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…