Desarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias de un vehículo aéreo no tripulado
Ilustraciones
- Autores:
-
Sánchez Alarcón, Omendey de Jesús
- Tipo de recurso:
- Fecha de publicación:
- 2024
- Institución:
- Universidad Nacional de Colombia
- Repositorio:
- Universidad Nacional de Colombia
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Reconocimiento 4.0 Internacionalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Rivadeneira Paz, Pablo Santiago04730d3951ae0b8d3cad652e1130f609Sánchez Alarcón, Omendey de Jesús2a472e95ed8e2fc1d93b814512b2a0382024-07-26T16:44:46Z2024-07-26T16:44:46Z2024https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/86633Universidad Nacional de ColombiaRepositorio Institucional Universidad Nacional de Colombiahttps://repositorio.unal.edu.co/IlustracionesLos vehículos aéreos no tripulados (UAV, de su sigla en inglés Unmanned Aerial Vehicle) ofrecen soluciones a tareas complejas en muchos ámbitos ingenieriles dada su maniobrabilidad y portabilidad. La gran mayoría de soluciones se logran aplicando estrategias de control sobre el UAV de tal forma que este pueda seguir una trayectoria demandada por la tarea en cuestión. La implementación de controladores para el seguimiento de trayectorias generalmente requiere un conocimiento preciso de la dinámica del UAV mediante un modelo matemático, el cual, a pesar de estar ampliamente trabajado en la literatura, no es común que se contemple las dinámicas de los actuadores, dejando la puerta abierta a posibles falencias o aspectos a mejorar a la hora de implementar una estrategia de control de forma práctica. De manera adicional a lo anterior, el desarrollo e implementación práctica de las estrategias de control en sus etapas tempranas implica un alto riesgo para la seguridad tanto del personal que realiza dicha implementación como del UAV en cuestión, ya que un error mínimo puede desencadenar tanto la destrucción del UAV como un daño a la integridad física de quien lo opera. Por todo lo anterior, en esta tesis se propone en primera instancia diseñar e implementar estrategias de control para el seguimiento de trayectorias, las cuales tengan en cuenta las dinámicas de los actuadores. Dichas dinámicas se modelarán mediante un proceso de identificación paramétrica bajo una estructura de segundo orden y primer orden en tiempo discreto. En segunda instancia, se desarrolla una plataforma o estructura equipada con mecanismos y la electrónica necesaria para monitorear, adquirir datos en tiempo real y permitir el movimiento angular libre del UAV, de tal forma que se puedan realizar pruebas sin riesgo de destruirlo o causar un daño físico a quien se encarga de las implementaciones. Finalmente, se presentan los resultados prácticos de las implementaciones reales y se contrastan con los arrojados por las simulaciones computacionales.Unmanned aerial vehicles offer solutions to complex tasks in many engineering fields due to their maneuverability and portability. The vast majority of solutions are achieved by applying control strategies on the UAV that allow for correct following of a trajectory demanded by the task. The implementation of controllers for trajectory tracking generally requires a precise knowledge of the dynamics of the UAV through a mathematical model, which, despite being widely worked on in the literature, usually does not contemplate the dynamics of the actuators in the development of such models, leaving the door open to possible shortcomings or aspects to improve when a control strategy is implemented in practical terms. In addition, the development and practical implementation of control strategies in their early stages involve a high risk to the safety of both the personnel performing such implementation and the UAV in question, because a minimal error can trigger both the destruction of the UAV and damage to the physical integrity of the operator. Therefore, this thesis proposes in the first instance the design and implementation of control strategies for trajectory tracking which take into account the dynamics of the actuators. These dynamics are modeled by a process of parametric identification, which yields a dynamic model of second and first order in discrete time. Secondly, a platform or structure is developed and equipped with mechanisms and the necessary electronics to monitor, acquire data in real time, and allow the free angular movement of the UAV in such a way that tests can be performed without the risk of destroying it or causing physical damage to the person in charge of the implementations. Finally, the practical results of the real implementations are presented and contrasted with the results of the computational simulations.MaestríaMagíster en Ingeniería - Automatización IndustrialEste trabajo se desarrollará bajo un enfoque teórico, de simulaciones y experimental. Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, es necesario llevar a cabo la captura de datos utilizando un sistema de adquisición compuesto por un microcontrolador capaz de procesar las señales provenientes del sensado de las variables que describen el comportamiento entrada-salida de los actuadores del UAV. Luego, utilizando una técnica de identificación paramétrica, se representará mediante un modelo de tipo caja negra una estructura matemática que describa de forma precisa las dinámicas de los actuadores del vehículo aéreo no tripulado. Posteriormente, se debe realizar un proceso de validación a través de un software con la capacidad de evaluar y comparar los datos experimentales contra los datos arrojados por el modelo identificado. Para desarrollar el controlador, es necesario conocer todas las variables involucradas en el modelo del UAV, incluyendo un grupo de variables medibles y otro de variables no medibles. Por lo tanto, es necesario diseñar previamente un observador de estados capaz de estimar las dinámicas no medibles del sistema. Dicho observador debe tener la capacidad de filtrar el ruido existente y garantizar una rápida convergencia. Todo esto será implementado en un software de simulación de sistemas dinámicos que permita simular sistemas con un gran número de variables y altas no linealidades. Una vez obtenidas estimaciones confiables, y utilizando el mismo software de simulación, se diseñará una estrategia de control que permita al UAV seguir una ruta o trayectoria determinada, para luego contrastarla con estrategias de control estandarizadas. El objetivo principal será evaluar el seguimiento de trayectorias, el rechazo a perturbaciones externas y el comportamiento ante posibles incertidumbres de modelado.Sistemas Dinámicos y ControlÁrea Curricular de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería de Control150 páginasapplication/pdfspaUniversidad Nacional de ColombiaMedellín - Minas - Maestría en Ingeniería - Automatización IndustrialFacultad de MinasMedellín, ColombiaUniversidad Nacional de Colombia - Sede Medellín620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería:Sistemas de control inteligente - Modelos matemáticosSistemas de control inteligenteUAVPIDLQRKalman FilterTrajectoryPlatformUnmanned aerial vehiclesFiltro de KalmanUAVPIDLQRvehículos aéreos no tripuladosDesarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias de un vehículo aéreo no tripuladoDevelopment of a control strategy for the trajectory tracking of an unmanned aerial vehicleTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionTexthttp://purl.org/redcol/resource_type/TMEn-Hui Zheng, Jing-Jing Xiong, and Ji-Liang Luo. Second order sliding mode control for a quadrotor uav, 2014Guowei Cai, Ben M. Chen, and Tong Heng Lee. Unmanned Rotorcraft Systems. 2011M. Blachuta, R. Czyba, W. Janusz, and G. Szafra ́nski. Data fusion algorithm for the altitude and vertical speed estimation of the vtol platform. Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications, 74:413–420, 2014L. Derafa, A. Benallegue, and L. Fridman. Super twisting control algorithm for the attitude tracking of a four rotors uav. Journal of the Franklin Institute, 349:685–699, 2012Min seok Jie, Seung hun Kim, and Won hyuck Choi. Quad-copter posture control using fusion filter of complementary filter and kalman filter using mems sensor. 11:61–70, 2018Roman Czyba, Wojciech Janusz, and Grzegorz Szafra ́nski. Model identification and data fusion for the purpose of the altitude control of the vtol aerial robot. volume 2, pages 263–269, 2013Angelo Maria Sabatini and Vincenzo Genovese. 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Pearson, 4th edition, 2013.EstudiantesInvestigadoresMaestrosPúblico generalLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-85879https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/86633/1/license.txteb34b1cf90b7e1103fc9dfd26be24b4aMD51ORIGINAL1020452210.2024.pdf1020452210.2024.pdfTesis de Maestría - Automatización Industrialapplication/pdf10560765https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/86633/2/1020452210.2024.pdf2b8913bd342e076cd2076910836618fdMD52THUMBNAIL1020452210.2024.pdf.jpg1020452210.2024.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4731https://repositorio.unal.edu.co/bitstream/unal/86633/3/1020452210.2024.pdf.jpg670391a3128558be23c965d54eeb68f5MD53unal/86633oai:repositorio.unal.edu.co:unal/866332024-08-27 23:10:59.106Repositorio Institucional Universidad Nacional de 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