Relatorio TG 1 - Renan Fernandes

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
RELATÓRIO TRABALHO DE GRADUAÇÃO I
Simulação e Controle de Vant’s
Renan Fernandes
Orientador:
Prof. Dr. Diego Paolo Ferruzzo Correa
São Bernardo do Campo, SP
Março/2022
Sumário
1 Descrição de Atividades 2
1.1 Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Descritivos de Atividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Estudos Bibliográficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Aquisição de Dados da Aeronave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Geração de modelo 3D X-Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Estudos Bibliográficos 4
2.1 O que são VANT’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Categorias de VANT’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Mecânica de Voo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Eixos de Referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Modelagem X-Plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Modelagem Matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Aquisição de Dados 8
3.1 Escolha do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.1 Convencional - Batman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.2 Convencional - Maverick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.3 Asa Voadora - Cumade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Dados Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Modelagem 3D 12
5 Conclusão 14
Bibliografia 15
Capı́tulo 1
Descrição de Atividades
Esta secção tem como objetivo apresentar o cronograma a ser realizado no atual quadrimestre,
bem como um pequeno descritivo das atividades enunciando também o status de realização das
mesma.
1.1 Cronograma
Para a realização do Trabalho de Graduação, foi elaborado um cronograma contemplando os
3 quadrimestres a serem realizados no ano de 2022. A figura 1.1 apresentada abaixo refere-se ao
cronograma mês a mês para realização do Trabalho de Graduação.
Figura 1.1: Cronograma Geral
Na figura 1.2 está apresentado o cronograma semanal para a realização das atividades durante
o primeiro quadrimestre. Este sendo realizado as seguintes atividades durante o perı́odo:
• Estudos bibliográficos;
• Aquisição de dados da aeronave;
• Geração de modelo 3D X-Plane;
• Elaboração do Relatório TG I.
2
Capı́tulo 1. Descrição de Atividades 3
Figura 1.2: Cronograma TG I
1.2 Descritivos de Atividades
1.2.1 Estudos Bibliográficos
Como atividade inicial foi programado um estudo bibliográfico, apresentado mais detalha-
damente no Capitulo 2, como forma de aumentar o conhecimento sobre assunto, utilizando-se
de alguns trabalhos relevantes nas áreas de modelagem da dinâmica de VANTs utilizando
técnicas analı́ticas e modelos de voo obtidos pelo X-Plane. De forma geral o resultado esperado
foi alcançado e o trabalho de estudo bibliográfico foi armazenado de forma ser utilizado no
andamento do projeto até a concepção final do relatório.
1.2.2 Aquisição de Dados da Aeronave
Dando sequência ao cronograma pré-estabelecido, foi contactado a liderança da equipe
Harpia Aerodesign para obtenção dos dados de seus antigos aviões, para a utilização do mesmo
como modelo a ser utilizado nas análises. A aquisição de dados ocorreu como esperado e
em menos tempo dada a facilidade de comunicação e acesso aos dados uma vez que o autor
participou da equipe nos projetos em questão.
1.2.3 Geração de modelo 3D X-Plane
Como última atividade a ser desenvolvida no atual quadrimestre, a modelagem 3D da
aeronave tinha como intuito, gerar uma aeronave semelhante ao projeto proposto pela equipe
Harpia. O objetivo foi alcançado com alguns contratempos na utilização do software, esse sendo
superados com ajuda dos estudos realizados nas semanas iniciais do projeto.
Capı́tulo 2
Estudos Bibliográficos
Objetivo deste documento é agrupar todo o estudo bibliográfico realizados nas primeiras
semanas do projeto, com finalidade de facilitar a busca por informação no decorrer do desen-
volvimento do Trabalho. No capitulo será apresentado as principais bibliografias analisadas,
entretanto cabe salientar que todos artigos e livros apresentados nas referências também serviram
como base para a estruturação do trabalho apresentado.
2.1 O que são VANT’s
Veı́culos Aéreos Não Tripulados (VANT’s), são aeronaves capazes de alçar voo sem a
necessidade de tripulação embarcada. Existem diversos modelos de VANT’s, sendo os de asa-
rotativa e de asa-fixa os mais conhecidos e utilizados. A grande utilização de VANT’s vem
aumentando nos últimos anos isso se dá pelas as inúmeras vantagens da sua utilização, sendo
elas:
• Segurança dos operadores, perincipalmente em operações militares ;
• Redução de custo na operação e manutenção;
• Facilidade na troca de tripulação em operações militares
• Diferentes utilizações
Segundo [1] podemos definir VANT’s da seguinte forma:
• Veı́culo Aéreo Não Tripulado (VANT); Aeronave não tripulada (asa-fixa, asa-rotativa
e dirigı́veis), com capacidade de alçar voo, composto por subsistemas dotados de uma
inteligência automatizada, e de fins não recreativos. Dentro delas podemos classificar-la
como Aeronave Remotamente Pilotada ou Aeronave Autônoma;
• Drone ou Aeromodelo: Aeronave não tripulada e rádio controlada para fins recreativos,
voando no alcance visual do operador.
