Estimación de estado en robots aéreos: diseño, implementación e integración en GRVC Autopilot

Abstract

Este trabajo se centra en el problema completo de la estimación del estado en vehículos aéreos no tripulados (UAVs). Para ello, se presentan conceptos básicos necesarios como los sistemas de representación de la actitud y los sistemas de referencia comunes en vehículos aéreos. Además, también se describen herramientas esenciales como el álgebra de cuaterniones, el filtro de Kalman y su versión extendida para sistemas no lineales. Después de hacer un análisis exhaustivo de los sensores disponibles para la estimación, cómo utilizarlos, y cómo calibrarlos, se presentan y describen los algoritmos, la implementación y los resultados obtenidos al resolver los problemas de estimación de la actitud y la posición. En este último, se utiliza una combinación de sensores y algoritmos tal, que resuelve uno de los problemas más comunes en los sistemas de localización actuales. Con la solución propuesta se abre la puerta a la repetitividad operacional que, en aplicaciones como la inspección aérea, son necesarias para, por ejemplo, evaluar y monitorizar defectos concretos de una infraestructura a lo largo del tiempo. Finalmente, se muestra el resultado de un trabajo de integración en el que las técnicas de estimación presentadas se integran con trabajos de diseño y control para resolver un caso de uso específico de inspección por contacto en una infraestructura.

T his master’s thesis is focused on the entire problem of state estimation in unmanned aerial vehicles (UAVs). For this, necessary basic concepts such as attitude representation systems and common reference systems in aerial vehicles are presented. In addition, essential tools such as quaternion algebra, the Kalman filter and its extended version for non-linear systems are also described. After doing a thorough analysis of the sensors available for estimation, how to use and calibrate them, the algorithms, implementation, and the obtained results when solving attitude and position estimation problems are presented and described. In the latter, such a combination of sensors and algorithms is used to solve one of the most common problems in current location systems. The proposed solution opens the door to operational repeatability that, in applications such as aerial inspection, are necessary to, for example, evaluate and monitor specific defects in an infrastructure over time. Finally, the result of an integration work is shown in which the estimation techniques presented are integrated with design and control work to solve a specific use case of contact inspection in an infrastructure