Unmanned Aerial Vehicles Modelling and Control Design. A Multi-Objective Optimization Approach

Abstract

[ES] Aquesta tesi presenta els resultats de la feina de recerca dut a terme sobre el modelatge i el disseny de controladors per a micro-aeronaus no tripulades mitjançant tècniques d'optimització multi-objectiu. Dos principals camps d'estudi estan presents al llarg d'ella. D'una banda, l'estudi de com modelar i controlar plataformes aèries de petita envergadura. I, de l'altra, l'estudi sobre l'ús de tècniques heurístiques d'optimització multi-objectiu per aplicar en el procés de parametrització de models i controladors en micro-aeronaus no tripulades. S'obtenen com a resultat principal una sèrie d'eines que permeten prescindir d'experiments en túnels de vent o de sensòrica d'alt cost, passant directament a la utilització de dades de vol experimental a la identificació paramètrica de models dinàmics. A més, es demostra com la utilització d'eines d'optimització multi-objectiu en diferents fases de desenvolupament de controladors ajuda a augmentar el coneixement sobre la plataforma a controlar i augmenta la fiabilitat i robustesa dels controladors desenvolupats, disminuint el risc de passar de les fases prèvies de el disseny a la validació en vol real.

[CA] Esta tesis presenta los resultados del trabajo de investigación llevado a cabo sobre el modelado y el diseño de controladores para micro-aeronaves no tripuladas mediante técnicas de optimización multi-objetivo. Dos principales campos de estudio están presentes a lo largo de ella. Por un lado, el estudio de cómo modelar y controlar plataformas aéreas de pequeña envergadura. Y, por otro, el estudio sobre el empleo de técnicas heurísticas de optimización multi-objetivo para aplicar en el proceso de parametrización de modelos y controladores en micro-aeronaves no tripuladas. Se obtienen como resultado principal una serie de herramientas que permiten prescindir de experimentos en túneles de viento o de sensórica de alto coste, pasando directamente a la utilización de datos de vuelo experimental en la identificación paramétrica de modelos dinámicos. Además, se demuestra como la utilización de herramientas de optimización multi-objetivo en diferentes fases del desarrollo de controladores ayuda a aumentar el conocimiento sobre la plataforma a controlar y aumenta la fiabilidad y robustez de los controladores desarrollados, disminuyendo el riesgo de pasar de las fases previas del diseño a la validación en vuelo real.

[EN] This thesis presents the results of the research work carried out on the modelling and design of controllers for micro-unmanned aerial vehicles by means of multi-objective optimization techniques. Two main fields of study are present throughout it. On one hand, the study of how to model and control small aerial platforms. And, on the other, the study on the use of heuristic multi-objective optimization techniques to apply in the process of models and controllers parameterization in micro-unmanned aerial vehicles. The main result is a series of tools that make it possible manage without wind tunnel experiments or high-cost air-data sensors, going directly to the use of experimental flight data in the parametric identification of dynamic models. In addition, a demonstration is given on how the use of multi-objective optimization tools in different phases of controller development helps to increase knowledge about the platform to be controlled and increases the reliability and robustness of the controllers developed, reducing the risk of hoping from the initial design phases to validation in real flight.