Arquitectura Abierta para el Control Autónomo y Teleoperado de un Mini-Helicóptero TESIS

266 Pages·2007·7.91 MB·English

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Arquitectura Abierta para el Control
Autónomo y Teleoperado de un
Mini-Helicóptero

TESIS DOCTORAL
2007

Jaime Del Cerro Giner
Ingeniero Industrial
DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA, INGENIERÍA

ELECTRÓNICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Arquitectura Abierta para el Control
Autónomo y Teleoperado de un
Mini-Helicóptero

TESIS DOCTORAL
2007

Autor: Jaime del Cerro Giner
Ingeniero Industrial
Director: Antonio Barrientos Cruz
Doctor Ingeniero Industrial
TRIBUNAL
Nombrado por el Magnífico y Excelentísimo Sr. Rector de la

Universidad Politécnica de Madrid, el día26 de Octubre de 2007
Presidente: D. Agustín Jiménez Avello
Vocal: D. Carlos Balaguer Bernardo de Quiros
Vocal: D. Marc Carreras Pérez
Vocal: Doña Angela Ribeiro Seijas
Secretario: D. José María Sebastián y Zuñiga
Suplente: D. Miguel Hernando Gutierrez
Suplente: D. Fernando Torres Medina

Realizado el acto de defensa de la Tesis el día 16 de Noviembre de 2007
en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Madrid.

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

El SECREATARIO
A Clara, Cristina y Nicolás.

A mi Familia.
Agradecimientos

Parecía que ya había acabado el trabajo duro, pero todavía quedaba algo muy
complicado. No se trata de detenerse unos instantes para pensar los nombres de las
personas que han hecho posible que ahora me encuentre escribiendo estas palabras,
eso sería fácil, lo difícil es intentar no olvidar a nadie, porque la ayuda de todos ha
sido fundamental para alcanzar el objetivo deseado.

En primer lugar quisiera plasmar mi agradecimiento a mi Director de Tesis: Antonio
Barrientos, por el trato personal, la confianza, los medios y ayuda depositados en mí,
sus continuos ánimos y ese límite de exigencia que nunca decae.... Gracias por todo.

No puedo dejar de pensar que hubiese sido de este trabajo sin la colaboración de
Julio Valero, Jorge Artieda, Enrique Lillo, Jorge León, Jesús Vidal, Agustín Díaz y
David Merino. Con alguno de ellos he compartido innumerables discusiones técnicas,
con otros, además he compartido mucho frío, calor y desesperaciones, pero… ¡por fin
voló! Gracias a todos.

Tampoco puedo dejar de agradecer la siempre amable y efectiva ayuda de Pedro,
Rodrigo, Alexander, Claudio, Miguel, Adrián, Diego, Roberto y José Luís. Con alguno
también he compartido sinsabores e inclemencias atmosféricas, pero el mejor
recuerdo es el buen ambiente que siempre ha reinado. Ánimo a los que estáis en el
camino.

Quisiera dedicar un apartado especial a Enrique y Ángel, dos magníficos compañeros
y amigos con los que comparto el día a día. Gracias por todo.

Otro apartado especial debe ser sin duda para Ernesto: no sólo por los sabios
consejos profesionales que siempre he apreciado mucho, sino por esos días de esquí
y esos partidos de baloncesto.

Quisiera dar las gracias al resto de los profesores con los que comparto el día a día
en DISAM: Agustín, Rafa, Ramón, José María, Pascual, Sergio, Paco, Ricardo,
Fernando, Manolo, Roque y un especial recuerdo para el Señor Puente.

Rosa, Teresa, Carlos, Eduvigis y Elia. De vosotros siempre he recibido ayuda y apoyo
cuando ha sido necesario. Gracias.

No me he olvidado de Viviana y de esas sobremesas lamentándonos lo malo que es
realizar una Tesis con experimentación. ¡Ánimo, que no te queda nada!

Un especial agradecimiento a Basil, por su ayuda cuando le he pedido consejo,
siempre amable y atento.

Hay gente que no trabaja conmigo, pero me acompaña, ayuda y apoya cada vez que
nos vemos: Montse, Román. Gracias por estar siempre ahí.

Gracias especiales a mi Tía Clara, por cuidar de los peques en las vacaciones para
que yo pudiese trabajar.

Muchas gracias a mis hermanos: Raúl, mi tercer brazo cuando necesito ayuda y
Enrique, siempre atento y preocupado por las necesidades de todos.

Muchas gracias a mis padres: Clemente y Pepita, a ellos le debo todo.
Y para demostrar que el orden de aparición en estas palabras no es un índice de
agradecimiento, he dejado para el final a Clara, Nicolás y Cristina. ¡Qué puedo decir!
¡Sólo Dios sabe la paciencia que han tenido conmigo!. No se si algún día les podré
devolver todo el tiempo que les he robado, pero lo intentaré…

Sin duda no nombro a mucha gente que ha aportado muchos granitos de arena,
ruego me perdonéis, gracias.

