Diseño e implementación de una plataforma para la validación segura de algoritmos de control avanzados en vehículos aéreos no tripulados tipo quadrotors

Abstract

El objetivo del presente trabajo de fin de máster es el desarrollo de una plataforma para la implementación segura de algoritmos de control en quadrotors. Para ello, se parte de un quadrotor ya construido, un banco de pruebas basado en una rótula y de una instalación de captura de movimiento en vivo (Optitrack).

En primer lugar, se realizará la programación del quadrotor desde cero, para conseguir un sistema totalmente modulable donde sea fácil implementar los diferentes algoritmos. Además, se creará una interfaz hombre maquina multiplataforma que permitirá comunicación bidireccional con el quadrotor y el envío de la posición y orientación del mismo obtenida del Optitrack.

En segundo lugar, se modelará el sistema para el caso de la rótula y el del vuelo libre. Se analizarán los parámetros físicos involucrados y se construirá un simulador. A partir de los modelos obtenidos, se estudiará que condiciones deben darse para que las conclusiones extraídas del control con la rótula sean extrapolables al vuelo libre.

En tercer lugar, se identificará experimentalmente el sistema, considerando la problemática causada por ser un sistema inestable y necesitar ser identificado en bucle cerrado. Con la identificación obtenida, se estimarán los parámetros inciertos del quadrotor.

Finalmente, se diseñarán e implementarán diferentes técnicas de control. Estas se validarán en primera instancia de forma segura en la rótula, y en segunda se probaran en vuelo libre. Entre los controladores diseñados cabe destacar el UDE y ADRC basados en estimación de perturbaciones, los cuales han dado excelentes resultados para el control del quadrotor.

The objective of the present master's final project is the development of a platform for the secure implementation of control algorithms in quadrotors. To do this, it is based on an already built frame, a test bench based on a ball joint and a live motion capture facility (Optitrack).

First of all, it will be done the programming of the quadrotor from scratch, to achieve a totally modularly system where it is easy to implement the different algorithms. In addition, a multi-platform HMI will be created that will allow bidirectional communication with the Quadrotor and sending the position and orientation of the device obtained from Optitrack.

Second, the system will be modeled for the ball joint and free flight case. The physical parameters involved will be analyzed and a simulator will be built. From the obtained models, it will be studied which conditions must be given so that the conclusions drawn from the control with the ball joint are given to the free flight.

Third, the system will be experimentally identified, considering the problems caused by being an unstable system and needing to be identified in a closed loop. With the identification obtained, the uncertain parameters of the quadrotor will be estimated.

Finally, different control techniques will be designed and implemented. These will be validated in the first instance in a safe way in the ball joint, and in the second they will be tested in free flight. Among the controllers designed, it is worth highlighting the UDE and ADRC based on perturbation estimation, which has given excellent results for the control of the quadrotor.

El objectiu del present treball de de màster es el desenvolupament d'una plataforma per a la implementació segura de algoritmes de control en quadrotors. Per a aconseguir-ho, es parteix de un quadrotor ja construït, un banc de proves basat en una ròtula i d'una instal·lació de captura de moviment en viu (Optitrack). En primer lloc, se realitzarà la programació del quadrotor partint de cero, per aconseguir un sistema totalment modulable on fàcilment implementar els diferents algoritmes. A més, es crearà un HMI multiplataforma que permetrà comunicació bidireccional amb el quadrotor i l'enviament de la posició i orientació del mateix obtinguda del Optitrack. En segon lloc, es modelarà el sistema per al cas de la ròtula i el del vol lliure. S'analitzaran els paràmetres físics involucrats y es construirà un simulador. A partir dels models obtinguts, s'estudiarà que condicions deuen donar-se per a que les conclusions obtingudes del control amb la ròtula siguen extrapolables al vol lliure. En tercer lloc, s'identi carà experimentalment el sistema, considerant la problemàtica causada per ser un sistema inestable i necessitar ser identi cat en bucle tancat. Amb la identi cació obtinguda, s'estimaran els paràmetres incerts del quadrotor. Finalment, es dissenyaran i implementaran diferents tècniques de control. Estes es validaran en primera instancia de forma segura en la ròtula, i en segona es provaran en vol lliure. Entre els controladors dissenyats es deu destacar el UDE y ADRC basats en estimació de pertorbacions, els quals han donat excel·lents resultats per al control del quadrotor.