DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL PARA LA ESTABILIZACIÓN DEL HELICÓPTERO AEROMODELO BELT CP V2.
burton2Informe12 de Agosto de 2015
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL PARA LA ESTABILIZACIÓN DEL HELICÓPTERO AEROMODELO BELT CP V2.
[pic 1]
Anteproyecto de tesis para optar al título de ingeniero en electrónica
SAMITH SNEIDER OÑATE MANZANO
ALEXANDER GOMEZ MOLINA
Director
Ing. Pablo Eduardo Caicedo Rodríguez. Mgr
CORPORACION UNIVERSITARIA AUTONOMA DEL CAUCA
FACULTAD DE INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA
ROBOTICA Y CONTROL
OCTUBRE 2012
TABLA DE CONTENIDO
- Planteamiento del problema
- Estado del arte
- Hipótesis de solución
- Justificación
- Objetivo general
- Objetivos específicos
- Metodología, Actividades y Cronograma
- Metodología
- Cronograma
- Recursos y presupuesto
- Financiación
- Condiciones de entrega
- Referencias Bibliográficas
- Planteamiento del problema
La implementación de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) han sido durante las últimas décadas tema de investigación y profundo interés, ya que permiten ser destinados hacia labores para las cuales el ser humano corre riesgos o se le dificulta ejecutarlas manualmente como lo son reconocimiento, observación y vigilancia en entornos cotidianos y drásticos como conflictos bélicos, incendios, catástrofes [3], [21],[22],[25],[33]. Dentro de los UAVs, se tienen tanto de ala fija como de ala rotatoria, siendo estos últimos los más utilizados para las tareas descritas previamente, esto por su estructura y dinámica de vuelo, debido a lo anterior surgen distintos temas de investigación destinados a crear y/o mejorar sistemas para el mejor funcionamiento del helicóptero dentro de los cuales resalta el interés hacia una mejor estabilidad en vuelo de dicha aeronave [7],[20],[9],[11],[12],[24]
¿Es posible emplear métodos matemáticos y de control para lograr una eficiente estabilidad en vuelo de una aeronave no tripulada tipo helicóptero?
- Hipótesis de solución
La solución propuesta es obtener un controlador para la estabilidad de la aeronave a partir de la búsqueda de un modelo matemático aproximado y su implementación en el software Matlab-Simulink, para posteriormente ajustar los parámetros desconocidos y aplicar técnicas de control por realimentación de estados.
Un controlador basado… mejororara le eficiencia…
- Justificación
El helicopetro posee una gran maniobrabilidad en vuelo, permitiéndole operar en entornos reducidos
El costo de este tipo de aeronaves en muy reducido en comparación a vehículos aeroeos tripulados que prestan servicios similares a los que podría prestar un UAV.
Porque, que es lo importante, para que sirve,(porqure es imp. A la investigacion)
- Estado actual del conocimiento
- Contexto general.
Dentro de los vehículos Aéreos No Tripulados (UAVS) de ala rotativa se encuentra el helicóptero, el cual es una aeronave capaz de realizar distintas maniobras en vuelo y debido a su dinámica, le es permitido mantenerse en vuelo estacionario y operar en entornos reducidos.[33]
Distintas técnicas de control son aplicables a los helicópteros tipo UAV, como control predictivo, control lineal, control robusto, algoritmos de aprendizaje, lógica borrosa, redes neuronales, algoritmos genéticos, leyes adaptativas, métodos de Lyapunov, entre otras. [34], [33]
- Trabajos relacionados
…….
- Modelo matemático del helicóptero aeromodelo:
En su mayoría los trabajos relacionados con el modelo dinámico del Helicóptero tipo UAV están fundamentados en la dinámica de un cuerpo rígido [9],[16],[6],[30] aunque distintos autores incluyen la dinámica de cada componente individual para el modelo final del sistema[2]
En el año 1991, en la escuela de ingeniería eléctrica de la universidad de Pardue, establecen el modelo dinámico en vuelo estacionario o hovering para un helicóptero RC no tripulado.[19]
En el año 2000 Kim y Tilbury [8], realizan un modelo matemático del helicóptero con su aporte principal en la interacción de la dinámica de barras estabilizadoras y las palas del rotor principal.
Bramwell [23] en el año 2001 presenta un método para el modelo matemático completo del helicóptero, este modelo es posible implementarlo para aeronaves con tamaños diferentes, su principal desventaja es la no inclusión de la dinámica de barras estabilizadoras.
En el año 2001, se propone un modelo matemático para un helicóptero a escala RC, empleado para transportar carga. El sistema es considerado como un cuerpo rígido.[6]
En el año 2003 Kim y Tilbury [3] crean un modelo para el helicóptero a escala, generando más énfasis en la dinámica de barras estabilizadoras y su importancia en la estabilidad de la aeronave.
