Desarrollo y comparación de un sistema automático de aterrizaje con arquitecturas moderna y convencional para un UAV de ala fija

Abstract

[ES] El objetivo de este Trabajo Final de Grado consiste en el desarrollo de dos diferentes técnicas de control con el fin de desarrollar un sistema automático de aterrizaje para un UAV genérico de ala fija. Este sistema se centrará en el estudio de la respuesta de la distancia entre la posición del drone y la trajectoria de aterrizaje deseada, la cual será especificada en la definición del diseño de control. La primera técnica aplicada estará basada en el controlador PID: ajustando los valores correspondientes al proporcional, integrador y derivador que dan nombre a este método, seremos capaces de alcanzar la estabilidad del sistema. Adaptaremos el systema de trajectoria de planeo acoplado de McLean a las necesidades de nuestro UAV, determinando los valores de las ganancias en los bucles para estabilizar el sistema. Después, estudiaremos el comportamiento del controlador aplicando varios tipos de perturbaciones diferentes que simularán el efecto del viento: primero con constantes para los componentes longitudinales de la velocidad, y segundo con valores aleatorios, haciendo uso del modelo de turbulencia de Dryden. Para esta aproximación, consideraremos una inclinación de la senda de planeo de 2.5º, estandard en la fase de aterrizaje, aunque dicho valor se modificará a 7º, 12º y 15º con el fin de estudiar el mayor número de escenarios posibles. La segunda técnica será el método del H infinity, perteneciente a la familia de controladores robustos. Éste método define un bucle cerrado con el modelo a considerar (determinado por la dinámica de la aeronave, actuador, etc) y el controlador. Tendremos que definir los vectores de entrada y salida del sistema con los elementos de perturbación, de referencia, medidos, los términos de los actuadores, y requerimientos de diseño. El objetivo del método es encontrar y calcular un controlador que optimice estas especificaciones. Para esta aproximación, consideraremos una inclinación de la senda de planeo de 12º, considerada realista para aeronaves de pequeño tamaño como el UAV de ala fija estudiado en este trabajo. Tras obtener el controlador, desarrollaremos un estudio de la robustez del mismo, con el objetivo de estudiar el nivel de independencia de los parámetros del modelo indeterminados con la respuesta.

[EN] The aim of this Final Thesis is to accurately make use of two different techniques in control theory in order to design and develop the automatic landing system of a generic flying wing UAV. This landing system will focus on the study of the tracking error response of the distance between the actual position of the drone and the desired landing trajectory, which will be determined by specifying a certain glide path angle in the control design. The first technique to be implemented will be based on the PID controller theory: tuning the values corresponding to the proportional, integrator and derivative that give the name to this method, we will be able to reach the system stability and performance requirements. We will adapt the glide-path-coupled control system in McLean to the needs of our UAV, determining the gain values in the loops in order to stabilize the system. Then, we will study the behavior of the controller when applying different types of perturbations simulating the wind effect: firstly with constant values for the wind velocity components in the longitudinal axes, and secondly with random values, making use of the Dryden turbulence model. For this approach we will consider a desired glide path angle of 2.5º, the standard slope for aircrafts in the landing phase, although this value will change to 7º, 12º, and 15º with the aim of study the wider number os scenarios possible. The second technique will be the H infinity or gamma attenuation problem, which belongs to the family of the so called robust controllers. This method builds a closed loop system shaped by a plant model (determined by the aircraft dynamics, actuator, weightings, and so on) and the controller. We will have to define the inputs and outputs of the system, with the perturbations, commanded and measured variables, actuator terms, and tracking error and performance specifications. The aim of the process is to calculate and obtain a controller that optimizes these specifications. For this approach we will consider a desired glide path angle of 12º, a possible realistic landing slope for small aircrafts like flying wing UAVs. After obtaining the controller, we will perform a robustness analysis of the same, in order to study its tracking performance along the landing trajectory and to identify its level of independence of the uncertain parameters.