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Integración de unidad de piloto automático.
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INTEGRACIÓN DE UNA UNIDAD DE PILOTO AUTOMÁTICO BASADO EN TECNOLOGÍAS LIBRES A UNA PLATAFORMA AÉREA DE ALA FIJA.
Trabajo Especial de Grado presentado ante la Universidad Rafael Urdaneta para optar al título de:
INGENIERO ELECTRICISTA
AUTORES:
Br. PETIT M. RONALD. D
Br. VELAZCO U. FERNANDO J.
TUTOR: PROF. SERGIO DE POOL LARGO
Maracaibo, Septiembre 2015
VANT (Vehículo Aéreo no Tripulado)
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
OQ-1 (1939)
V-1 Fieseler Flugzeuhau (1944)
Reginald Denny
Sant Arpia (2007)
Cap.I
TECNOLOGÍAS LIBRES
Cap.I
Placa de Desarrollo de Vehículos Aéreos no
Tripulados(UDB4)
GPS EM-506
Fuente: SparkFunElectronics
Fuente: SparkFunElectronics
¿Cómo calcular tanto teórica como experimentalmente el modelo matemático del vehículo en estudio?.
¿Cómo ejecutar la entonación del controlador del UDB4?.
¿Cómo integrar el piloto automático a la plataforma aérea de ala fija categoría mini clase II?.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Cap.I
OBJETIVOS
Integrar una unidad de piloto automático basado en tecnologías hardware y software libre en una plataforma aérea de ala fija categoría mini clase II.
Definir el modelo matemático de la plataforma aérea de ala fija categoría mini clase II.
Analizar tanto en el dominio temporal y de la frecuencia la dinámica del modelo matemático de la plataforma aérea categoría mini clase II.
Diseñar el control de la plataforma aérea categoría mini clase II basado en lazos PID.
Evaluar los controles diseñados bajo técnicas software de bucle y hardware de bucle.
OBJETIVO GENERAL
Cap.I
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Minimizar los costos y poder lograr los objetivos de una manera simple y accesible.
Desarrollo de tecnologías de VANT en Venezuela.
La profundización en las áreas de aviación y de sistemas de control, lo cual enriquece los conocimientos ya adquiridos en el transcurso de la carrera.
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
Cap.I
ANTECEDENTES
Oscar Vila Rovira. (Julio 2011)
Modelización de aeronaves no tripuladas con Simulink.
Mateo Riquelme Bernal. (Septiembre 2013)
Diseño y construcción de un avión no tripulado basado en sistemas y dispositivos COTS.
Escuela universitaria de ingeniería técnica aeronáutica (EUITA).
Universidad politécnica de Cartagena (UPCT).
Cap.II
TIPO DE INVESTIGACIÓN
De acuerdo a Arias (2006, pp. 26) La investigación explicativa se encarga de buscar el porqué de los hechos mediante el establecimiento de relaciones causa-efecto.
Explicativa
Cap.III
DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
El diseño de la investigación se refiere a la manera práctica y precisa que se adopta para cumplir con los objetivos de estudio, ya que el diseño indica los pasos a seguir para alcanzar dichos objetivos.
Experimental
Cap.III
FASES DE LA INVESTIGACIÓN
Fase I
• Modelos matemáticos aproximados.
Fase II
• Análisis de modelos matemáticos.
Fase III
• Diseño del controlador del UDB4.
Fase IV
• Integración del piloto automático a la plataforma aérea de ala fija.
Cap.III
Fase I. Obtención del modelo matemático del VANT
RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN
Leyes Físicas
Fuente: Rovira (2011)
Suposicionesprincipales
Modelo longitudinal y Modelo latero- direccional
1Vuelo nivelado, sin turbulencias y
no acelerado.
2Velocidades, lineales y angulares con pequeños
cambios.
