Implementação de um algoritmo de controle de fase entre duas hélices adjacentes para mitigação de ruído

Abstract

O mercado de veículos aéreos não tripulados, especialmente os quadricópteros, apresenta grande potencial para aplicações logísticas e de monitoramento, embora a sua integração em ambientes urbanos seja dificultada pelo incômodo sonoro gerado. O ruído desses veículos provém predominantemente dos rotores e de mecanismos de interação aerodinâmica, o que demanda soluções de mitigação eficazes, tanto passivas, focadas no design, quanto ativas, como a sincronização de fase. A técnica de sincronização demonstra-se promissora ao manipular a interferência de ondas para reduzir o ruído e alterar a diretividade sem comprometer significativamente o desempenho. Nesse contexto, apresenta-se neste trabalho o projeto, implementação e validação de um algoritmo de controle de fase em hélices adjacentes em campo externo, visando a produção de dados experimentais para a validação da estratégia de controle de ruído. A metodologia compreende o desenvolvimento de uma bancada com dois rotores posicionados lado a lado, instrumentada para a aquisição simultânea de grandezas mecânicas e acústicas, e a implementação de um controle digital em arquitetura em cascata, responsável por impor e manter a defasagem desejada entre as hélices. Os dados acústicos são processados no domínio da frequência e organizados de modo a permitir a comparação entre diferentes configurações de rotação e ângulos de fase, com ênfase na avaliação do ruído tonal e na diretividade. Apoia-se na revisão de diferentes configurações experimentais e estratégias de controle que buscam assegurar a estabilidade e minimizar erros em regime permanente diante de perturbações de escoamento, mantendo a confiabilidade das medições acústicas.

The market for unmanned aerial vehicles, especially quadcopters, shows great potential for logistics and monitoring applications, although their integration into urban environments is hindered by the noise annoyance they generate. The noise from these vehicles originates predominantly from the rotors and from aerodynamic interaction mechanisms, which demands effective mitigation solutions, both passive, focuseddesign, and active, such as phase synchronization. The synchronization technique proves promising by manipulating wave interference to reduce noise and alter directivity without significantly compromising performance. In this context, this work presents the design, implementation, and validation of a phase control algorithm for adjacent propellers in an outdoor environment, aiming at the production of experimental data for the validation of the noise control strategy. The methodology comprises the development of a test bench with two rotors positioned side by side, instrumentedthe simultaneous acquisition of mechanical and acoustic quantities, and the implementation of a digital control in a cascade architecture, responsible for imposing and maintaining the desired phase offset between the propellers. The acoustic data are processed in the frequency domain and organized to allow the comparison between different rotation configurations and phase angles, with emphasis on the evaluationtonal noise and directivity. The work is supported by a review of different experimental setups and control strategies that seek to ensure stability and minimize steady-state errors in the presence of flow disturbances, maintaining the reliability of the acoustic measurements.