Controle servo visual de veículos aéreos multirrotores

Abstract

O uso de câmeras aumenta a flexibilidade dos robôs. A visão permite que sistemas robóticos móveis operem em locais de onde se tem pouco ou nenhum conhecimento prévio. Sua aplicação também pode aumentar a confiabilidade e precisão das tarefas robóticas. A realimentação de informações visuais para controlar ou estabilizar a postura de robôs, chamado de controle servo visual ou servovisão, é uma das técnicas de controle baseada em visão. Classifica-se a servovisão em dois grupos: baseada em imagem, que define o erro no espaço da imagem; baseada em posição, que usa informações visuais para fazer uma reconstrução 3D, com o erro definido no espaço Euclidiano. Este trabalho apresenta uma avaliação do desempenho do controle servo visual baseado em imagem aplicado a veículos aéreos multirrotores. A abordagem baseada em imagem elimina a necessidade de reconstrução tridimensional com alto custo computacional presente na técnica baseada em posição. Outra vantagem é a reduzida sensibilidade a erros de calibração da câmera e ruídos na imagem quando comparada à baseada em posição. A servovisão clássica usa apenas um controlador proporcional constante. Tal abordagem clássica confere simplicidade ao sistema, porém tende a apresentar um elevado sinal de controle nos instantes iniciais do movimento, quando o erro é relativamente grande. O objetivo fundamental do trabalho aqui descrito é analisar abordagens que melhorem o desempenho da servovisão clássica mantendo sua complexidade relativamente baixa. Avaliaram-se duas alternativas: ganho variável e filtro fuzzy. Para comparar os três controladores (clássico, ganho variável e filtro fuzzy) realizaram-se experimentos simulados em dois cenários: primeiro, usando um sistema cinemático completamente atuado com seis graus de liberdade, para verificar a influência do controlador isoladamente; depois, usando um modelo dinâmico de um quadrirrotor para verificar o comportamento em situações próximas da aplicação real. Tanto o ganho variável quanto o filtro fuzzy demonstraram ser capazes de solucionar, ou amenizar, parte dos problemas do controlador clássico. Por fim, validaram-se os algoritmos em um veículo aéreo não tripulado de quatro rotores — o quadrirrotor. Verificou-se que as duas abordagens avaliadas apresentaram menor esforço de controle durante os instantes iniciais, enquanto o tempo de acomodação foi, também, menor. O desempenho em regime apresentou menor oscilação da orientação do robô com o ganho variável e ainda menor com o filtro fuzzy quando comparados à abordagem clássica, indicando que os dois controladores alternativos conseguem reduzir os efeitos das propriedades dinâmicas do veículo.