3 Posiciones iníciales de equilibro.
Suposiciones
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
MOVIMIENTO LONGITUDINAL Cap.IV
Fuente: NASA
Variables de salida Símbolo
Velocidad en el eje X (U)
Ángulo de ataque de la aeronave
(α)
Ángulo de cabeceo (Θ)
Grado o régimen de cabeceo
(q)
Elevador
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Cap.IV
MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL
Fuente: NASA
Variables de salida Símbolo
Ángulo de guiñada (β), (β)’
Grado de balanceo (p), (p)’
Grado de guiñada (r), (r)’
Ángulo de balanceo (Φ), (Φ)’
Alerones
Timón de
dirección
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COEFICIENTES AERODINÁMICOSModelo longitudinal
Modelo latero-direccional
ECUACIONES GENERALES DE COMPORTAMIENTO
Movimiento Longitudinal:
Movimiento Latero-direccional:
Fuente: Rovira (2011)
Fuente: Rovira (2011)
MODELADO DE LA PLATAFORMA AÉREA EN X-PLANE
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Editar o crear modelos de aviones. Aproximar los coeficientes aerodinámicos.
PlaneMaker AirfoilMaker
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015) Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
MODELO DEL VEHÍCULO GENERADO A TRAVÉS DE PLANEMAKER
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
SALIDAS GENERADAS POR EL AIRFOILMAKER (ALA PRINCIPAL)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
DESARROLLO DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS
CALCULO DE COEFICIENTES AERODINÁMICOS
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Coeficientes para el movimiento longitudinal
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Coeficientes para el movimiento Latero-direccional
CONDICIONES DE VUELO Y LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL AVIÓN
Datos físicos de la aeronave
Condiciones de vuelo
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Coeficientes que relacionan los coeficientes aerodinámicos del movimiento longitudinal con las variables físicas del avión desarrollados.
Coeficientes que relacionan los coeficientes aerodinámicos del movimiento latero-direccional y las variables físicas del avión.
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
MATRICES ESPACIO ESTADOS FINALES
Movimiento Longitudinal:
Movimiento Latero-direccional:
ANÁLISIS DE LA DINÁMICA DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS
Análisis en dominio del tiempo - MODELO LONGITUDINAL
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Diagrama de bloques a lazo abierto - Simulink
Repuesta a la entrada de tipo escalón a lazo abierto
Diagrama de bloques a lazo cerrado - Simulink
Repuesta a la entrada de tipo escalón a lazo cerrado
Análisis en dominio del tiempo - MODELO LONGITUDINAL
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Análisis en dominio del tiempo - MODELO LATERO- DIRECCIONAL
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Diagrama de bloques a lazo abierto - Simulink
Repuesta a la entrada de tipo escalón a lazo abierto
Análisis en dominio del tiempo - MODELO LATERO- DIRECCIONAL
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Respuesta a una entrada de tipo escalón – (Alerones)
Diagrama de bloques a lazo cerrado - Simulink
Respuesta a una entrada de tipo escalón – (Timón de Dirección)
DISEÑO Y ENTONACIÓN DE LOS CONTROLADORES
Herramienta de sintonización de controladores PID (PID tuner)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
CONTROLADOR PARA EL MOVIMIENTO LONGITUDINAL (TIMÓN DE PROFUNDIDAD)
Tercer controlador - Final
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015) Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Primer controlador Segundo controlador
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y PARÁMETROS DE LOS CONTROLADORES DISEÑADOS PARA EL MOVIMIENTO LONGITUDINAL
(TIMÓN DE PROFUNDIDAD)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL MOVIMIENTO LONGITUDINAL (TIMÓN DE PROFUNDIDAD)
COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD (U), POR LOS CAMBIOS EN EL TIMÓN DE PROFUNDIDAD CON
PERTURBACIÓN.
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE ATAQUE (Α), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
PROFUNDIDAD CON PERTURBACIÓN.
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL GRADO DE CABECEO (Q), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
PROFUNDIDAD CON PERTURBACIÓN
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE CABECEO (Θ), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
PROFUNDIDAD CON PERTURBACIÓN
CONTROLADOR PARA EL MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL (ALERONES)
Primer controlador Segundo controlador
Tercer controlador - Final
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015) Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
CARACTERÍSTICAS GENERALES Y PARAMETROS DE LOS CONTROLADORES DISEÑADOS PARA EL MOVIMIENTO LATERO-
DIRECCIONAL (ALERONES).
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL (ALERONES)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE GUIÑADA (Β), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DE LOS ALERONES
CON PERTURBACIÓN.
