P1. Navegação autônoma de veículos aéreos em baixa altitude

Várias aplicações exigem que os veículos aéreos, tripulados ou não tripulados, operem em baixa altitude, perto da terra ou do mar. Estas aplicações incluem o transporte de carga [83], controle de pragas [85], inspeção de equipamentos de grande porte, tais como linhas de transmissão de energia, oleodutos e ferrovias [60], e as operações de resgate [47]. Mesmo nas missões normais executados em alta altitude, como a vigilância e vôo de cruzeiro, veículos aéreos têm que operar perto do solo nos momentos de descolagem e de aterrissagem. Estes modos de vôo diferentes exigem aeronaves com capacidades de veículos de asa fixa e de asa rotativa. A principal dificuldade encontrada ao operar um veículo aéreo perto do solo está relacionada com a presença de obstáculos, como prédios, pessoas, outros veículos e fios elétricos. Além disso, perto do chão os veículos estão sujeitos a disponibilidade intermitente de sinal GPS, comum em ambientes com edifícios e montanhas. Para permitir a segurança na operação de veículos aéreos perto do solo, novos sensores devem ser instalados sobre as aeronaves e estratégias de planejamento de movimento e de controle devem ser desenvolvidos. Para assistência ao piloto ou navegação autônoma, sensores exteroceptivos, tais como câmeras, lasers e radares deve ser utilizado para permitir perceber obstáculos próximos, detectar locais de desembarque, aumentar a percepção de piloto, e mapear o ambiente para uma melhor estimativa do estado. Esses sensores devem ser capazes de aumentar a percepção do veículo, que lhe permite operar em diferentes condições atmosféricas e em situações de falha no GPS. Por outro lado, as novas estratégias de planejamento e controle de movimento devem ser desenvolvidos para permitir que o veículo evite com segurança obstáculos não modelados e dinâmicos, pouse em plataformas móveis, siga ferrovias e linhas de transmissão, transporte cargas, manipule objetos, entre outras operações.

Este projeto irá trabalhar no desenvolvimento de novos algoritmos de estimativa de estados, planejamento de movimento e estratégias de controle que permitirão a operação segura de veículos de grande e pequeno porte perto do solo e entre obstáculos. A primeira aplicação é ter uma aeronave tripulada preparado para seguir, de forma autónoma e muito perto do chão, uma linha de transmissão de energia ou de uma tubulação de gás, aliviando a carga de trabalho do piloto de tal forma que ele pode se tornar apenas um supervisor do processo de coleta de dados. Como a aeronave está tripulada, as atuais leis internacionais que proíbem ou dificultam operações não-tripuladas não se aplicam, principalmente porque o piloto poderia recuperar o controle total da aeronave em situações de emergência imprevistas. Esta aplicação será implementada em um dos aviões, mostrados na Figura 2, desenvolvido na Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), que tem tradição de longo prazo em desenvolvimento de aeronaves, operação e controle. É importante dizer que as instalações da UFMG incluem um hangar moderno, que será utilizado durante o projeto.

Uma segunda linha de investigação neste tema será abordado em uma parceria internacional com a Carnegie Mellon University (CMU), que irá sediar um dos pesquisadores brasileiros durante um ano delicença sabática. No CMU o desenvolvimento de novas estratégias de planejamento de movimento vai se concentrar em pouso agressivo de um verdadeiro helicóptero de transporte de carga em uma plataforma móvel. Tais helicópteros se destinam a ser usadas, por exemplo, em operações de logística, envolvendo plataformas de petróleo em alto mar.

 

Figura 2: Curumim: Avião desenvolvido na UFMG para ser utilizado nos experimentos deste projeto.

Outra pesquisa se concentrará no desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado híbrido, combinando vôo de cruzeiro e capacidades de descolagem e aterragem verticais, para realizar o transporte de carga aérea e manipulação em ambientes restritos. Ambas as configurações de asa rotativa e asa fixa se encaixam para esses fins. Tal veículo é adequado para executar a busca e resgate de transporte de alta velocidade. Uma vez que este tipo de aeronave opera em dois modos (aviões e helicópteros) estratégias de controle adequadas devem ser projetados para fornecer um vôo suave e seguro, além das tarefas de manipulação de objetos e transporte de carga. Esta investigação será realizada utilizando a aeronave de asa rotativa que está a ser desenvolvida na UFMG, mostrado na Fig. 3 e está detalhado na próxima subseção.

