Design of a Robust H-infinity Flight Controller for the Inspection of Offshore Wind Turbines using an autonomous Unmanned Aerial Vehicle.

Abstract

[ES] En el cambio hacia las energías renovables, las plantas de energía eólica desempeñan un papel fundamental, ya que constituyen la mayor parte de la combinación de fuentes de energía renovables. En este contexto, los parques eólicos marinos revisten especial importancia, ya que su ubicación cerca de la costa se caracteriza por unos valores medios de velocidad del viento elevados y unos periodos de tiempo sin viento comparativamente cortos, lo que permite alcanzar altos índices de utilización. Para garantizar el funcionamiento y la seguridad, los componentes de las instalaciones eólicas, especialmente las palas del rotor, deben ser inspeccionados regularmente para detectar posibles daños materiales. Esto debe llevarse a cabo mediante mediciones termográficas realizadas por medio de vehículos aéreos autónomos no tripulados (UAV).

Sin embargo, los entornos de alta mar no sólo presentan condiciones adversas para la integridad estructural del aerogenerador, sino también para el UAV. En este sentido, el objetivo de este proyecto es desarrollar un controlador de vuelo robusto para un UAV autónomo que vuele en un campo eólico. Ante este escenario, el objetivo principal de este proyecto es estabilizar el vehículo en condiciones exteriores simuladas. Para lograr este objetivo, el diseño de la ley de control se basa en la síntesis H-infinito estructurada.

Por lo tanto, la implementación del modelo del UAV y la aplicación de la técnica H-infinito se realiza en la caja de herramientas de control robusto de Matlab y luego se exporta al lenguaje C++. Finalmente, la simulación del vehículo aéreo se realizará en el entorno de simulación ROS Gazebo.

Por último, una vez realizada la simulación, se analizarán los resultados obtenidos y se resolverán los posibles errores.

[EN] During the shift to renewable energy, wind energy plants play a vital role, comprising the largest share in the mix of renewable energy sources. Offshore wind farms are of particular importance in this context, as their locations near the coast are characterized by high average wind speed values and comparatively short windless time periods, which allows high utilization rates to be achieved. In order to guarantee functional and safe operation, the wind energy plant components, especially the rotor blades, have to be inspected regularly for potential material damages. Perspectively, this should be accomplished by means of thermographic measurements conducted by means of autonomous Unmanned Aerial Vehicles (UAV).

However, offshore environments not only present adverse conditions for the structural integrity of the wind turbine but also for UAV. In this regard, the aim of this project is to develop a robust flight controller for autonomous UAV flying in a wind field. Against this scenario, the main objective of this project is to stabilize the vehicle under simulated outdoor conditions. To achieve this goal, the control law design is based using the structured H-infinity synthesis.

Therefore, the implementation of the UAV model and application of H-infinity technique is performed in Matlab robust control toolbox and then exported into C++ language. Finally, the simulation of the aerial vehicle will take place in ROS Gazebo simulation environment.

Finally, once the simulation has been carried out, the results obtained will be analyzed and any possible errors will be resolved.