Diseño, modelado y simulación de un vehículo aéreo no tripulado destinado a operaciones en entornos complejos

Abstract

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[ES] Los avances en el campo de la robótica, en particular el de los sistemas aéreos no tripulados (UAV), han tenido un desarrollo explosivo en las últimas décadas. Gran parte de estas investigaciones han sido financiadas gracias a fondos militares, que han hallado en estas plataformas una solución óptima para llevar a cabo tareas de inteligencia y vigilancia (ISAR). Las ventajas principales que aportan los UAV consisten en la posibilidad de operar en ambientes hostiles en cualquier aspecto, así como facilitar la realización de misiones de muy larga duración con cierto grado de monotonía. No obstante, la posibilidad de aplicar estas tecnologías en tareas civiles ha conseguido aumentar el interés de la industria por estos sistemas. Entre las aplicaciones potenciales pueden encontrarse la realización de fotografía aérea para el mapeado de terrenos, levantamientos topográficos, tareas de vigilancia urbana, búsqueda seguimiento e inspección en entornos urbanos e industriales, exploración de edificios y túneles, etc. De entre las posibles configuraciones, los vehículos basados en rotor para generar sustentación se caracterizan por suponer un mayor reto de control por su inestabilidad inherente. A pesar de ello, su capacidad para mantener una posición fija en el espacio así como su maniobrabilidad las convierten en plataformas idóneas para tareas de búsqueda y rescate. Sin embargo, para poder asegurar un grado aceptable de rendimiento en el desempeño de la misión, es necesario haber desarrollado el correspondiente grado de especialización de la plataforma. Para ello es requisito indispensable adquirir un conocimiento detallado tanto de la plataforma como del entorno de operación.

[EN] This thesis is part of the project “Design of a spherical UAV for operations in complex environments”. The cited project is divided in two parts, the one corresponding to this thesis “Modelling and simulation” and the one developed by Roland Dixon in “Design and control” (Dixon 2013). The main contribution of this thesis towards the global aim of the complete design and manufacturing of a prototype Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is the mathematical modelling of the system. Subsequently this research also includes the development of the tools and techniques needed to identify the aforementioned UAV. As both the model and the prototype syntheses are undertaken in parallel, the achievements and discoveries in one are fed back to enhance the other. Consequently two models were developed. One defines the flaps effect as that of an aerofoil and, thus, is based on the identification of the lift and drag coefficients functions. The other understands the vehicle propulsion system as a nozzle with thrust vectoring fins interposed in the outlet. The comparison of the gathered data with the simulation outputs clearly shows that thrust vectoring is the best modelling of the behaviour of the vehicle. The dynamics of yaw are identified as a first order system with an added zero and a time constant of 1.12. Moreover, both pitch and roll dynamics can be expressed as a second order system with a natural frequency of 0.707 and a damping coefficient of 19.54. The early versions of the model were successfully used for the synthesis of a robust controller that enabled flight testing. Finally, the model is validated using this data and verifying the real system dynamics.