Modelado, simulación y control de una plataforma aérea Mav-Vtol multicuerpo

Abstract

Actualmente son muchas y muy variadas las líneas de investigación relativas al modelado, control, fusión sensorial y navegación autónoma en vehículos no tripulados. El campo de la robótica autónoma, y más concretamente, la robótica aérea, permite plantear nuevas metodologías y aplicaciones que requieren de un estudio profundo y dedicado del estado del arte como de las nuevas propuestas que casi sin descanso se proponen en los diferentes escenarios. Del mismo modo, la visión artificial permite ser aplicada en este nuevo tipo de plataformas de una manera natural y casi inmediata; sin embargo, existen algunas limitaciones inherentes a este tipo de plataformas que es necesario abordar y solventar. En el caso de aplicación de visión artificial a bordo de lo que se conoce como quadrotors, que son una clase especial de helicópteros de pequeño tamaño, para determinado tipo de aplicaciones tales como monitorización de algún agente externo o bien algún escenario determinado, no es suficiente con un acoplamiento entre ambos elementos rígido, sin actuación. Debido a que las plataformas de tipo quadrotor presentan ciertas limitaciones en lo que se refiere a la actuación disponible sobre sus actuadores para el control traslacional y de orientación, es necesario introducir elementos que permitan posicionar el conjunto de cámaras en una posición angular determinada. La consideración conjunta de estos elementos, no hacen más que introducir un mayor nivel de complejidad en lo que se refiere al modelo dinámico del sistema multi-cuerpo, presentando acoplamientos dinámicos y fuerzas/pares resultantes de la evolución conjunta de ambos sistemas, que son necesarios identificar y contrarrestar para poder disponer de una plataforma funcional. La idea principal que subyace de este planteamiento es poder disponer de una cámara completamente actuada, en el espacio, para cualquier tipo de aplicación; básicamente consiste en “dotar” de capacidad de vuelo al sistema visual. Se plantea en este trabajo una primera aproximación al modelado conjunto necesario para el posterior diseño de las leyes de control que estabilizarán la plataforma. Se parte de la asunción de que el sistema evoluciona contenido en un plano, lo que permite realizar ciertas asunciones sobre el problema que favorecen la obtención de un modelo de movimiento que describe el movimiento traslacional y rotacional de cualquier partícula solidaria al sistema de referencia del efector final del posicionador de la cámara, o actuador, denominado gimbal. Posteriormente se proporciona una aproximación al estudio cinemático de la plataforma que evolucionará en el espacio. Obtenido el modelo dinámico, se propone un conjunto de estrategias de control que difieren de la consideración del modelo a tomar para el diseño. Por último, se muestran ciertos detalles relativos a la implementación física para la validación, mediante experimentación, de los resultados obtenidos en este trabajo, y algunas conclusiones que se derivan de los diferentes resultados obtenidos.