Comparativo de técnicas para controle de estabilidade de uma plataforma monoarticulada de drone.

Abstract

O uso de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) cresceu nas últimas décadas, ampliando a exigência sobre os Sistemas de Controle de Voo (FCS). A validação experimental de controladores em voo livre apresenta risco de danos aos equipamentos durante as fases iniciais de sintonia, sobretudo em ajustes feitos por tentativa e erro. Para contornar esses riscos sem perder representatividade dinâmica, este trabalho utiliza uma Mesa Estabilizadora de 1 Grau de Liberdade (1-DOF), que reproduz a dinâmica do controle de atitude em torno de um único eixo. O objetivo é desenvolver e comparar experimentalmente duas técnicas de estabilização nessa bancada, ambas sintonizadas por método empírico: um controlador PID clássico de malha única e um controlador PID em cascata. Como etapa adicional, sempre que viável, aplica-se o método de Ziegler–Nichols, na forma da oscilação sustentada, para fins de comparação com os ganhos obtidos por sintonia direta. Não é objeto deste trabalho a identificação paramétrica formal da planta a sintonia é integralmente conduzida sobre a bancada física. O loop interno opera a 250 Hz, no caso da cascata, o loop externo a 50 Hz, atendendo à regra de separação de banda de cinco vezes. A cadeia de sinal inclui fusão entre acelerômetro e giroscópio por filtro de Kalman unidimensional, filtragem do termo derivativo por dois filtros PT1 em cascata (PT2) e rejeição de harmônicos do motor por filtro notch biquad sintonizado a partir de análise espectral por FFT. Mecanismos de robustez numérica (zona morta no termo proporcional, anti-windup direcional, congelamento do integrador em regime permanente e rampa de setpoint) são incorporados ao firmware. A comparação entre controladores é feita por métricas quantitativas (RMSE, MAE, sobressinal e tempo de acomodação), com média de múltiplas repetições por ensaio. Os resultados validam a cadeia de estimação e de filtragem e corroboram para hipótese de trabalho, em que o filtro de Kalman reduziu o ruído RMS da estimativa de ângulo de 0,083° para 0,012°, o filtro passa-baixa em cascata (PT2) reduziu o valor RMS da taxa angular em 78 %, contra 21 % do filtro notch. Ao ser gerado perturbações, o PID em cascata superou o PID de malha única, reduzindo o sobressinal médio de 2,8° para 1,4°, o erro estacionário de 1,16° para 1,03°.