Descrição geral
A utilização de drones tem vindo a ser generalizada dada a sua larga gama de aplicações, nomeadamente no domínio civil. Estes são habitualmente utilizados para executar tarefas difíceis, monótonas ou perigosas para o ser humano, como é o caso da monitorização ambiental ou de locais de desastre, da aquisição de imagem com fim multimédia ou da fertilização de campos agrícolas. Por outro lado, podem ser utilizados apenas para fins recreativos.
Este curso tem como propósitos analisar o funcionamento de drones multirotores e das partes que o constituem, saber como desenvolver um simulador para analisar o seu comportamento e projetar soluções para o seu controlo automático.
Objetivos de aprendizagem
No final do curso, os(as) participantes poderão:
- Perceber o modo de funcionamento de drones multirotores;
- Saber modelar os vários elementos do drone (atuadores, sensores e equações demovimento);
- Desenvolver um simulador em Scilab/Xcos (ou Matlab/Simulink) para reproduzir e analisar o comportamento do drone;
- Desenvolver soluções lineares para o controlo automático do drone, e implementar e validar as mesmas no simulador desenvolvido.
Público-alvo
Este curso destina-se a estudantes de graduação ou de pós-graduação e a profissionais das áreas de engenharia, computação, entre outras, assim como ao público em geral com interesse neste tema.
Conteúdos
No curso serão abordados os seguintes assuntos relativos a um quadri-rotor:
- Modelação: princípio físico, componentes, representação do sistema em espaço de estados e diagrama de blocos;
- Simulação: implementação do sistema em anel aberto (atuação e equações do movimento) e dos controladores projetados em ambiente de simulação;
- Análise: linearização, subsistemas de atuação e movimento, análise de estabilidade;
- Controlo: estabilização do eixo vertical, angular e em translação, guiamento por pontos de passagem.
Pré-requisitos
Ao nível dos conhecimentos:
Pressupõe-se que o(a) participante tenha conhecimentos acerca de análise de sistemas lineares, incluindo:
- Álgebra matricial;
- Números complexos;
- Equações diferenciais.
Ao nível de utilização de software:
Para realizar o curso é necessário dispor de um computador com acesso à Internet, com a instalação do software Scilab/Xcos (ou Matlab/Simulink).
Organização e duração
O curso terá a duração de 4 semanas e encontra-se organizado em 4 tópicos.
Ao longo do curso serão disponibilizados, em cada semana, vídeos e materiais de apoio de modo a ilustrar os conteúdos abordados. O curso inicia-se com uma introdução ao tema e noções essenciais para a sua realização.
A participação neste curso é a nível individual e, nesse sentido, pretende-se que todos os participantes contribuam nos fóruns de discussão disponíveis para o efeito.
Avaliação e Certificação
Ao longo do curso os participantes têm a possibilidade de verificarem os conhecimentos adquiridos através de resposta a questões de escolha múltipla e exercícios vários.
Os participantes com uma nota final igual ou superior a 60% terão direito a um certificado de participação (sem classificação atribuída).
Tutores
Alexandra Moutinho
Com formação de base em Engenharia Mecânica pelo Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, fez o seu doutoramento no mesmo Instituto em controlo não-linear de dirigíveis. É professora na Área Científica de Controlo, Automação e Informática Industrial do Departamento de Engenharia Mecânica do Técnico, onde leciona cadeiras como Controlo de Sistemas, Controlo de Voo, Sinais e Sistemas Mecatrónicos, Visão Computacional e Programação por Objetos e Bases de Dados.
É investigadora no Centro de Sistemas Inteligentes do Instituto de Engenharia Mecânica (IDMEC) pertencente ao Laboratório Associado de Energia, Transportes e Aeronáutica (LAETA), onde foca a sua investigação em robótica móvel, em particular em soluções de controlo para veículos aéreos, em colaboração com várias empresas.
José Raul Azinheira
Licenciado em Engenharia (1983) e doutorado em Engenharia de Energia (1986) pela École Centrale de Paris. Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior Técnico, na área científica de Automação e Informática Industrial.
