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Type: DISSERTAÇÃO
Degree Level: Mestrado
Title: Modelagem de um dirigível robótico com propulsão elétrica de quatro motores
Title Alternative: Modeling of a robotic airship with four electric engines as thrusters
Author: Martínez Arias, Ronald Ricardo, 1983-
Advisor: Paiva, Ely Carneiro de, 1965-
Abstract: Resumo: No presente trabalho, o modelo dinâmico do dirigível do Projeto AURORA (Gomes e Ramos, 1998), (Azinheira et al., 2001) e (Azinheira et al., 2008) é adaptado para considerar 4 motores ao invés de 2 apenas. Além disso, esses motores possuem acionamento elétrico (DC-Brushless) ao invés de propulsão por motor de combustão. Esses motores poderão trabalhar em acionamento diferencial, ou seja, motores frente-trás ou esquerda-direita com forças de propulsão diferentes, com a finalidade de gerar momentos e forças que complementem os demais atuadores do dirigível, como as superfícies de cauda ou leme. Duas inovações principais caracterizam esse novo sistema. O primeiro ponto é a utilização de quatro propulsores vetorizáveis ao invés de apenas dois como o usual. O segundo ponto é a angulação de 20 [graus] presente na fixação dos propulsores. Essa angulação faz com que, ao ser vetorizado para cima, cada propulsor gere uma componente de força lateral, além das componentes longitudinal e vertical. Se a intensidade da força gerada em cada propulsor for a mesma, obviamente as forças laterais geradas num par de propulsores se cancelam, e temos uma situação parecida com a atuação clássica de dirigíveis, gerando forças apenas para frente e para cima. Mas se, por outro lado, as intensidades de força nos propulsores de um dado par (dianteiro ou traseiro) forem diferentes, então forças resultantes laterais (bem como momentos) podem ser obtidos no CV (Centro de Volume) do dirigível. Assim, se o par de propulsores dianteiros gera uma componente lateral de forças para a direita, por exemplo, e o par traseiro gera uma componente lateral para a esquerda, então temos a geração de um momento de guinada positivo (horário), supondo obviamente que os motores encontram-se vetorizados. Essa é a chamada propulsão diferencial esquerda-direita que permite a geração de momentos de guinada em baixas velocidades, de tal forma compensar a baixa eficiência aerodinâmica da cauda com pouca incidência de ar (vento relativo). Outra possibilidade é a geração da propulsão diferencial dianteira-traseira, onde ambos propulsores dianteiros fornecem força de igual intensidade, mas de amplitude diferente daquela gerada pelos propulsores traseiros. As forças laterais são canceladas, mas um novo momento de arfagem pode ser gerado, e com um grau de liberdade a mais do que na situação onde se usava apenas dois propulsores vetorizáveis. Podemos obter inclusive um momento de arfagem no dirigível e ainda mantê-lo na posição "nivelada" de ângulo de arfagem (pitch) nulo. O uso da propulsão diferencial dianteira-traseira permite também obter uma mudança contínua e suave nas forças e momentos ao se variar a velocidade de operação do dirigível (airspeed). Evita-se assim a transição brusca de atuação que é observada quando o dirigível, na configuração clássica de apenas dois motores, passa das baixas velocidades (usando vetorização) para as altas velocidades (dispensando vetorização). Dessa forma, tanto a propulsão diferencial lateral (esquerda-direita), como a longitudinal (traseira-dianteira) obtida com essa configuração inédita, permite gerar momentos e forças que complementam os demais atuadores do dirigível, como as superfícies de cauda ou leme. Ressalta-se que as diferentes configurações de propulsão motora como essa proposta aqui considerada (de domínio do Projeto DRONI) poderão aumentar a eficiência e desempenho das abordagens de controle linear e não linear já desenvolvidas previamente no âmbito do Projeto AURORA

Abstract: In this paper masters, the dynamic model of AURORA Project airship (Gomes e Ramos, 1998), (Azinheira et al., 2001) and (Azinheira et al., 2008) is adapted to consider 4 engines instead of 2. Furthermore, those engines as electric start (DC-Brushless) instead of propulsion combustion engine. Engines can work with differential start, that is, front-back or left-right engines with different thrust forces. It has the purpose of generating forces and torques which complement other airship actuators, such as the tail and rudder surfaces. Two main innovations characterize this new system. First, it uses four thrusters with thrust vector control instead of just two as usual. Second, it is the 20 [degrees] angulation that is present in the thrusters setting. This angulation allows each thruster generates a lateral force component besides the longitudinal and vertical components when thrusters are vectorized upward. If the amount of force generated in each thruster is the same, obviously, the addition of lateral forces generated in a pair of thrusters will be zero, and we will have a similar situation with the classic airship performance, generating forces only forward and up. But if the amount of force on thrusters on a given pair (front or back) are different, then resulting lateral force (and torques) can be obtained on airship CV (Volume Center). Thus, if the front pair of thrusters generates a lateral force component to the right, for example, and the rear pair generates a lateral component to the left, we have a generation of yaw torque positive (clockwise), obviously assuming that the engines are vectorized. This is called the differential thrust left-right which allows the generation of yaw torques on low speeds, in order to compensate a low aerodynamic efficiency of tail with little air effect (relative wind). Another possibility is the generation of the differential thrust front-back, where both front thrusters provide equal amount of force, but with a different amplitude than the force generated by the rear thrusters. The lateral forces are canceled, but a new pitch torque can be generated, and with a degree of freedom more than in the situation where it was used only two thrusters with thrust vector control. We can get even a pitch torque on the airship and still keeping it on null pitch angle position. The use of diferential thrust front-back allows also getting a slight and continuous change on the forces and torques when is varied the airship operation speed (airspeed). It avoids the abrupt transition of performance that is observed when the airship, on classic configuration of only two engines, goes through from low speeds (using vectoring) to high speeds (dispensing vectorization). Thus, both the differential thrust lateral (left-right) as the longitudinal (front-back) obtained with this configuration unprecedented, it allows to generate torques and forces that complementing the other airship actuators, such as tail surfaces or rudder. It should be noted that different confiurations of thrust (Project DRONI) may increase the efficiency and performance of linear control approaches and nonlinear previously carried out under the AURORA Project
Subject: Veículos autônomos
Aerodinâmica
Motores elétricos
Editor: [s.n.]
Citation: MARTÍNEZ ARIAS, Ronald Ricardo. Modelagem de um dirigível robótico com propulsão elétrica de quatro motores. 2014. 104 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/265786>. Acesso em: 27 ago. 2018.
Date Issue: 2014
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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