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4. ALGORITMOS DE CONTROLE 1 Introdução
4.4 Controle de altitude
A questão de controle de altitude é aqui discutida, inicialmente, no caso de aviões, helicópteros e mísseis. No caso de aviões os objetivos são de se manter a altitude constante e se ter o controle na taxa de subida e/ou descida, visando assegurar o conforto dos
passageiros. Já no caso de mísseis, o objetivo é fazer com que o veículo acompanhe rapidamente o perfil do terreno, visando, por exemplo, mantê-lo fora do alcance de radares. No caso de helicópteros, em algumas situações como a de vôo pairado, é requerida a manutenção da altitude e posição mesmo na presença de perturbações, enquanto que em vôo de cruzeiro os objetivos são similares àqueles explicitados para aviões.
A forma clássica de se controlar a altitude em aviões é através do comando do leme de profundidade. Os sistemas de controle, conforme mostrado por MCLEAN (1990), usam uma malha externa com a medida de altitude barométrica e uma malha interna de controle do ângulo de arfagem com a realimentação da velocidade de arfagem, como apresentado na Figura 4.5. Nesta Figura, as variáveis são a altitude de referência "Href", a altitude medida
pelo altímetro barométrico “Hatual”, o ângulo de arfagem "θ", a referência do ângulo de
arfagem "θref" e a velocidade de arfagem "q"; e o ganho do controlador de altitude "K1".
MCLEAN (1990) mostra que este esquema apresenta características de desempenho superiores a outras alternativas.
Hatual K1 q θref medida do ângulo de arfagem dinâmica da Aeronave altímetro Href h Controlador medida da razão de arfagem dinâmica do atuador θ - + + - -
Figura 4.5: Diagrama de referência para controle de altitude. Também em MCLEAN (1990) é mostrado que:
i) para o controle da taxa de descida para aterrissagem, baseado no sistema ILS, é utilizado o controle direto do ângulo de arfagem, a partir de medidas da taxa de descida e altitude e;
ii) para se implementar um seguimento de terreno em aviões militares são requeridas informações sobre: aceleração vertical, velocidade de subida, altitude, comando de propulsão, variação de propulsão e variação da velocidade relativa ao ar.
No caso de dirigíveis, algumas aplicações podem requerer altitude constante, outras altura constante em relação ao terreno, mas sem as exigências dos aviões militares. Para auxílio ao controle de altitude, alguns veículos como o AS800 dispõem de propulsão vetorizada que pode compensar a situação em que a sustentação aerodinâmica seja insuficiente – a baixas velocidades, por exemplo –, como mostrado em NAGABUSHAN (1986).
Em NAGABUSHAN (1986), WIMMER (2001) e DE-PAIVA (1999b) são mostradas algumas alternativas para o controle da altitude de dirigíveis. O principio geral é análogo ao mostrado na Figura 4.5, ou seja, uma malha externa a partir da realimentação da altitude, e uma malha interna de arfagem gerando os comandos de controle do leme de profundidade; esta estratégia é usada para o controle da altitude em vôo de cruzeiro, sem o uso da vetorização. Em DE-PAIVA (1999b), também é apresentado o controle da altitude utilizando vetorização e leme de profundidade.
O diagrama de blocos do sistema de controle de altitude utilizado no AS800 para vôo de cruzeiro (ou seja, sem o uso de vetorização pois ela não se faz necessária nessa faixa de velocidades), está mostrado na Figura 4.6. Observa-se que a partir da referência de altitude "Href", que reflete ao longo do tempo o perfil de altitude a ser seguido pelo
dirigível, e das medidas de altitude atual "Hatual", realizada pela sonda de vento, há uma
malha externa de controle de altitude com realimentação da velocidade vertical "wA",
obtida pelo GPS, e uma malha interna de ângulo de arfagem que utiliza as medidas do ângulo e velocidade de arfagem, realizadas pela central inercial, e determina o comando do leme de profundidade "η" para controlar o veículo. No caso do AS800, o comando "η" é transformado para as variáveis δ1, δ2, δ3 e δ4 devido à conversão de comandos configurados em "+" para a deflexão dos atuadores do dirigível montados em "x".
Hatual KEH q KAH θ Dirigível GPS sensores atitude giro e bússola conversão “+” p/ “x” KRAH sonda de vento δ1 δ2 δ4δ3 KVH Href wA + η ì ω ξ + - - + - + -
controle do ângulo de arfagem controle de altitude
Figura 4.6: Algoritmo de controle de altitude.
Os ganhos utilizados para a implementação do sistema de controle são "KEH" e
"KVH" do controlador de altitude, mais os ganhos "KAH" e "KRAH" do controlador do ângulo
de arfagem. Os sensores citados são os descritos no Anexo 1 (A1.3.3).
4.5 Conclusões
Conforme mostrado inicialmente no capítulo, o resultado da pesquisa bibliográfica relativa ao uso de técnicas de controle automático em dirigíveis permitiu constatar que são reduzidos os desenvolvimentos nesse domínio e menores ainda os resultados de aplicação prática de técnicas de controle e de navegação em termos de seguimento de trajetórias e de perfis de altitude.
Neste sentido, este capítulo apresentou estratégias de controle de trajetória e altitude para veículos aéreos e também para robôs manipuladores, constituindo a base para a apresentação das técnicas de controle para dirigíveis, mostrando suas características gerais.
Em seguida apresentou-se o algoritmo de controle desenvolvido por AZINHEIRA et al. (2000) com característica preditiva utilizado como referência para controle de trajetória. Esta formulação foi então reinterpretada segundo um controlador PID para o Controle de Trajetória. Em seguida apresentou-se o diagrama geral do algoritmo de controle de trajetória para o dirigível AS800, mostrando o mapeamento da infra-estrutura sensorial instalada a bordo do veículo com o diagrama geral de controle.
Por fim foi apresentado o algoritmo utilizado como referência para controle de altitude e o seu o mapeamento num diagrama visando a sua implementação, o que inclui a infra-estrutura de sensores instalada no dirigivel.
O próximo capítulo apresenta aspectos ligados à Arquitetura de Software Robótico para o Dirigível, que utiliza como base comportamentos de controle de trajetória e controle de altitude apresentados no presente capítulo.