Jaime del Cerro
Septiembre de 2007
RESUMEN

La memoria que aquí se presenta describe las fases del trabajo llevadas a cabo con objeto de
convertir un pequeño helicóptero de radio control en una plataforma de experimentación
abierta, que permite el rápido desarrollo, simulación e implementación de un sistema de control
autónomo, así como su teleguiado.
El documento comienza con una presentación general sobre Vehículos Aéreos no Tripulados
comúnmente conocidos como UAV’s (Unmanned Aerial Vehicles), mediante una definición,
clasificación y un resumen de sus capacidades y características principales.
A continuación, se analizan las técnicas y elementos que los UAV’s utilizan para navegar,
describiendo en detalle la implementación del sistema de navegación del helicóptero
VAMPIRA, desarrollado durante la realización de la presente Tesis Doctoral.
Seguidamente, y con objeto de entender el funcionamiento de un helicóptero, se realiza una
explicación de los principios físicos en los que se basa su dinámica de vuelo. Esta explicación
da paso a una revisión de los modelos dinámicos más relevantes encontrados en la bibliografía,
en la que se valoran sus cualidades y carencias, como motivación para el desarrollo de un
modelo dinámico híbrido. En el mismo capítulo se presenta una sistemática de identificación
de dicho modelo, basada en el uso de algoritmos genéticos, así como los resultados obtenidos
en el modelado del helicóptero utilizado en la realización de la Tesis.
Posteriormente se realiza un estudio de los requerimientos de los sistemas UAV, tanto en el
segmento embarcado, como en el de la estación de mando y seguimiento en tierra. En el mismo
contexto se describe la implementación de ambas arquitecturas en el sistema VAMPIRA, tanto
a nivel software como hardware, mostrando las principales dificultades encontradas en su
implementación así como las ventajas e inconvenientes de la solución propuesta.
El siguiente capítulo se dedica al control del helicóptero. En él se detallan los diferentes niveles
de control habitualmente utilizados en los vehículos aéreos autónomos y la implementación
propuesta en el marco de la Tesis, describiendo tanto las técnicas de control, como el proceso
de diseño, simulación y test sobre el sistema real para cada uno de los diferentes niveles
anteriormente establecidos.
Seguidamente se realiza un estudio sobre los factores que intervienen en el teleguiado de un
vehículo aéreo autónomo. Para ello, se describe la plataforma de teleoperación desarrollada al
objeto de analizar la posible influencia de diferentes factores, así como la valoración de que
tipos de control son más adecuados en función de la tarea a realizar.
Para concluir se detallan las principales aportaciones del trabajo presentado, así como las
conclusiones y un análisis de cuales serían las futuras líneas de investigación a seguir como
continuación del trabajo realizado.
ABSTRACT

This report describes the phases of the work carried out in order to convert a small RC
helicopter to an Open Platform for experimentation, which allows fast development, simulation
and implementation of a fully autonomous and tele-guided control systems.
The beginning of the document is a brief presentation about UAV’s (Unmanned Aerial
Vehicles) that consists of the definition, classification and summary of their main
characteristics.
It is followed by the analysis of the technology and elements that allow navigation of the UAV.
It also describes in depth the implementation of the navigation system in the VAMPIRA
helicopter that has been developed in this study.
In order to understand how a helicopter flies, main principles of physics that apply to it are
briefly shown. It is followed by the revision of the most relevant dynamic models found in the
bibliography. This study shows the advantages and deficiencies of the mentioned models that
have sparked the motivation in developing a new hybrid model. In the same chapter, the
procedure for parameter identification using evolutionary algorithms, as well as the results
obtained during the tests are described.
The next chapter exhibits a study of the prerequisite for the on board system, as well as ground
control station of an UAV. In the same context, the software and hardware architectures of the
VAMPIRA system are described. It highlights the main difficulties encountered during the
implementation, and discusses its advantages and deficiencies.
The following chapter describes the helicopter control. Different control levels applied in
UAV’s and their implementation in the VAMPIRA system are explained by specifying not
only control techniques but also the design and simulation process as well as the results
obtained.
The next section is a study about the factors that affect UAV tele-guidance system. Moreover,
a thorough description of the tele-guidance platform developed during the Thesis that is to
analyze the influence of the different factors, as well as the assessment of what types of control
are most adequate for each type of task.
The final section summarizes the main contributions of the performed work and the proposed
future research lines.
Indice

