piloto automático, composto por 3 unidades principais: Unidade Sensorial, Unidade de Navegação e Unidade de Controle. Diferentes soluções são avaliadas para a escolha das técnicas mais apropriadas para o piloto automático. Para a Unidade Sensorial, Extended Kalman Filter e Unscented Kalman Filter estimam a informação espacial de múltiplos dados de diversos sensores. Os algoritmos de seguimento de trajetória Lookahead, Pure Pursuit and Line-of-Sight, Nonlinear Guidance Law e Vector Field são estendidos para considerar a informação da altitude para a Unidade de Navegação. Além do mais, uma estrutura baseada em métodos clássicos com controladores Proporcional- Integral-Derivativo desacoplados é comparada a uma nova estrutura de controle baseada em dinâmica inversa. Juntas, todas essas técnicas demonstram a eficácia do piloto automático do AVALON. Portanto, AVALON resulta em um VANT tailsitter pequeno e elétrico, com um design simples, apenas um motor e sem estruturas para auxiliar o pouso e a decolagem, capaz de executar todos os estágios de voo.