Análisis y diseño de un algoritmo de guiado de aviones no tripulados basado en control predictivo

110 Pages·2017·4.71 MB·Spanish

by  Víctor Castro Moreno

Proyecto Fin de Carrera
Trabajo Fin de Máster
Ingeniería de Telecomunicación
Máster Universitario en Ingeniería
Aeronáutica
FormAantoáldiseiPsuyblicdaicsieóñnodedlea EusncueallagToréictnmicoa
Superior de Ingeniería
de guiado de aviones no tripulados
basado en control predictivo
Autor: Víctor Castro Moreno
Autor: F. Javier Payán Somet
Tutor:TJuutaonr:JoFsréaMncuirsiclloo FGuaevnitelásn Jiménez
Dep. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de
Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones
Escuela Técnica SuFpleuriidorodse Ingeniería
EscuelaUTnéivcenriscidaaSdudpeeSreivoilrlade Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla,2013
Sevilla,2017

Trabajo Fin de Máster
Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica
Análisis y diseño de un algoritmo de
guiado de aviones no tripulados basado
en control predictivo
Autor:
Víctor Castro Moreno
Tutor:
Francisco Gavilán Jiménez
Dep. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla,2017

TrabajoFindeMáster: Análisis y diseño de un algoritmo de guiado de aviones no
tripuladosbasadoencontrolpredictivo
Autor: VíctorCastroMoreno
Tutor: FranciscoGavilánJiménez
Eltribunalnombradoparajuzgareltrabajoarribaindicado,compuestoporlossiguientes
profesores:
Presidente:
Vocal/es:
Secretario:
acuerdanotorgarlelacalificaciónde:
ElSecretariodelTribunal
Fecha:

Índice
Notación III
1.Introducción 1
1.1. Objetivoymotivación 1
1.2. Algoritmosdeguiado 3
2.Modelodinámicodelsistema 9
2.1. Modelode6gradosdelibertad 10
2.1.1. Hipótesis 10
2.1.2. Ecuacionesdinámicas 10
2.1.3. Ecuacionescinemáticas 12
2.1.4. Modelopropulsivo 13
2.1.5. Modeloaerodinámico 13
2.2. Modelode3gradosdelibertad 14
2.2.1. Hipótesis 14
2.2.2. Ecuacionesdelmovimientoenformavectorial 15
2.2.3. Ecuacionesdelmovimientoenformaescalar 15
2.2.4. Ecuacionesgenerales 16
2.2.5. Vuelosimétrico 17
2.3. Modelodesimulación 18
2.3.1. Esquemadelmodelo 18
2.3.2. Datosdelaaeronavesimulada 19
3.Formulacióndelalgoritmodeguiadobasadoencontrolpredictivo 21
3.1. Modelodeavión 22
3.2. Prediccióndelestado 26
Discretizacióndelasecuaciones 26
Linealizacióndelproblema 28
3.3. Estimadordeperturbaciones 31
3.4. Restriccionesdelproblema 32
3.4.1. Restriccionesenelcontrol 33
3.4.2. Restriccionesenelestado 35
I
II Índice
3.5. Factibiliazacióndelproblema 37
3.6. Funciónobjetivo 38
3.6.1. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasrectas 39
3.6.2. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasderadioconstante 44
3.6.3. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasgenerales 48
3.6.4. Combinacióndelasdistintasfuncionesobjetivo 50
3.6.5. TérminoparavueloaTASconstante 51
3.7. Cálculodelaseñaldecontrol 52
4.Resultados 59
4.1. Trayectoriaderadioconstante 59
4.2. Trayectoriageneral 72
4.3. Trayectoriacompuestapordistintostramos 75
4.4. VueloaTASconstante 76
4.5. Restriccionesenlaaceleración 77
5.Conclusionesytrabajosfuturos 81
5.1. Conclusiones 81
5.2. Trabajosfuturos 82
ApéndiceA.Sistemasdereferencia 85
A.1. Sistemainercialtopocéntrico,I 85
A.2. Sistemadeejeshorizontelocal,H 85
A.3. Sistemadeejesviento,W 86
A.4. Sistemadeejescuerpo,B 88
ApéndiceB.Expresionesdelostérminosdelaecuacióndeprediccióndel
estadolinealizada 91
ÍndicedeFiguras 97
Bibliografía 99
Notación
f Factordeescalado
g Aceleracióndelagravedad
h Altura
m Masa
n Factordecarga
n Númerodevariablesdecontrol
u
p,q,r Componentesdelavelocidadangularenejescuer-
po
t Tiempo
u,v,w Componentesdelavelocidadenejescuerpo
x ,y ,z Coordenadasdelcentrodemasasdelaaeronave
c c c
C Coeficientederesistenciaaerodinámicadelaaero-
D
nave
C Coeficientedetraccióndelahélice
T
D Resistenciaaerodinámica
I Tensordeinerciaenelcentrodegravedad
G
I ,I ,I ,I ,I ,I Momentosyproductosdeinercia
x y z xy xz yz
J Parámetrodeavancedelahélice
J Términoidelafunciónobjetivoasociadoalinstan-
i,k
tedepredicciónk
L Sustentaciónaerodinámica
L,M,N Componentesdelvectordemomentosaerodinámi-
cosypropulsivosenejescuerpo
N Horizontedecontrol
c
N Horizontedepredicción
p
Q Fuerzaaerodinámicalateral
R Radio
T Empuje
T Tiempodemuestreo
S
X,Y,Z Componentes del vector de fuerzas aerodinámicas
ypropulsivasenejescuerpo
α Ángulodeataque
III
IV Notación
β Ánguloderesbalamiento
γ Ángulodetrayectoria
δ Perturbacióncalculadaenelinstantek
k
δ ,δ yδ Deflexionesdeltimóndeprofundidad,deltimónde
e r a
direcciónydelosalerones
ε Ángulodeataquedelempuje
θ Ángulodecabeceo
λ Factordeolvido
µ Ángulodealabeo
ν Ánguloderesbalamientodelempuje.
ρ Densidaddelaire
φ Ángulodebalance
χ Ánguloderumbo
ψ Ángulodeguiñada
ω Velocidadangulardegirodelahélice
(cid:126)i,(cid:126)j,(cid:126)k Vectores unitarios según las direcciones del siste-
madereferencia(esteseindicacomosubíndice)
(cid:126)r Posicióndelcentrodemasasdelaaeronave
c
(cid:126)u Vectordevariablesdecontrol
(cid:126)x Vectordevariablesdeestado
(cid:126)F Fuerzasaerodinámicasypropulsivas
A,T
M(cid:126) Momentosaerodinámicosypropulsivos
A,T
(cid:126)V Velocidadaerodinámica
V(cid:126) Velocidadrespectoatierra
g
V(cid:126) Velocidaddelvientorespectoatierra
w
ω(cid:126) Velocidadangular
u Vectorpiladeseñalesdecontroltotales
S
u¯ Vectorpiladeseñalesdecontroldereferencia
S
∆∆∆u Vectorpiladeincrementosenlasseñalesdecontrol
S
respectoalareferencia
∆∆∆u Vectorpilareducidodeincrementosenlasseñales
S
red
decontrolrespectoalareferencia
x Vectorpiladeestadosenelinstantet
k k
I Matrizidentidaddedimensionesmporn
m×n
δ Vectorpiladeperturbaciones
S
ΘΘΘ Vectorcolumnanulodemcomponentes
m
ΘΘΘ Matriznuladedimensionesmporn
m×n