Figura 3: VANT de asa rotativa com carga suspensa.

Carga transporte e manipulação aéreo

Pesquisas relacionadas ao transporte de cargas, tanto transportados de forma suspensa por cabos como por manipulação aérea por VANTs estão sendo conduzidas por necessidade de transporte de alimentos, medicamentos e suprimentos para áreas de risco e remotas, como as plataformas de petróleo da camada pré-sal brasileiro, bem como executar tarefas de busca e salvamento, onde os indivíduos são levantadas a partir de situações perigosas. Normalmente, o transporte aéreo de cargas por cabos rebocados é realizado através de um único cabo ligado à carga. No entanto a controlabilidade da carga com um único ponto de fixação é limitada. As primeiras tentativas envolveram movimentos quasi-estáticos para posicionar e orientar uma carga suspensa. O projeto de controle para o transporte de carga suspensa usando micro helicópteros individuais e em conjunto foi estudado e demonstrado em [50]. Quadrirrotores com cargas suspensas também têm sido estudados [62, 28] onde o quadrirrotor é levado ao longo de uma trajectória gerado para minimizar o balanço da carga no fim do movimento. Em [83], os autores levantam dois problemas a serem resolvidos: i) capacitar o VANT para transportar uma carga suspensa por um longo cabo através de pequenas janelas, ii) capacitar o VANT para o transporte de cargas suspensas durante o vôo com altitude restrita, para exemplo, para evitar a detecção por radar ou vôos em ambientes confinados, o que exige movimento dinâmico da carga para evitar os obstáculos no terreno.

Por outro lado, os manipuladores aéreos são uma classe particular de sistemas aéreos não tripulados (SANT) que interagem fisicamente com o ambiente. Alguns trabalhos têm utilizado robôs manipuladores ligados a quadrirrotores para realizar tarefas de transporte [52, 44]. O VANT quadrirrotor é um veículo autônomo adequado para a entrega da carga, uma vez que proporciona alta capacidade de manobra, decolagem vertical e pouso, pairagem em um único ponto e capacidade de transportar cargas próximo ao seu peso corporal, ambos transportados de forma suspensa por cabos.

O desafio de projetar as leis de controle capazes de executar com sucesso tarefas manipulação de objetos e transporte de cargas está ligado ao fato de que o sistema está subatuados. Relativamente a este assunto, embora a maioria dos veículos aéreos já sejam sistemas mecânicos subatuados devido ao projeto eletromecânico, mesmo sem considerar a carga suspensa, através da inserção de uma carga suspensa por um cabo flexível do grau de subatuação do aumento do sistema, o que representa um desafio extra ao controle. Técnicas desenvolvidas para robôs totalmente acionados não podem ser diretamente aplicadas a esses tipos de sistemas mecânicos, uma vez que a maioria dos sistemas subatuados não são totalmente linearizados por realimentação e apresentam restrições não-holonômicas. Portanto, as estratégias de controle avançado são necessários para alcançar um bom desempenho em vôo autônomo com alto desempenho e em condições de voo específicas, tais como: pairar, pouso/decolagem; ou, pelo menos, para ajudar a pilotagem do veículo, com manobrabilidade elevada e robustez em relação a perturbações externas.

