Sistemas de control y guiado para vehículos aéreos no tripuladosdiseño de algoritmos y sistemas embarcados

Resumen

En esta tesis se trata el problema de diseño de sistemas de control de vuelo para aviones no tripulados, considerando de forma integral el diseño de leyes de control y guiado, junto con los sistemas necesarios para el vuelo autónomo. Estas leyes tienen como objetivo el seguimiento de una trayectoria de referencia generada previamente. En primer lugar, partiendo del estudio del estado del arte, se propone una arquitectura general del sistema de control de vuelo. Esto permite tener una visión global de todos los sistemas necesarios, así como de las interfaces entre ellos. Esta arquitectura servirá de hilo conductor de la tesis, ya que definirá los distintos subsistemas que se desarrollarán en los sucesivos capítulos. Entrando en los sistemas de control y guiado, se ha propuesto una aproximación con dos niveles. En el nivel inferior se tiene el sistema de control de actitud, encargado de seguir consignas en velocidad, ángulo de trayectoria y ángulo de balance; las cuales son generadas por el sistema de guiado en un nivel superior. Esta separación permite abordar ambos problemas con estrategias de control distintas, asociadas a los condicionantes de cada uno. Así, considerando el problema de control de actitud, se propondrán nuevas leyes de control mediante técnicas de control adaptativo no lineal, de forma que se consiguen leyes válidas para toda la envolvente de vuelo del avión, a la vez que las leyes de adaptación permiten lidiar con las incertidumbres del modelo aerodinámico y propulsivo. Por otra parte se plantean dos estrategias de guiado complementarias. En primer lugar se avanzará en la aplicación de sistemas de guiado proporcional a aviones no tripulados, obteniendo una ley simple y robusta, que permite seguir el camino establecido, aunque no ofrece mecanismos adecuados de sincronización temporal con la referencia. Partiendo de esta ley de guiado proporcional, se desarrolla una estrategia avanzada de guiado predictivo, consiguiendo mejoras en el seguimiento de la referencia, al mismo tiempo que se incorporan mecanismos de sincronización temporal con la trayectoria de referencia. En lugar de resolver directamente el problema de optimización no lineal, se realiza una linealización explícita del movimiento del avión en torno a una solución de guiado factible (proporcionada por la ley de guiado proporcional previamente diseñada), resolviendo un problema de optimización linealizado en torno a esta solución de referencia. Mediante un proceso iterativo, se consiguen optimizar las señales de control proporcionadas por el guiado sin necesidad de acudir a métodos no lineales, y manteniendo en todo momento una solución factible disponible. A continuación, teniendo en cuenta que para el sistema de control de actitud es fundamental disponer de una buena medida de la velocidad aerodinámica y de los ángulos de ataque y de resbalamiento, se plantea el diseño de un sistema de medida de datos aerodinámicos específico para la aeronave con la que se está trabajando. A partir de un estudio de los errores introducidos en las medidas en función de la geometría de este sistema (así como a la instalación del mismo en el propio avión), se proporciona un diseño a medida para conseguir una buena precisión con un coste reducido. Se realizan además ensayos en túnel aerodinámico, en los que se comprueba que el error obtenido es acorde con las predicciones realizadas. En el capítulo siguiente se aborda el desarrollo del sistema de navegación de la aeronave, el cual se encarga de proporcionar medidas de la posición y de la actitud de la misma. Así se introduce una versión del filtro extendido de Kalman que hace uso de una linealización basada en productos de cuaterniones, al mismo tiempo que se consigue una discretización exacta. Esto permite obtener estimaciones de las variables de estado sin necesidad de normalizar los cuaterniones, debido a que preserva la norma unidad gracias a la formulación empleada. Para finalizar la tesis, se trata el problema del desarrollo del hardware y del software embarcado que haga posible la implementación en el avión de las leyes de control y guiado desarrolladas en esta disertación, abriendo así la posibilidad de realizar ensayos en vuelo en etapas futuras. Así se hace una descripción de la arquitectura del computador de vuelo desarrollado a tal efecto, así como de los demás sensores necesarios para permitir el vuelo autónomo del avión.