Detección, localización y compensación de fallos del sistema de propulsión de multirrotores

Abstract

El objetivo principal de este trabajo de fin de grado es desarrollar un sistema que emplee células de carga para poder detectar y aislar fallos en los actuadores de un multirrotor, más concretamente, identificar la pérdida parcial o total de la capacidad para generar empuje que pueda producirse en cualquier punto del sistema de propulsión. La utilidad de este sistema radica en la posibilidad de implementar técnicas de control en plataformas multirotor de manera que, si la plataforma es teóricamente controlable en el caso de que uno o varios de sus actuadores fallen, el supuesto fallo sea tomado en cuenta a la hora de realizar el reparto de las acciones de control. Con este fin, se realiza una revisión de la bibliografía existente en lo referente a la controlabilidad de plataformas multirrotor, extendiendo dichos estudios para considerar posibles fallos en los actuadores, lo que permite el diseño de plataformas tolerantes a fallos. En base a la teoría, se implementan dos configuraciones de hexarrotor tolerantes a fallos, una de hélices coplanarias y otra de hélices inclinadas. Por último, se lleva a cabo el montaje de un sistema de detección y aislamiento de fallos y se instala en ambos hexarrotores. El algoritmo de control es previamente modificado para que, con la información que recibe, determine cuándo existe un fallo de actuador y desencadene una reconfiguración para que las acciones de control se repartan entre los actuadores que siguen funcionando correctamente. Para evaluar los resultados del trabajo se realizan pruebas reales de vuelo para verificar que las configuraciones de hexarrotor implementadas permiten el control del multirrotor cuando tiene lugar el fallo total de alguno de los actuadores. Además, se comprueba que el sistema de detección y aislamiento de fallos cumple con su cometido.

The main objective of this final degree project is to develop a system that uses load cells to detect and isolate failures in the actuators of a multirotor, more specifically, to identify the partial or total loss of the capacity to generate thrust that may occur at any point of the propulsion system. The utility of this system lies in being able to implement control techniques in multirotor platforms so that, if the platform is theoretically controllable in the event that one or more of its actuators fail, the supposed failure is taken into account when distributing the control actions. To this end, a review of the existing literature on the controllability of multirotor platforms is carried out, extending these studies to consider possible failures in the actuators, which allows the design of fault-tolerant platforms. Based on the theory, two fault-tolerant hexarotor configurations are implemented, one with coplanar propellers and the other one with inclined propellers. Finally, a fault detection and isolation system is assembled and installed on both hexarotors. The control algorithm is previously modified so that, with the information it receives, it determines when there is an actuator failure and triggers a reconfiguration so that the control actions are distributed among the actuators that continue to operate correctly. To test the results of the project, real flight tests are performed to verify that the implemented hexarotor configurations allow the control of the multirotor when the total failure of any of the actuators occurs. In addition, it is verified that the fault detection and isolation system fulfills its purpose.