Avanços em Sistemas de Reabastecimento Aéreo Autônomos

Reabastecimento aéreo autônomo (AAR) é uma habilidade crucial pra usar direitinho veículos aéreos não tripulados (UAVs) nas operações do futuro. Um método comum de reabastecimento aéreo é o sistema probe-drogue. Esse método é conhecido por ser flexível e compacto. Mas ele tem seus desafios, já que a drogue é passiva e pode ser facilmente afetada por ventos e outras perturbações aerodinâmicas. Um desafio importante durante o processo de encaixe e reabastecimento final é saber com precisão a posição e a orientação da aeronave receptora em relação ao tanque.

Várias tecnologias têm sido usadas pra ajudar com isso, como sistemas de medição inercial, GPS diferencial (DGPS) e sistemas eletro-ópticos. Embora esses sensores possam ajudar no encaixe autônomo, eles têm limitações. Por exemplo, os sinais de GPS podem ser bloqueados ou distorcidos pelo tanque, dificultando a confiança apenas neles. Por isso, tecnologias de visão computacional foram sugeridas como uma abordagem adicional ou alternativa pra dar suporte a esses sistemas.

#Esquemas de Controle por Servo Visual

Os métodos de controle por servo visual variam com base em como eles obtêm e usam dados de imagens. Existem dois tipos principais: o controle visual baseado em posição (PBVS) e o controle visual baseado em imagem (IBVS). O PBVS envolve estimar um conjunto de parâmetros 3D a partir de imagens, o que ajuda a definir como a câmera está posicionada em relação a um quadro de referência. Um método comum nessa abordagem usa LEDs emissores de luz infravermelha na drogue pra ajudar a coletar dados de posição.

Em contraste, o IBVS usa recursos 2D diretamente dos dados da imagem em vez de precisar de uma estimativa 3D. Esse método pode fornecer informações mais rápidas e potencialmente mais confiáveis pra decisões de controle.

Ao longo dos anos, muitos pesquisadores aplicaram controle por servo visual em sistemas de AAR. O foco deles tem sido em métodos melhores pra estimar a posição da drogue de reabastecimento e desenhar estratégias de controle eficazes. Recentemente, o interesse tem crescido em técnicas de controle avançadas que podem lidar com contratempos e se adaptar a circunstâncias em mudança.

#Desafios no Controle por Servo Visual

Apesar dos avanços, o controle por servo visual pra AAR ainda apresenta vários desafios. O sistema probe-drogue é bastante complexo. Um grande problema é o efeito da onda de proa, que pode atrapalhar o processo de encaixe. Além disso, é importante notar que apenas capturar uma imagem 2D clara não garante uma posição 3D precisa. Erros podem acontecer por causa de problemas de calibração da câmera, questões de instalação ou discrepâncias na modelagem 3D.

Os esforços mais recentes têm se concentrado na abordagem PBVS, que depende bastante de posicionamento 3D preciso. Qualquer erro nesses cálculos pode causar problemas, afetando potencialmente a suavidade com que a aeronave se aproxima e se encaixa.

#Método IBVS Proposto

Pra lidar com esses desafios, um novo método de controle de encaixe baseado em IBVS é proposto. A vantagem de usar IBVS é que ele usa diretamente os erros da imagem 2D pra ajudar o receptor a alcançar a posição desejada. Uma técnica de controle específica chamada Regulador Quadrático Linear (LQR) é utilizada pra lidar com distúrbios e incertezas, como o efeito da onda de proa que pode ocorrer durante o encaixe.

#Descrição do Sistema e Formulação do Problema

Pra gerenciar corretamente o processo de encaixe, é necessário definir vários quadros de coordenadas chave que ajudam a descrever o sistema e o modelo da aeronave. A tarefa do receptor é se aproximar do tanque e conectar sua sonda de combustível com o receptáculo da drogue.

Cinco quadros de coordenadas principais são necessários pra modelar essa fase de encaixe: o quadro do solo, o quadro do receptor, o quadro do tanque, o quadro da câmera e um quadro de referência. A relação entre esses quadros é essencial pra controlar com precisão os movimentos da aeronave receptora enquanto ela se aproxima do tanque.

O problema de controle pode ser estruturado como uma tarefa pra minimizar o erro de rastreamento da imagem capturada, ao mesmo tempo garantindo que o receptor mantenha o comprimento correto durante o processo de encaixe.

#Design do Controlador

O design do controlador de encaixe é dividido em duas partes principais: controle do canal lateral e controle do canal longitudinal. Cada um desses controles se concentra em gerenciar diferentes aspectos do movimento do receptor durante o processo de encaixe.

#Controle do Canal Lateral

No problema de controle lateral, o objetivo é garantir que o receptor consiga ajustar com precisão seu movimento de lado pra lado, de forma a se alinhar com a drogue. Isso requer ajustes constantes pra manter a posição desejada.

#Controle do Canal Longitudinal

No problema de controle longitudinal, o foco muda pra garantir que o receptor consiga se aproximar suavemente da drogue. Isso envolve gerenciar o movimento e a velocidade pra frente, especialmente quando está mais perto do tanque. Ajustes são feitos pra evitar que o receptor se mova muito rápido, o que poderia fazer com que ele passasse da drogue.

#Simulação e Verificação

Pra validar os métodos de controle propostos, simulações são realizadas que incluem vários fatores, como distúrbios do vento e o efeito da onda de proa. Essas simulações testam o quão bem a abordagem IBVS se sai em condições do mundo real.

Diferentes cenários são configurados pra observar como o sistema reage a distúrbios em mudança. Por exemplo, a intensidade dos distúrbios do vento pode ser ajustada pra ver como o sistema de controle do receptor gerencia seu movimento.

Os resultados das simulações mostram que, mesmo com distúrbios significativos, o método IBVS proposto é eficaz. O receptor ainda consegue realizar o encaixe com sucesso em condições desafiadoras, incluindo variações no ambiente externo e possíveis erros na estimativa de pose ou medição.

#Conclusão

Esse trabalho apresenta um método usando IBVS pra controlar o reabastecimento aéreo por sonda e drogue. A combinação de IBVS pra o loop externo e LQR pra o loop interno melhora a robustez geral do processo de encaixe. As simulações demonstram a eficácia desse método, mesmo na presença de distúrbios aerodinâmicos e erros de medição.

Nas pesquisas futuras, examinar controladores de baixo nível focados em controlar a velocidade, ao mesmo tempo em que considera a posição da ponta da sonda, será importante. Esse desafio exigirá mais exploração pra garantir operações de reabastecimento aéreo autônomo seguras e precisas.