4
Capı́tulo 2. Estudos Bibliográficos 5
2.1.1 Categorias de VANT’s
Assim como as aeronaves civis e militares, o VANT’s também possuem uma classificação
dependendo da sua missão, tamanho ou altitude de voo:
Figura 2.1: Classificação de VANT’s de [2]
Em outras bibliografias como a apresentada por [2] temos os VANT’s categorizados da
seguinte forma:
• HALE - High Altitude Long Endurance - Voam em altitudes maiores que 15.000 metros;
• MALE - Medium Altitude Long Endurance - Semelhante aos HALE’s, porém operando
em altitudes entre 5.000 a 15.000 metros;
• TUAV - Tactical UAV (Medium Range) - São menos sofisticados do que os HALE’s ou
MALE’s;
• Close-Range UAV - Operados por grupos de combate em operações militares em solo ou
navais para diversos tipos de missão;
• MUAV - Mini UAV - Tem massa menor do que 20Kg;
• MAV - Micro UAV - São VANT’s pequenos, com velocidade pequena, geralmente utiliza-
dos em operações urbanas ou dentro de edificações;
• NAV - Nano UAV - São VANT’s muito pequenos, com envergadura em torno de 70mm ou
menos.
Capı́tulo 2. Estudos Bibliográficos 6
2.2 Mecânica de Voo
Em [3], está apresentada uma metodologia de cálculos analı́ticos no MATLAB para obter as
derivadas de estabilidade e controle de um VANT de asa fixa, baseado nas suas caracterı́sticas
fı́sicas próximas ao VANT’s a ser adotado. Este modelo por derivadas de estabilidade e controle
foi refinado com dados de ensaio em voo.
2.2.1 Eixos de Referencia
Para uma aeronave podemos definir 3 tipos de eixos de referencia sendo eles: Eixos do
Corpo (Body Axes), Eixos de Estabilidade (Stability Axes), e Eixos do Vento (Wind Axes). São
tambem utilizados o Angulos de Euler para representar a rotação da aeronave sobre estes eixos.
Figura 2.2: Ângulos de Euler
2.3 Modelagem X-Plane
No mestrado de [4], é apresentado um trabalho de modelagem e simulação de um VANT
quadrirotor no simulador de voo X-Plane. O trabalho mostra que esta metodologia de simulação
é interessante para o estudo de diferentes tipos de controladores (piloto automático). O mesmo
autor apresenta uma outra bibliografia propondo uma para simulação e testes de um VANT
pequeno de asa-fixa (2,5Kg e 1,8m de envergadura) no simulador, este mais se aproxima da ideia
tida pra este
trabalho de graduação, essa porem não foi analisada no perı́odo proposto para o TG
I.
2.4 Modelagem Matemática
A modelagem matemática será realiza como tarefa referente ao TG II, nessa etapa a ideia
é utilizar o Software Matlab/Simulink como forma de realizar a análise longitudinal e latero-
direcional da aeronave a partir dos dados coletados junto a equipe de aerodesign.
Capı́tulo 2. Estudos Bibliográficos 7
O livro de [5] apresenta uma metodologia de modelagem e simulação de um VANT pe-
queno, com massa e tamanho parecido aos utilizados na categoria regular da competição SAE
Aerodesign. A modelagem envolve a obtenção das derivadas de estabilidade e controle através
do DATCOM. Para simulação de voo é utilizado o FlightGear, outro software parecido com o
X-Plane muito utilizado para a simulação de voo.
Capı́tulo 3
Aquisição de Dados
A escolha da aeronave utilizada no projeto, baseou-se nos anos em que o autor participou da
equipe de aerodesign da Universidade Federal do ABC, Harpia Aerodesign. Em contato com os
lı́deres da equipe foi solicitado a permissão para utilização dos dados uma vez que a metodologia
de analise será repassada aos mesmo para que possam ser utilizados nos anos seguintes em seus
projetos.
Para este Trabalho foi considerado a utilização de três modelos de aeronaves já utilizadas
pela Harpia em anos anteriores, sendo dois modelos de aeronaves convencional e um modelo de
asa voadora.
3.1 Escolha do Modelo
3.1.1 Convencional - Batman
O projeto ”Batman”foi realizado no ano de 2017 pela equipe Harppia Aerodesign para a
competição nacional SAE Aerodesign na categoria regular. Trata-se de um avião que realizou
mais de 20 voos de teste, além de apresentar ótimos voos na competição.
