Diseño y validación de una herramienta de optimización para la selección de componentes de drones de carreras

Abstract

[ES] La selección de componentes para el montaje de drones de carreras suele ser una tarea altamente delicada, compleja y confusa para los pilotos. Esto es debido a la alta oferta de componentes con unos rangos de rendimiento bastante parecidos. Además, las características inherentes del comportamiento de estos aparatos implican que los pilotos deben poseer cierto conocimiento técnico para asegurar la seguridad de vuelo. La problemática reside en que si esta selección se realiza de forma aleatoria o sin unos conocimientos específicos, esto puede generar que los componentes se quemen o rompan a la hora de hacer el montaje. El presente TFG abordará la necesidad procedente de la toma de decisión sobre qué componentes de drones de carreras seleccionar, a través de la optimización, más concretamente la programación lineal entera mixta (PLEM). Así, el objetivo general es el diseño, desarrollo y validación de una herramienta basada en PLEM que seleccione los componentes, como el tipo de estructura geométrica (airframe) y sus dimensiones, los motores y las hélices, considerando sus condiciones de operación y rendimiento bajo unas condiciones de seguridad establecidas. Drone UPV perteneciente al programa de Generación Espontánea (GE) de la Universitat Politécnica de València ha participado en la definición y validación de la herramienta aportando sus estudios sobre pruebas de vuelo, además de facilitar las preferencias de cuatro de sus pilotos para la validación de la herramienta. Asimismo, la herramienta tendrá en cuenta las preferencias y objetivos de los pilotos, relacionados con la maniobrabilidad, agilidad, empuje, potencia, amperaje y voltaje, así como sus conocimientos respecto a cambios en el firmware, para brindarle una opción óptima dentro de las posibilidades. El modelo se implementa en Pyomo, una extensión de Python que al ser un lenguaje de programación libre facilitará la futura utilización de la herramienta tanto para Drone UPV como para cualquier piloto de drones de carreras.

[EN] The selection of components for the assembly of racing drones used to be a delicate, complex and confusing task due to the high market demand and a similar range of efficiency. In addition, the intrinsic characteristics of this machine imply having some technical knowledge to ensure a safe flight. The problem is that if this selection is executed randomly or without some specific knowledge, this may cause components to burn or break easily at assembly time. This TFG will address the decision-making on which racing drone components to employ optimisation, more specifically, Mixed Integer Linear Programming (MILP). Thus, the general objective is the design, development and validation of a tool based on the selected components, such as the type of geometric structure (airframe) and its measurements, motors and propellers, considering their operating conditions and efficiency in the established safety conditions. Drone UPV, which belongs to the Spontaneous Generation programme of the Polytechnic University of Valencia, has participated in the definition and validation of this tool, supporting its studies on flight tests and providing the preferences of four pilots for the validation of the tool. The tool will also consider the pilots' preferences and objectives related to manoeuvrability, agility, thrust, power, amperage and voltage, as well as knowledge of firmware changes, to give them an optimal choice from among all the possibilities. The model is implemented in Pyomo. A Python is a free programming language that will allow the future use of the tool for both the Drone UPV drone and for any racing drone pilot.

[CAT] La selecció de components per al muntatge de Drons de carreres sol ser una tasca altament delicada, complexa i confusa. Això és degut a l'alta oferta de components i uns rangs de rendiment prou semblants. A més, les característiques inherents del comportament d'aquests aparells impliquen posseir un cert coneixement tècnic per a garantir la seguretat de vol. La problemàtica resideix en què si aquesta selecció es realitza de manera aleatòria o sense uns coneixements específics, això pot generar que els components es cremen o trenquen a l'hora de fer el muntatge. El present TFG abordarà la necessitat procedent de la presa de decisió sobre quins components de drons de carreres seleccionar, a través de l'optimització, més concretament la programació lineal sencera mixta (PLEM). Així, l'objectiu general és el disseny, desenvolupament i validació d'una eina basada en PLEM que seleccioni els components, com la mena d'estructura geomètrica (airframe) i les seues dimensions, els motors i les hèlixs, considerant les seues condicions d'operació i rendiment sota unes condicions de seguretat establertes. Drone UPV pertanyent al programa de Generació Espontània de la Universitat Politècnica de València ha participat en la definició i validació de l'eina aportant els seus estudis sobre proves de vol, a més de facilitar les preferències de quatre dels seus pilots per a la validació de l'eina. Així mateix, l'eina tindrà en compte les preferències i objectius dels pilots, relacionats amb la maniobrabilitat, agilitat, embranzida, potència, amperatge i voltatge, així com els seus coneixements respecte a canvis en el microprogramari, per a brindar-li una opció òptima dins de les possibilitats. El model s'implementa en Pyomo, una extensió de Python. Que a l'ésser un llenguatge de programació lliure facilitarà la futura utilització de l'eina tant per a Drone UPV com per a qualsevol pilot de drons de carreres.