A closed-form energy model for quadcopters based on the dynamic of the movement applied to calculate wind parameters aiming to extend the flight time
Resumo
Existem vários motivos que incentivam os pesquisadores a encontrar um método para determinar previamente o consumo de energia de um UAV. Entre eles, temos: verificar a capacidade de completar uma missão ou estudar o tempo de vida da bateria. O primeiro é essencial quando o UAV está executando uma cobertura ou entregando uma encomenda. O último é importante para evitar que a bateria fique totalmente descarregada durante o vôo. Os UAVs registram, em seu computador de voo,
informações sobre o consumo, independentemente de eles serem elétricos ou a combustível. Porém, na maioria das vezes, essa informação instantânea serve apenas como um aviso de que é hora de retornar ao ponto de lançamento. Não é útil para calcular o consumo antes do vôo. Nesta tese, um novo modelo de energia de forma fechada para um quadricóptero, baseado na dinâmica do movimento e nos princípios da Física de Superposição e Conservação de Energia, é proposto. O modelo pode
ser facilmente estendido para outros tipos de multi-rotores porque é só depende dos parâmetros do quadricóptero. Ele considera cada parcela de energia consumida separadamente na equação, até mesmo a força de arrasto que normalmente é desprezada em outros modelos. O modelo foi validado contra outro modelo publicado na literatura e se ajusta aos dados experimentais com muita precisão (após um vôo). Também foi aplicado a duas situações diferentes: para calcular o consumo de energia para um caminho previamente definido e para comparar dois caminhos de vôo e determinar qual deles consome menos energia (antes de um vôo). Como uma aplicação não convencional para o modelo, ele é usado de forma reversa. A energia consumida estimada por um filtro probabilístico é aplicada como uma entrada para o modelo de forma que a velocidade do quadricóptero em relação à massa de ar seja calculada. Esses dados e informações fornecidos pelo computador de vôo permitem determinar
a velocidade e a direção do vento que afetam o vôo. Diferentes UAVs voando em locais diferentes, e mesmo em trajetórias muito ruidosas, validaram o uso para determinação de parâmetros de vento. Por fim, para completar a tese, foi simulado o uso de informações sobre o vento para apoiar decisões durante as manobras de busca ou patrulha para que o consumo de energia seja reduzido e o tempo de vôo ampliado. O consumo de energia foi calculado com o modelo de forma fechada por meio de uma
aproximação computacional da cinemática do UAV.
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