INDICE.............................................................................................................................................I
1 INTRODUCCIÓN.................................................................................................................1
1.1 MOTIVACIÓN Y MARCO DE LA TESIS...............................................................................1
1.2 TEMA E IMPORTANCIA DE LA TESIS................................................................................2
1.3 OBJETIVOS DE LA TESIS..................................................................................................3
1.4 ESTRUCTURA DE LA TESIS..............................................................................................4
2 ESTADO DEL ARTE.............................................................................................................6
2.1 VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS.............................................................................6
2.1.1 Definición..................................................................................................................6
2.1.2 Antecedentes Históricos............................................................................................6
2.1.3 Clasificación.............................................................................................................9
2.2 PLATAFORMAS UTILIZADAS EN VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS...........................11
2.2.1 Aviones....................................................................................................................11
2.2.2 Dirigibles................................................................................................................12
2.2.3 Helicópteros............................................................................................................12
2.2.4 Quadrotor...............................................................................................................12
2.2.5 Vehículos de diseño específico................................................................................12
2.3 APLICACIONES DE VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS.............................................13
2.3.1 Misiones militares..................................................................................................13
2.3.2 Inspección...............................................................................................................13
2.3.3 Reconocimiento y evaluación de daños en zonas de desastres...............................14
2.3.4 Fotografía, filmación aérea y planimetría 3D........................................................14
2.3.5 Detección de banco de peces y fumigación.............................................................14
2.4 HELICÓPTEROS AUTÓNOMOS COMERCIALES.................................................................15
2.4.1 Autocopter de NRI...................................................................................................15
2.4.2 Serie SRX de Rotomotion........................................................................................15
2.4.3 Campcomter de Schiebel.........................................................................................16
2.4.4 RMAX de Yamaha...................................................................................................16
2.5 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS PRINCIPALES MODELOS DE HELICÓPTEROS AUTÓNOMOS
EXISTENTES.................................................................................................................................17
3 NAVEGACIÓN DE VEHÍCULOS AÉREOS AUTÓNOMOS........................................20
3.1 INTRODUCCIÓN.............................................................................................................20

i
Índice .

3.1.1 Conceptos previos sobre navegación......................................................................20
3.1.2 Antecedentes históricos...........................................................................................20
3.1.3 Técnicas de Navegación..........................................................................................21
3.2 SENSORES UTILIZADOS EN LA NAVEGACIÓN DE VEHÍCULOS AÉREOS AUTÓNOMOS.......22
3.2.1 Sensores Inerciales.................................................................................................22
3.3 NAVEGACIÓN INERCIAL................................................................................................27
3.3.1 Navegación con plataformas inerciales..................................................................28
3.3.2 Navegación con sistemas solidarios a la nave........................................................29
3.4 NAVEGACIÓN GLOBAL..................................................................................................30
3.4.1 Descripción del sistema GPS..................................................................................30
3.4.2 Posicionamiento GPS.............................................................................................31
3.4.3 Causas de los errores en un sistema GPS...............................................................33
3.4.4 Cuantificación de los errores..................................................................................35
3.4.5 Cálculo de la posición del usuario..........................................................................36
3.5 GPS DIFERENCIAL (DGPS)...........................................................................................41
3.5.1 Correcciones diferenciales a partir del código.......................................................41
3.5.2 Correcciones diferenciales por fase........................................................................42
3.5.3 Corrección diferencial con redes de estaciones base.............................................43
3.5.4 Mensajes estándar para corrección diferencial......................................................43
3.6 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE SENSORES PARA VEHÍCULOS AÉREOS AUTÓNOMOS.......44
3.6.1 Características exigibles a un sistema de navegación inercial...............................45
3.6.2 Requisitos mínimos de los sensores utilizados en un V.A.A....................................48
3.7 SISTEMA DE NAVEGACIÓN DEL UAV “VAMPIRA”.....................................................49
3.7.1 Sensor inercial DYMOII (B+S Multidata)..............................................................50
3.7.2 Sistema de referencia de Actitud MI-A3350M de Microstrain...............................57
3.7.3 Descripción del conjunto GPS Trimble de 8 canales y receptor RASANT.............59
3.7.4 GPS diferencial Novatel RT2..................................................................................60
3.8 FUSIÓN SENSORIAL.......................................................................................................61
3.8.1 El filtro de Kalman..................................................................................................61
3.8.2 Arquitecturas de integración GPS, INS..................................................................63
3.8.3 Utilización del filtro de Kalman en la integración de la información GPS/INS en
una arquitectura fuertemente acoplada..................................................................................64
3.8.4 Implementación del filtro de Kalman para la estimación de la guiñáda en el
sistema VAMPIRA...................................................................................................................67
3.9 VALIDACIÓN.................................................................................................................69
4 MODELADO E IDENTIFICACIÓN DE UN MINI-HELICÓPTERO...........................70

ii