Diseño, implementación y prueba de técnicas de control robusto aplicadas a la operación de un UAV (Unmanned Air Vehicle)

Resum

Los vehículos aéreos no tripulados (UAVs - Unmanned Aerial Vehicle) son aeronaves que pueden realizar una o varias tareas y misiones sin intervención directa de un ser humano, el cual limita su intervención a la supervisión del vuelo en caso de una operación crítica. Los UAVs tienen cada vez más usos gracias al desarrollo tecnológico en áreas como los sistemas de control, las telecomunicaciones, los sistema de tiempo real, los sensores o la inteligencia artificial. El vehículo puede participar en misiones como: fotografía aérea, reconocimiento de objetivos, inspecciones de tráfico, búsqueda y rescate, etc. El problema de mantener el vuelo autorregulado del vehículo y permitir el cumplimiento exitoso de una misión requiere de trabajo interdisciplinario y es de mucho interés en la comunidad científica por todas sus implicaciones tecnológicas (uso, adaptación y desarrollo de las más avanzadas tecnologías y técnicas, aplicaciones prácticas importantes), científicas (motor de nuevas ideas y métodos) humanas (protección de vidas humanas, realización de tareas costosas o difíciles para el hombre, defensa). Es bien conocido que la aeronáutica ha impulsado el conocimiento científico y desarrollo tecnológico en prácticamente todas las áreas del conocimiento humano. La presente tesis recoge un estudio del estado del arte, recopilando los elementos a favor y en contra de utilizar las diferentes técnicas. La aeronave utilizada es una aeronave no tripulada, modelo Diamond Katana, a escala 1:3, de 4m de envergadura y 30 Kg de peso máximo al despegue, dotada de un motor de 50 cc y 8HP. Se han seleccionado los sensores y las variables de realimentación necesarios y se ha construido e identificado el modelo no lineal. En el campo del desarrollo de sistemas de control, en esta tesis se han comparado distintas técnicas de diseño robusto, en concreto la técnica H? y la técnica QFT. Ambas poseen una fuerte base matemática. Además son procedimientos de aplicación sistemática con una buena historia de aplicación a sistemas reales, como se sigue de la literatura publicada. Por otro lado, se ha evaluado el comportamiento del sistema mediante pruebas de simulación y mediante pruebas reales y experimentación en vuelo. Las principales aportaciones de esta tesis son: " Concepción, desarrollo, prueba y puesta en operación de un sistema de control para un UAV en el ámbito civil en España que cubre los siguientes aspectos: 1. Estabilización de la aeronave 2. Seguimiento de trayectorias y "way points" 3. Compatibilidad con órdenes desde la estación de tierra 4. Fase de aterrizaje " Desarrollo una plataforma de experimentación en el entorno MATLAB/SIMULINK utilizando una aproximación conceptual similar a la utilizada en la programación orientada a objetos en la que cada elemento físico constituye una "caja" independiente con interfaces de entrada y salida claramente definidos. Esto permite que, de una manera rápida y fiable, se puedan intercambiar elementos sin que la funcionalidad del entorno de pruebas se vea afectada. " Para el desarrollo del sistema de control se han utilizado técnicas de control reconocidas y una arquitectura de control base propuesta por Tucker and Walker (Tucker & Walker, 1997). En esta tesis se ha comprobado la idoneidad de los resultados obtenidos por la aplicación de estas técnicas, teniendo que realizar adaptaciones en la arquitectura de control con el fin de conseguir un mejor comportamiento con respecto a las especificaciones y un ajuste del controlador mucho más rápido y adecuado que ha permitido reducir el tiempo de pruebas. " Se ha propuesto un método sistemático iterativo de selección de pesos a utilizar en la síntesis de controladores H?. " Se ha realizado la comparación de resultados de las técnicas H? y QFT para el problema del aterrizaje autónomo. " Se ha verificado el comportamiento en vuelo real.