Em relação à configuração do VANT, é interessante notar que a capacidade das aeronaves pequenas e médias para acessar e operar em ambientes confinados e obstruídos é uma preocupação crucial para o desenvolvimento de sistemas com requisitos de mobilidade aérea, a fim de permitir que os sistemas de transporte e de manipulação aéreos e execução de missões complexas por VANTs. A fim de satisfazer estes requisitos, é necessário que os VANTs sejam mais compacto para uma determinada carga, mas por outro lado manter o controle do veículo eficazmente torna-se cada vez mais difícil com o tamanho reduzido do veículo. Os VANTs mais comumente estudados são helicópteros, quadrirrotores e aviões de asa fixa. Normalmente, aeronaves do tipo helicóptero têm vantagem sobre os aviões para realizar pouso e decolagem vertical (VTOL – Vertical Take-off and Landing). No entanto, os helicópteros normais e quadrirrotores apresentam limitações dimensionais em ambientes fechados e a velocidade horinzontal  limitada. Por outro lado, os aviões são capazes de voar a velocidades mais elevadas do que os helicópteros. A fim de combinar as vantagens deste tipo de aeronaves, a pesquisa atual em VANTs está olhando na direção dos VANT de rotor inclinado, uma aeronave híbrida helicóptero-avião [71, 4]. O rotor inclinado é um tipo de aeronave que combina a capacidade de elevação vertical de helicópteros, com o alcance e velocidade de aviões de asa fixa. Como o próprio nome sugere, o VANT de rotor inclinado usa hélices rotativas inclináveis para elevação e propulsão.

Parceria com uma empresa brasileira

Esta linha de pesquisa terá uma parceria direta com a empresa Flight Technologies (FT) Systems. É uma empresa criada na incubadora de negócios do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA) e ligado ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA). A Incubadora de Empresas de São José dos Campos está localizado no Centro para a Competitividade e Inovação do Cone Leste Paulista
– CECOMPI. A FT Sistemas faz parte de uma nova geração de empresas de base de tecnologia para atender demandas estratégicas do País e possui como objeto a condução de pesquisa e desenvolvimento, industrialização e prestação de serviços de produtos aeronáuticos e de defesa. A FT está hoje localizada no Parque Tecnológico de São José dos Campos, em uma área de 300m2 em posição estratégica para o estabelecimento de programas de desenvolvimento tecnológico no País. Possui como principais clientes as Forças Armadas brasileiras e empresas do setor aeronáutico como a Embraer e Avibrás.

Possui capacidade e experiência na integração de diversos componentes em aeronáutica e de defesa internacionais e nacionais para o desenvolvimento de projetos que buscam a fronteira do conhecimento. Como consequência de seu trabalho exitoso junto a projetos do Ministério da Defesa, foi credenciada como uma das Empresas Estratégicas de Defesa-EED, pelo Ministério da Defesa. A FT conta hoje com uma estrutura organizacional adequada e um quadro de colaboradores altamente qualificados, somando 20 colaboradores. Seu quadro de colaboradores é composto de profissionais experientes no meio científico e tecnológico que atuam no desenvolvimento no estado da arte tecnológica, e profissionais experientes no meio da Indústria de Defesa e Aeronáutica, com histórico positivo no desenvolvimento de produtos para o setor, oriundos de importantes instituições de pesquisa e ensino como CTA, ITA e USP.

No campo dos desenvolvimentos tecnológicos, a FT tem realizado, com êxito, importantes projetos na área de Veículos Aéreos Não-Tripulados, sistemas aviônicos integrados e sistemas de comando e controle, como desenvolvimento, implantação e testes de voo de sistemas de controle de vôo, de orientação e piloto automático do projeto de VANTs do Ministério da Defesa, cooperação com o desenvolvimento do sistema VANT VT-15, do Exército Brasileiro, através CTEx (Centro Tecnológico do Exército). Executa em
parceria com o ITA, o projeto intitulado “Modelagem, Simulação e Controle de Veículos Aéreos Não Tripulados flexíveis”, financiado pelo CNPq.

Seus principais produtos são derivados da família de VANTs táticos leves. Pode-se citar, como exemplo, o modelo FT 150. É uma nova geração de veículos táticos leves remotamente pilotado. Ele é projetado para operar sem a necessidade de pistas e navios sem convoo. No setor privado, é ideal para aplicações em áreas remotas com infra-estrutura deficiente. Operação em grandes áreas de difícil acesso, a partir de embarcações, como na Amazônia, é ideal a aplicação deste modelo. Com um alcance de até 100 milhas marítimas, pode controlar até 200 milhas náuticas de oleodutos, estradas ou cursos de água de pontos móveis.

 

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