Análisis, Diseño e Implementación de un Autopiloto para Aerovaves No Tripuladas UAV’s Basado en Lógica Difusa

Análisis, Diseño e Implementación de un Autopiloto para Aerovaves No Tripuladas UAV’s Basado en

Lógica Difusa

Valencia-Redrován David 1, Guijarro-Rubio Octavio 1, Basantes-Montero David 1, Enríquez-Champutiz Victor 1

1 CIDFAE, Centro de Investigación y Desarrollo de la Fuerza Aérea Ecuatoriana

Aeropuerto Chachoán, Ambato-Ecuador

david.valencia@cidfae.gob.ec; octavio.guijarro@cidfae.gob.ec; david.basantes@cidfae.gob.ec; victor.enriquez@cidfae.gob.ec

Abstract—Los UAV (Unmanned Aerial Vehicles) han demostrado sus enormes capacidades en aplicaciones militares y civiles en los últimos años. Se han convertido en una herramienta indispensable en el ámbito de defensa, seguridad y apoyo al desarrollo de una nación. De igual manera el desarrollo tecnológico ha permitido que estas aeronaves vuelen de manera autónoma gracias a sistemas de control electrónicos llamados autopilotos. La arquitectura funcional del autopiloto presentado en este documento basa su funcionamiento en lógica difusa para el control completo de la aeronave, tanto en estabilidad, altitud, trayectoria, dirección y aceleración usando el mínimo de controladores posibles, reduciendo el procesamiento computacional. El sistema que se presenta es puesto a prueba con múltiples horas de vuelo en distintas condiciones climáticas, los resultados son satisfactorios y el sistema se muestra prometedor. Tanto el hardware y software del sistema de control propuesto son  producto  del  trabajo  en  grupo  de  investigadores Ecuatorianos

Keywords— autopiloto; UAV; control difuso; vuelo autónomo;

lógica difusa

I.   INTRODUCCIÓN

En la actualidad los vehículos aéreos no tripulados UAV (por sus siglas en inglés Unmanned Aerial Vehicles) han demostrado el gran potencial que pueden tener en diferentes aplicaciones civiles como militares. Aplicaciones como monitoreo de fronteras, reconocimientos de zonas  en peligro o desastres naturales, determinar zonas  de  contaminación por derrame de hidrocarburos [15], monitoreo agrícola o erosión de suelos [16], incendio forestales, o levantamientos geográficos son algunos ejemplos de las aplicaciones que viene cumpliendo esta tecnología.

Sin duda el  futuro de  la aviación estará muy ligado al campo de los UAV’s, los mismos que han tenido un avance considerable en los últimos años. El desarrollo y  construcción de un UAV no es una tarea fácil, ni de una sola línea de investigación, intervienen varias ramas de la ingeniería como la aerodinámica, sistemas de energía y propulsión, análisis estructural de fuselajes, y sistemas electrónicos de control de vuelo [1], con el único fin de poner estos sistemas en el aire en forma autónoma

Los UAV’s pueden ser controlados o dirigidos en forma remota mediante radioenlaces, pero en la actualidad se ha venido estudiando y desarrollando sistemas de control capaces de mantener los UAV’s estables en el aire   siguiendo la ruta

planteada, estos sistemas inteligentes llamados pilotos automáticos o autopilotos, se encuentran a bordo de un UAV con el fin de reemplazar el factor humano en las operaciones de vuelo. Por lo tanto   controlan de manera autónoma al UAV mediante la generación de  señales de control, dichas señales permiten el control de la altitud, dirección, velocidad entre otras variables de la aeronave [1].

En la  actualidad se  ha  evidenciado una  variante en  los algoritmos de navegación y control de los UAV’s en modo automático,  aunque  los  PID  [9]  [26]  tradicionales  siguen siendo los más utilizados y comercializados en los sistemas de autopilotos, debido a su fácil   aplicación y la capacidad adaptación a múltiples plataformas [10].

La mayoría de los sistemas de autopilotos en el mundo disponibles comercialmente utilizan controladores PID en lazo cerrado   es   decir   con   una   retroalimentación.   Entre   los autopilotos  más  conocidos  comercialmente  podemos mencionar al de la empresa Micropilot [11] que emplea un control PID en cascada con una realimentación de bucles. Los autopilotos  de la serie Piccolo desarrollados por la compañía Cloud  Cap  Technology [12]  se  basan  en  la  eficiencia  del control PID para realizar vuelos autónomos. El  modelo de piloto automático Kestrel de la empresa Procerus Technologies brinda la facilidad de sintonizar en tiempo real las constantes del PID a bordo [13]. El autopiloto  Guidestar desarrollado por Athena Tecnologías utiliza técnicas de  control PID para el control de trayectoria, tanto en altitud y rumbo [1] [14].

Los   controladores   PID   se   utilizan   generalmente   en vehículos aéreos no tripulados, debido a su rápida implementación, pero poseen limitaciones en la estabilidad, robustez, además de  lo  complejo que  muchas veces  puede ponerse la identificación matemática del sistema[10][1] debido a las características no lineales de la aeronave. Es por este motivo que universidades y centros de investigación en todo el mundo han venido desarrollado tecnologías relacionadas a sistemas de autopilotos, basados en distintas técnicas de control [27] [28] [29], tales como el  control basado en lógica difusa [2], control por retroalimentación de estados [3], modelos basados en redes neurales o modelos neuro-difusos [4] [5], control basado en multiagentes [6] control adaptativo con auto sintonización [7] [17], control no lineal [8] entre otros.

De  las múltiples técnicas de control posibles hasta la fecha para   el   control   y   monitoreo  del   UAV,   en   este   paper presentamos el diseño de un autopiloto basado en lógica difusa, para el control completo de la aeronave, es decir control de

[pic 1]estabilidad, altitud,  seguimiento de  ruta,  dirección y aceleración. La propuesta de autopiloto planteada en este documento está implementada en un UAV del CIDFAE. Tanto el diseño de hardware y software del autopiloto, como la estructura  de  la  aeronave  fueron  desarrolladas 100%  en  el Ecuador.

Este trabajo está organizado de la siguiente manera: En la sección 2, pilotos automáticos basados en lógica difusa y proyectos similares son revisados. En la sección 3 se describe el diseño general del sistema difuso propuesto. En la sección 4 se analizan los resultados del plan de pruebas realizado. Finalmente en la sección 5 las conclusiones y trabajos futuros son presentados

II.  ESTADO DEL ARTE

A.  Autopilotos basados en lógica difusa

Como se mencionó previamente, el control clásico basado en  PID’s,  tiene  ciertas  limitaciones,  y  se  buscan  nuevas técnicas menos complejas, de fácil implementación y con óptimos resultados, siendo los sistemas difusos un campo que cumple estas condiciones. Hoy en día, los sistemas difusos son cada vez más robustos por los nuevos mecanismos de adaptación, su fácil implementación y eficientes resultados, lo que ha permitido el  desarrollo de  más aplicaciones prácticas [18]. En la actualidad, varios enfoques se han desarrolla

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