En el año 2003 se crea un modelo matemático para el helicóptero Vario X-Treme, donde se incluye ecuaciones de cuerpo rígido, palas del rotor principal y la dinámica de barras estabilizadoras.[9]
En el año 2005 el Departamento de ingeniería Aeroespacial de la universidad de Kansas, presentó el modelo matemático para la aeronave Raptor 50 V2, donde el principal aporte es la relevancia al acoplamiento aerodinámico y de inercia entre la dinámica longitudinal y lateral del helicóptero.[24]
En el año 2011 se propone el modelado de aeronaves no tripuladas mediante el uso de la herramienta software Matlab-Simulink.[20]
En conclusión?
- Sistemas de control o controladores propuestos:
Diferentes clases de controladores son propuestos para ser aplicados a las aeronaves no tripuladas de despegue vertical tipo Helicoptero:
En [7] se presenta un análisis entre los controladores LQR y CLC, resaltando las ventajas entre uno y otro para ser implementados en el desarrollo del piloto automático de un helicóptero RC.
En distintos laboratorios se prueban controladores para maquetas de helicóptero con 2 rotores:
- En [11] es diseñado un sistema de control con dos esquemas de controladores PID, obtenidos a partir de un controlador LQR, teniendo como característica principal el rechazo a posibles perturbaciones en vuelo.
- En [4] se propone la implementación de un controlador robusto QFT(Quantitative Feedback Theory) para la elevación y el avance del helicóptero.
En [12] son propuestos distintos controladores robustos, a partir de posibles incertidumbres de los parámetros y perturbaciones, lo anterior con el fin de obtener una alta estabilidad en el helicóptero RC.
En [15] es propuesto un controlador LQR, con toma de datos experimentales en vuelo hovering de la aeronave. Este controlador es utilizado en conjunto con integradores para el seguimiento del punto de ajuste.
En [27],[19],[26],[29] se proponen modelos predictivos híbridos de sistemas de control con Redes Neuronales Artificiales y variados controladores para la estabilidad y control de vuelo en helicópteros aeromodelos RC.
En [30] se realiza un sistema de control por realimentación de estados con la implementación del filtro de kalman y el uso de sensores de medida inercial y sistemas de posicionamiento global (GPS).
La universidad de Southern California realiza un sistema de control para un helicóptero no tripulado RC, implementando dos filtros de kalman Indirectos para la actitud y posición respectivamente, realizando una combinación de acelerómetros, giroscopios, inclinómetros, y GPS, basándose en el modelo matemático para cada sensor.[31]
La universidad Politécnica de Madrid en desarrollo de un trabajo de grado a nivel de Doctorado presenta el diseño e implementación del sistema de navegación para un helicóptero tipo UAV, donde hacen uso de algoritmos genéticos para la identificación de parámetros del modelo matemático y su sistema de control es estructurado en los niveles de Mision, Maniobra, velocidad, actitud y altura empleando controladores PD,PID,LQG, entre otras técnicas de control clásico, borroso, robusto e inteligente.[33]
Del documento mencionado previamente es importante resaltar el método empleado para realizar el sistema de control, ya que generan controladores individuales para las distintas fases, y posteriormente prueban uno a uno su validez.
- Resumen
Introduccion a la tabla
Referencia | Aportes | Diferencias Detectadas |
Modelo matemático de un helicóptero con sistema de carga[6] | Es realizado el Modelo matemático de un helicóptero usado para carga.es tenido en cuenta las variaciones en la dinámica de la aeronave por el uso de carga. | La diferencia consiste en que el modelo matemático a emplear no estará restringido a un uso en específico. |
Control robusto QFT deun helicóptero de 3GDL[4] | Sistema de control para la elevación y avance de un helicóptero propuesto en maqueta con dos rotores. Es dispuesto un control en cascada con dos controladores QFT para la elevación y un control QUF individual para el avance. | La diferencia consiste en que no se va a limitar el proyecto a un modelo de helicóptero en maqueta, ya que se emplea un helicóptero aeromodelo completo incluyendo las barras estabilizadoras. |
Modelo de control neuronal predictivo para maniobras agresivas del helicóptero.[27] | Se propone un sistema de control con redes neuronales artificiales para controlar la estabilidad de la aeronave | La diferencia consiste en que en el presente proyecto, el control para la estabilidad es realizado a partir de un controlador por realimentación de estados y no empleando técnicas de control inteligentes. |
Control de un helicóptero por medio de control difuso y realimentación de estados.[5] | Control de la posición acimut y angulo de desplazamiento por medio de control difuso y realimentación de estados | La diferencia consiste en que no se pretende controlar el ángulo para el desplazamiento, sino los ángulos implícitos en vuelo estacionario. |
Experimento de control de un Helicoptero[15] | Es desarrollado un controlador robusto LQR, a partir de datos obtenidos en vuelo estacionario. | La diferencia consiste en que no se empleara un controlador tipo LQR, se empleara probablemente un control por realimentación de estados empleando el filtro de kalman. |
Tabla 1. Matriz resumen, estado actual de conocimiento.
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