1. Vantagens
• Maior facilidade em encontrar bibliografias;
• Superfı́cies de controle individuais;
• Dados aerodinâmicos completos;
• Avião Construı́do e testado em voo;
2. Desvantagens
• Não participação do autor na concepção do projeto;
• Falta analise CFD por aerodinâmica;
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Capı́tulo 3. Aquisição de Dados 9
• Poucos dados para estabilidade do avião.
Figura 3.1: Avião utilizado na competição de 2017 (”Batman”)
3.1.2 Convencional - Maverick
O projeto ”Maverick”ocorreu durante o ano de 2018, foi uma aeronave utilizada apenas
durante a fase de protótipo em escala pela equipe. Trata-se de uma aeronave do modelo
convencional.
1. Vantagens
• Maior facilidade em encontrar bibliografias;
• Superfı́cies de controle individuais;
• Dados aerodinâmicos completos;
2. Desvantagens
• Falta analise CFD por aerodinâmica;
• Avião foi construı́do apenas em protótipo.
Figura 3.2: Avião conceitual competição 2018
Capı́tulo 3. Aquisição de Dados 10
3.1.3 Asa Voadora - Cumade
O projeto ”Cumade”foi realizado também em 2018, esse sendo escolhido para representar a
equipe na competição SAE Aerodesign. O modelo trata-se de uma asa voadora que completou
vários voos de teste e voos e competição alcançando uma das melhores colocações da equipe até
2018.
1. Vantagens
• Dados aerodinâmicos completos;
• Avião Construı́do e testado em voo;
• Maior quantidade de dados de estabilidade e controle;
• Aerodinâmica analisada por CFD
2. Desvantagens
• Utilização de Drag Rudders;
• Superfı́cies de controle acopladas
Figura 3.3: Avião utilizado na competição de 2018
3.2 Dados Finais
Após a análise das possı́veis aeronaves a serem utilizadas, definiu-se o projeto ”Cumade”de
2019 para ser utilizado no processo, devido a confiabilidade apresentada em seus voos.
Dando sequência, após a escolha do modelo final foi levantado todos os dados relevantes
necessários para a análise e modelagem do avião no X-Plane. As figuras abaixo apresentam
um resumo dos valores básicos geométrico e aerodinâmicos para a realização das próximas
atividades listadas no cronograma
Capı́tulo 3. Aquisição de Dados 11
Figura 3.4: Dados Geométricos da Aeronave
Figura 3.5: Dados Aerodinâmicos e de Propulsão
Capı́tulo 4
Modelagem 3D
Os parâmetros da aeronave selecionada foram adicionados utilizando o programa de modela-
gem de aeronaves Plane-Maker, embarcado no X-Plane. A ordem apresentada na lista abaixo
não é necessária, podendo realizar os passos em qualquer sequência. Para maiores consultas foi
utilizado [6] como manual para preenchimento de cada item da forma correta. Vale salientar
ainda que o software utiliza o sistema americano de medidas para a maior parte dos inputs.
Para construção da estrutura foi utilizado as seguintes abas do programa Plane Maker.
• Fuselagem −→ Aba Fuselagem;
• Asas, Estabilizadores Vertical e Horizontal −→ Aba Wings;
• Trem de Pouso −→ Aba Landing Gear;
• Airfoils −→ Expert;
• Peso e Centro de Gravidade −→ aba Weight and Balance
• Motorização −→ aba Standard - Engine Specs
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Capı́tulo 4. Modelagem 3D 13
Figura 4.1: Montagem Asa e Estabilizadores Verticais
Figura 4.2: Modelagem 3D Final (Sem deflexão x Com deflexão)
Capı́tulo 5
Conclusão
Dato o fato do conhecimento do autor em relação ao trabalho proposto, bem como o acesso
as informações dos aviões utilizados para estudo, o TG I foi cumprido dentro de seu tempo
estipulado alcançando as metas estipulados no inicio do projeto.
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Bibliografia
1 ANAC. Instrução suplementar - is nº 21-002 - revisão a: emissão de certificado de
autorização de voo experimental para veı́culos aéreos não tripulados. ANAC,SAR/GTPN, 2012.
2 AUSTIN, R. Unmanned aircraft systems: uavs design, development and deployment. John
Wiley and Sons Ltd, v. 28, 2010.
3 WATKISS, E. Flight dynamics of an unmanned aerial vehicle. Department of Aeronautics
and Astronautics, Naval Postgraduate School, Monterey, California., 1994.
4 FIGUEIREDO, H. V. Simulation platform for quadricopter: using matlab/simulink and
x-plane. XIV Simpósio de Aplicações Operacionais em Areas de Defesa, 2012.
5 JUNG D.; TSIOTRAS, P. Modeling and hardware-in-the-loop simulation for a small
unmanned aerial vehicle. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007.
6 RESEARCH, L. Plane Maker Manual. [S.l.], 2021. Disponı́vel em: ⟨https:
//developer.x-plane.com/manuals/planemaker/⟩. Acesso em: Abr. 2022.
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