Diseño, construcción e implementación de controladores para seguimiento de trayectorias del Prototipo AirWhale

Abstract

El propósito de este documento es la resolución de problemas de seguimiento de trayectorias trazadas por wait-poins de forma eficiente, robusta y con rechazo a perturbaciones, de vehículos aéreos no tripulados en este caso del Airwhale 1.c.0 prototipo de la aeronave no tripulada Airwhale diseñada por el grupo de investigación Esitech y también entrara en la descripción y propósito de diseño de este prototipo. El cual tiene como objetivo principal servir como plataforma de pruebas para validar las distintas estrategias de control que luego una vez validado los resultados, estos podrán ser extrapolables para el control del UAV AIRWHALE. El objeto de investigación de este Trabajo Fin de Grado es conseguir tener una base solida en el control de aeronaves hibridas entre aerostatos y aeronaves con despegue vertical, necesarias para el desarrollo del proyecto colaboracional AIRWHALE. Para ello partiremos de unas ecuaciones dinamicas formuladas en Newton-Euler creadas por “Javier Mitjavila” y modificadas posteriormente por “Alejandro Romero” y mi mismo “José Luis Holgado”. En ellas están recogidas las distintas actuaciones que hace el medio sobre el vehiculo, y los distintos pares y fuerzas que crea este para realizar su movimiento. Esta serie de ecuaciones diferenciales, necesitan sen transformadas a Espacio de estados, esta reodenacion nos permite obtener uan relación clara entre los distintos estados de nuestro sistema, las entradas que recibe y la evolución de este ante la entradas impuestas. A partir de este modelo no lineal validaremos un modelo lineal donde identificaremos dos submodelos, uno de translación y otro de rotación. Estos submodelos, cuando son acoplados nos dan la dinámica de movimiento aproximada de nuestro vehiculo la cual si es validada con las respuestas del modelo no lineal tanto en blucle abierto como cerrado nos será muy útil para poder diseñar las diferentes estrategias de control. La implementación de las distintas técnicas de control estarán basadas en un sistema en cascada, con dos lazos relativos claramente identificados, uno para el subsistema de rotación y otro para el subsistema de traslación. Para ambos subsistemas, partiremos del desarrollo de controles clásicos, como el PD y buscando una mejora en la respuesta usando la acción integral con controles PID. Una vez realizado estos controladores y tratando de optimizar la resolución del problema de seguimiento implementaremos controles Predictivos, basados en modelos de predicción no lineal. Para comprobar si los resultados que obtendremos mediante estrategias de control predictivo comprobaremos los resultados en pararelo con los resultados obtenidos por los controles clásicos. Para validar la robustez y versatibilidad de nuestros controladores, tendremos dos fases de pruebas. Una teorica añadiendo una serie de saturaciones, ruidos y perturbaciones externas y la siguiente se realizara una vez desarrollado todo el sistema físico y configurado todo el software por parte de “Alejandro Romero”, siendo recogido esto en su Trabajo Fin de Grado, [Nombre TFG ALE] mediante una serie de vuelos de prueba en un ambiente controlado. Haciendo un análisis de este trabajo, su objetivo primordial es desarrollar varias soluciones para el problema de seguimiento de una aeronave no tripulada concretamente para el AIRWHALE y ver cual es la solución mas optima de manera teoríca a demás de validar estos resultados y comprobar su coherencia en una plataforma física basada en un prototipo.

The proposal of this document is explain the resolution of position tracking problem using different controlled strategies in UAVs vehicles. Specifically in vehicles based on hybrid between Airships and V-tol aircraft. In addition we show and discuss the desing of a testing phisical platform to check our results on real flight condition. The work realize on this thesis will let us continue our development of Airwhale project, because this provide to us a serie of control architectures and constants from classical one like PD and PID to other more complicate Like Predictive controller sistems. This will be use as a first step to reach the optimal control system for Airwhale UAV