Diseño del sistema de control de la aeronave AirWhale

Abstract

El año pasado el grupo de investigación EsiTech emprendió el proyecto AirWhale, el cual consistía en el desarrollo de un vehículo híbrido entre dirigible y multirotor. Este documento continúa en esa línea de trabajo, siendo su objetivo principal servir como plataforma de pruebas para validar las distintas estrategias de control. Para cumplir con dicho objetivo se deberá crear un modelo dinámico lo más fiel posible al prototipo que se construirá más adelante. Este modelo dinámico se obtendrá a partir de los trabajos realizados por compañeros que forman parte de la asociación. De dichos trabajos se obtendrán las ecuaciones dinámicas y los parámetros que modelan el vehículo. Partiendo de esa información se linealizará el modelo dinámico para obtener un sistema lineal con el que trabajar y sus correspondientes funciones de transferencia. Dicho modelo lineal deberá ser validado mediante comparaciones con el modelo lineal. Todo esto se realizará en la primera parte de este trabajo. Como hemos mencionado anteriormente el objetivo consiste en la implementación y validación de técnicas de control que sean aplicables a nuestro vehículo. Así pues empezaremos con un control en cascada, con dos lazos claramente identificados, uno para el subsistema de rotación y otro para el subsistema de traslación. Se desarrollarán controladores clásicos, como el PD y el PID, que serán sometidos a pruebas de seguimiento de referencia y rechazo de perturbaciones. Se realizarán ensayos con el sistema lineal y con el sistema no lineal para ver cómo responden dichos controladores en ambas situaciones. También se intentarán realizar pruebas en un ambiente lo más realista posible, es decir, añadiendo ruido, teniendo en cuenta la dificultad de implementar el efecto derivativo, etc. También se implementará la técnica de control LQR, con la intención de comprobar el funcionamiento de este tipo de control, se realizarán los mismos ensayos que en el caso de los controladores clásicos, así podremos comparar de forma detallada los resultados obtenidos. Relacionado con el control LQR, otro de los objetivos será el desarrollo de un filtro de Kalman que se utilizará como observador, la elección de éste se debe a sus buenas prestaciones y los resultados satisfactorias que es capaz de ofrecer, también sería interesante desarrollar un filtro de Kalman extendido ya que nuestro vehículo tiene una naturaleza no lineal. Llegados a este punto se pretende tener una gran variedad de ensayos realizados en diferentes situaciones que nos permita decidir qué tipo de control se considera más adecuado para nuestro vehículo y por qué.

Last year the alumni association EsiTech began the AirWhale project, which consist in the development of a hybrid vehicle between airship and Multirotor. This document continues in that line of work, its main objective to create a test platform to validate different control strategies. In order to achieve this objective, we will develop a dynamic model as faithful as possible to the prototype that will be built later. This dynamic model is obtained from the work done by colleagues who are part of the association. These projects will provide us the necessary equations and parameters that describe the vehicle. Based on this information a non linear model will be described which will be linearized later to get a linear model and the transfer functions. That lineal model must be validated making comparison with the non linear model. All this take place in the first part of this work. As mentioned earlier the objective is the implementation of control techniques that are applicable to our vehicle. So we start with a cascade control, clearly identified with two loops, one for rotation and one subsystem to subsystem translation. The development of classic controllers, such as PD and PID that will be tested with the linear y the non linear system to see the differences in both situations. Also it will be tried to realize simulations in an environment as realistic as possible, i.e., adding noise, taking into account the difficulty of implementing the derivative effect, etc. Furthermore LQR control will be implement to check how it works, the same test will be repeated in order to compare in detail the results obtained in both simulations. Related to LQR control another objective will be the implementation of a Kalman filter to be used as an observer, choosing it over other observer because his facilities and satisfactory results. It would be interesting to develop a Extended Kalman Filter to prove the non linear nature of our airship. At this point it is pretended to have a variety of test in different situations to allow us decide what control is appropriate for our vehicle and the main reasons.