É investigador do IDMEC/LAETA, no Centro de Sistemas Inteligentes, onde tem trabalhado em tópicos de robótica aérea, modelação e controlo, nomeadamente num projeto brasileiro de dirigível autónomo para vigilância ambiental na Amazónia ou em projetos em parceria com empresas portuguesas da área dos Veículos Aéreos Não Tripulados tais como a TEKEVER e a UAVISION.
About this course
The use of drones has been widespread given its wide range of applications, namely in the civil domain. These are usually used to perform difficult, monotonous, or dangerous tasks for humans, such as environmental or disaster sites monitoring, image acquisition for multimedia purposes or the fertilization of agricultural fields. On the other hand, they can be used for recreational purposes only.
This course aims to analyze the operation of multirotor drones and the parts that constitute them, to know how to develop a simulator to analyze their behavior and design solutions for their automatic control.
Main goals
At the end of the course, participants will be able to:
- Understand how multirotor drones work;
- Know how to model the various elements of the drone (actuators, sensors, and equations of movement);
- Develop a simulator in Scilab / Xcos (or Matlab / Simulink) to reproduce and analyze the drone's behavior;
- Apply linear solutions in the automatic control of the drone, through its implementation and validation in the developed simulator.
Target audience
This course is aimed at undergraduate or graduate students and professionals in the fields of engineering, computing, among others, as well as the general public with an interest in this topic.
Contents
The course will cover the following subjects related to a quadrotor:
- Modeling: physical principle, components, representation of the system in state space and block diagram;
- Simulation: implementation of the open-loop system (actuation and equations of motion) and the controllers designed in a simulation environment;
- Analysis: linearization, actuation and movement subsystems, stability analysis;
- Control: stabilization of the vertical movement, angular and translational motions, guidance by waypoints.
Prerequisites
In terms of knowledge:
It is assumed that the participant has knowledge about the analysis of linear systems, including:
- Matrix algebra;
- Complex numbers;
- Differential equations.
In terms of software use:
To take the course, it is necessary to have a computer with Internet access, with the installation of the Scilab / Xcos (or Matlab / Simulink) software.
Organization and duration
The course will last for 4 weeks and is organized into 4 topics.
Throughout the course, videos and complementary materials will be made available each week to illustrate the content covered. The course starts with an introduction to the topic and essential notions for its realization.
Participation in this course is at the individual level and, in this sense, it is intended that all participants contribute to the discussion forums available for this purpose.
Assessment and Certification
Throughout the course, participants have the possibility to verify the knowledge acquired solving several exercises.
Participants with a final grade of 60% or more will be entitled to a participation certificate (without classification).
Course Staff
Alexandra Moutinho
A Mechanical Engineer from Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, she did her PhD at the same Institute in nonlinear control of airships. She is a professor in the Scientific Area of Control, Automation and Industrial Informatics of the Mechanical Engineering Department of Técnico, where she teaches courses such as Systems Control, Flight Control, Mechatronic Signals and Systems, Computer Vision and Object Programming and Databases.
She is a researcher at the Center of Intelligent Systems of the Institute of Mechanical Engineering (IDMEC) belonging to the Associated Laboratory for Energy, Transport and Aeronautics (LAETA), where she focuses her research on mobile robotics, in particular on control solutions for unmanned aerial vehicles, in collaboration with several companies.
José Raul Azinheira
Degree in Engineering (1983) and PhD in Energy Engineering (1986) by École Centrale de Paris. Assistant Professor at the Mechanical Engineering Department of Instituto Superior Técnico, in the scientific area of Control, Automation and Industrial Informatics.
He is a researcher at IDMEC / LAETA, at the Center of Intelligent Systems, where he has worked on topics in aerial robotics, modeling and control, namely in a Brazilian autonomous airship project for environmental surveillance in the Amazon or in projects in the area of Unmanned Aerial Vehicles in partnership with Portuguese companies such as TEKEVER and UAVISION.