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL GRADO DE BALANCEO (P), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DE LOS ALERONES CON
PERTURBACIÓN
COMPORTAMIENTO DEL GRADO DE GUIÑADA (R), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DE LOS ALERONES CON
PERTURBACIÓN
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE BALANCEO (Φ), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DE LOS ALERONES
CON PERTURBACIÓN
CONTROLADOR PARA EL MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL (TIMÓN DE DIRECCIÓN)
Primer controlador Segundo controlador
Tercer controlador - Final
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015) Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS CONTROLADORES DISEÑADOS PARA EL MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL
(TIMÓN DE DIRECCIÓN)
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE CONTROL PARA EL MOVIMIENTO LATERO-DIRECCIONAL (TIMÓN DE DIRECCIÓN)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE GUIÑADA (Β), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
DIRECCIÓN CON PERTURBACIÓN
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL GRADO DE BALANCEO (R), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
DIRECCIÓN CON PERTURBACIÓN.
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL GRADO DE GUIÑADA (P), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE DIRECCIÓN
CON PERTURBACIÓN
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
COMPORTAMIENTO DEL ÁNGULO DE BALANCEO (Φ), CON RESPECTO A LOS CAMBIOS DEL TIMÓN DE
DIRECCIÓN CON PERTURBACIÓN
EVALUACIÓN DE LOS CONTROLES A TRAVÉS DE HARDWARE DE BUCLE
Unidad de piloto automático UDB4-MatrixPilot
Fuente: SparkFunElectronics
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Configuración del MatrixPilot para los canales de radio
Configuración del MatrixPilot para los canales de radio
Definición de las ganancias de control en MatrixPilot
CONFIGURACIÓN DEL MATRIXPILOT
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
VENTANA DE TRABAJO DE MPLAB
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
SIMULADOR X-PLANE-HARDWARE DE BUCLE
Fuente: SparkFunElectronicsFuente: SparkFunElectronics Fuente: tecnobru
SIMULACIONES DE VUELO A TRAVÉS DE X-PLANE
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
MODELO DISEÑADO PARA EL SIMULADOR X-PLANE
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
SIMULACIÓN DE HARDWARE DE BUCLE
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Fuente: Velazco, Petit, de Pool (2015)
Comportamiento del avión en simulación de hardware de bucle
Aeronave de la investigación en vuelo a través de hardware de bucle
CONCLUSIONES
Luego de definir las variables que intervienen en la dinámica de vuelo de una plataforma aérea de ala fija y de analizar las ecuaciones de fuerza y momento que describen el comportamiento de la misma.
Una vez modelado el sistema basado en leyes físicas y obtenido las ecuaciones espacio estado que representan a los mismos, se les realizó un análisis tanto en el dominio temporal como en el dominio frecuencial que resultaron ser de utilidad ya que permitieron observar los comportamientos y características generales de dichos sistemas.
CONCLUSIONES
Fue primordial y esencial la elaboración de diferentes modelos de controles debido a que es necesario analizar las respuestas de los sistemas en comparación con las respuestas de un controlador previo, así como también definir un comportamiento general de los sistemas al aplicar controladores PID.
Con respecto a la evaluación de los controles diseñados se utilizó un plugin llamado HILSIM para el simulador X-Plane en conjunto con la unidad de piloto automático UDB4 para realizar la evaluación de hardware de bucle.
RECOMENDACIONES
Se recomienda la evaluación de los puntos de divergencia por las no linealidades del sistema para así saber dónde aplicar otras teorías de control que permitan regular dichos puntos y conseguir una respuesta robusta.
Se recomienda para un posterior estudio la posibilidad de adquirir datos de vuelo reales por medio de dispositivos de adquisición de datos acoplados a la unidad de piloto automático.
Es recomendable ya teniendo establecidos modelos matemáticos, la incursión en nuevas teorías de control como lo son los controles adaptativos, controles LQR y controles H infinito.
RECOMENDACIONES
Sería de gran utilidad por lo cual es recomendable para el desarrollo de futuras investigaciones medir el efecto de las vibraciones sobre la unidad de piloto automático UDB4.
Es recomendable realizar pruebas de hardware bucle con el uso de diferentes teorías de control para tener diversidad en la selección de los controles.
Gracias…