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Thèse de Doctorat
DOI
10.11606/T.18.2016.tde-21072016-223549
Document
Auteur
Nom complet
Rafael Coronel Bueno Sampaio
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2015
Directeur
Jury
Becker, Marcelo (Président)
Bergerman, Marcel
Bueno, Samuel Siqueira
Catalano, Fernando Martini
Gonçalves, Luiz Marcos Garcia
Titre en anglais
Novel morphologies on flying robots: design for field application
Mots-clés en anglais
Aerial robots
Control and stability
Drone
Hybrid robots
MAV
Morphology
Resumé en anglais
Energetic limitations in low scale Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) sometimes turns outdoor field applications impractical, which restricts the realization of several tasks that could potentially be improved or benefited from its sounding characteristics. Depending on the mission, Mini Aerial Vehicles (MAVs) energetic resources may be mostly wasted during the round trip from launching base and target point around which a given mission must be accomplished. In this sense, the initial deployment problem becomes prominent, raising new opportunities on how aerial robots may be launched/deployed. This work presents a novel perspective in morphological adaptations for aerial robotics that may potentially minimize initial deployment problem issues. From that perspective, we present three novel morphologies. First refers to a hybrid fixed-wing/quadrotor aiming in-flight launching possibilities. Still looking at in-flight launching, second MAV regards to a new morphology for a quadrotor whose center of gravity is shifted in order to improve passive static stability. Third one relates to a hybrid MAV that combines a watercraft and a quadrotor. The aircraft may navigate on water with low energetic cost through a specially designed structure. It also presents static stability in air and over the ground. We present all details concerning new concepts, development, analysis, design and flight simulation for all three novel platforms. A concise and robust validation of stability control is firstly performed with the ©VICON vision system. Finally, on-the-field evaluation for all three morphologies are extensively carried out, presenting optimistic experimental results of our findings.
Titre en portugais
Novas morfologias para robôs aéreos: projeto e controle para aplicações de campo
Mots-clés en portugais
Controle e estabilidade
Drone
MAV
Novas morfologias
Robôs aéreos
Robôs híbridos
Resumé en portugais
As limitações energéticas em robótica aérea de campo muitas vezes levam à sua não utilização em tarefas que poderiam se beneficiar substancialmente de suas inúmeras vantagens. Dependendo da complexidade da missão, os recursos energéticos podem ser despendidos prematuramente ainda durante o traslado ao ponto de interesse. Nesse contexto, se evidencia o problema do lançamento inicial de robôs, o que faz surgir novas possibilidades para o desenvolvimento de novas maneiras de lançá-los. Este trabalho propõe uma nova perspectiva para adaptações morfológicas para robótica aérea as quais podem significativamente minimizar os efeitos das limitações energéticas. Sob essa ótica, são propostas três novas morfologias. A primeira consiste de um robô aéreo híbrido asa fixa/quadrotor visando a possibilidade do lançamento em voo. A segunda consiste de uma aeronave de asa rotativa na configuração quadrotora morfologicamente adaptada para reposicionamento do seu centro de gravidade. O aumento da estabilidade estática passiva da aeronave também visa o seu lançamento durante o voo. A terceira se refere a um veículo aéreo híbrido que combina uma estrutura naval e um quadrotor, capaz de navegar em cenários aquáticos com baixo custo energético. O desenho mecânico resultante permite sua operação no ponto ótimo tanto para a navegação aérea quanto aquática, oferecendo estabilidade estática em todos os cenários (terra, ar e água). São apresentados todos os detalhes de conceito, concepção, análise, projeto e simulação em voo das três novas plataformas. Uma validação robusta dos sistemas de controle e estabilidade é realizada por sistema de visão ©VICON. Por fim, ensaios em campo são realizados, apresentando resultados experimentais otimistas para a aplicação das três novas morfologias.
 
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Date de Publication
2016-07-27
 
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