Diseño de estrategias de control robusto aplicadas a vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotor

Abstract

[ES] En los últimos años la popularidad de los quadrotors se ha visto notablemente incrementada debido a la gran variedad de aplicaciones civiles que se encuentran en auge actualmente. Entre los principales nichos de mercado, cabe destacar el elevado potencial en cartografía, agricultura, prevención de incendios, y en general, todas aquellas actividades donde el uso de estos dispositivos pueda suponer una mejora del rendimiento, seguridad del proceso y reducción de costes. En este aspecto, se espera que el uso de los quadrotors se vea incrementado considerablemente en los próximos años. Dicho incremento de popularidad ha hecho que parte de la comunidad científica ponga el foco de atención en ellos para resolver los problemas que presentan actualmente. No obstante, aunque se ha avanzado mucho en los últimos años, existen en la actualidad líneas de investigación y desarrollo encaminadas a la mejora de aspectos importantes tales como la autonomía, la robustez y fiabilidad que permita tanto aumentar la eficiencia energética como incrementar la seguridad ante cualquier posible escenario.

El objetivo de la presente tesis es contribuir al desarrollo de estrategias de control robustas para hacer frente a incertidumbres en el modelo, no linealidades, perturbaciones externas y retardos que puedan afectar al sistema a controlar. Este trabajo se fundamenta en la obtención de una estrategia de control basada en estimaciones de perturbaciones, con un ajuste sencillo y desacoplado del seguimiento de la referencia y rechazo de perturbaciones. A partir las estrategias de control desarrolladas, se presentan además diferentes extensiones que permiten mejorar la robustez del vehículo. La construcción de un observador de la pérdida de eficiencia de los motores, que permita detectar cuando se produce un fallo crítico y aterrizar el vehículo de forma segura. Conjuntamente, se desarrolla un algoritmo óptimo que permite estabilizar los diferentes lazos de control en el caso que saturen las acciones de control de los motores que no corresponden explícitamente a las salidas de los lazos de control internos. Debido al extendido uso del controlador PID, se obtiene un equivalente entre la estrategia propuesta y los parámetros de un PID de dos grados de libertad, generalizándose para plantas de primer y segundo orden con retardos. Además, para el caso de retardos variables aleatorios en los canales de sensor-controlador y controlador-actuador además de la presencia de perturbaciones, se desarrolla un predictor junto con un observador de perturbaciones para poder controlar dichos sistemas. Todas las estrategias propuestas se han validado de forma satisfactoria en las plataformas experimentales disponibles. Entre otros aspectos, cabe destacar la eficiencia computacional de las leyes de control propuestas, tanto en fase de diseño y ajuste como en la fase de ejecución.

[CA] En els darrers anys la popularitat dels quadrotors s'ha vist notablement incrementada a causa de la gran varietat d'aplicacions civils que es troben actualment en auge. Entre els principals nínxols de mercat, cal destacar l'elevat potencial en cartografia, agricultura, prevenció d'incendis i, en general, totes aquelles activitats on l'ús d'aquests dispositius supose una millora del rendiment, la seguretat del procés i la reducció de costos. En aquest aspecte, s'espera que l'ús d'aquestes aeronaus s'incremente considerablement en els pròxims anys. Aquest increment de popularitat ha fet que part de la comunitat científica pose el focus d'atenció per resoldre els problemes que presenten actualment. No obstant això, encara que ha evolucionat molt en els darrers anys, actualment existeixen línies de recerca i desenvolupament encaminades a la millora d'aspectes importants com l'autonomia, la robustesa i fiabilitat que permitisca tant augmentar l'eficiència energètica com incrementar la seguretat davant qualsevol possible escenari.

L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al desenvolupament d'estratègies de control robustes per fer front a incerteses en el model, no linealitats, pertorbacions externes i retards que puguen afectar el sistema a controlar. Aquest treball es fonamenta en obtindre una estratègia de control basada en estimacions de pertorbacions, amb un ajust senzill i desacoblat del seguiment de la referència i rebuig de pertorbacions. A partir d'aquesta estratègia desenvolupada, es presenten diferents extensions que permeten millorar la robustesa del vehicle. La construcció d'un observador de la pèrdua d'eficiència dels motors, que permeta detectar quan es produeix una fallada crítica i aterrar el vehicle de manera segura. Conjuntament, es desenvolupa un algorisme òptim que permeta estabilitzar els diferents bucles de control en cas que saturen les accions de control dels motors que no corresponen explícitament a les eixides dels bucles de control interns. A causa del ampli ús del controlador PID, s'obté un equivalent entre l'estratègia proposada i els paràmetres d'un PID de dos graus de llibertat, generalitzant-se per a plantes de primer i segon ordre amb retards. A més, per al cas de retards variables aleatoris als canals de sensor-controlador i controlador-actuador a més de la presència de pertorbacions, es desenvolupa un predictor juntament amb un observador de pertorbacions per poder controlar aquests sistemes. Totes les estratègies proposades s'han validat de forma satisfactòria amb les plataformes experimentals disponibles. Entre altres aspectes, cal destacar l'eficiència computacional de les lleis de control proposades, tant en fase de disseny i ajustament com en fase d'execució.

[EN] In recent years the popularity of quadrotors has increased significantly due to the wide variety of civil applications that are currently booming. Among the main market niches, it is worth the high potential in cartography, agriculture, fire prevention and in general, all those activities where the use of these devices can improve performance, process safety and cost reduction. In this regard, the use of these aircraft is expected to increase considerably in the coming years. This increase in popularity has led part of the scientific community to focus on them to solve the problems they have. However, although much progress has been made in recent years, there are currently lines of research and development aimed at improving important aspects such as autonomy, robustness and reliability to increase energy efficiency and safety against any possible scenario.

The objective of this thesis is to contribute to the development of robust control strategies to deal with model uncertainties, nonlinearities, external disturbances and delays which may affect the controlled system. This work is based on obtaining a control strategy based on disturbance observers, with a simple and decoupled tuning of reference tracking and disturbance rejection. From this developed strategy, different extensions are developed to improve the robustness of the vehicle: the construction of an observer of the loss of efficiency of the motors, which allows to detect when a critical failure occurs and land the vehicle safely; and the development of an optimal algorithm to stabilize the inner control loops in the case that saturate the control actions of the motors, which do not correspond explicitly to the outputs of the inner control loops. Due to the widespread use of the PID controller, an equivalent tuning is obtained between the proposed strategy and the parameters of a PID of two degrees of freedom, generalizing for first and second order plants with delays. Moreover, for the case of random variable delays in the sensor-controller and controller-actuator channels and the presence of disturbances, a predictor together with a disturbance observer is developed in order to control such systems. All the proposed strategies have been successfully validated on the experimental platforms. Among other aspects, it is worth mentioning the computational efficiency of the proposed control laws, both in the design and adjustment phase and in the execution phase.