diseño e implementación de una plataforma para la validación segura de algoritmos de control

125 Pages·2017·6.75 MB·Spanish

TRABAJO FIN DE MASTER EN INGENIERÍA INDUSTRIAL
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA
PLATAFORMA PARA LA VALIDACIÓN
SEGURA DE ALGORITMOS DE CONTROL
AVANZADOS EN VEHÍCULOS AÉREOS NO
TRIPULADOS TIPO QUADROTORS
AUTOR: VICENTE BALAGUER GARÍN
TUTOR: PEDRO GARCÍA GIL

Curso Académico: 2016-17

Resumen
El objetivo del presente trabajo de (cid:28)n de mÆster es el desarrollo de una plataforma para la im-
plementaci(cid:243)n segura de algoritmos de control en quadrotors. Para ello, se parte de un quadrotor
ya construido, un banco de pruebas basado en una r(cid:243)tula y de una instalaci(cid:243)n de captura de
movimiento en vivo (Optitrack).
Enprimerlugar,serealizarÆlaprogramaci(cid:243)ndelquadrotordesdecero,paraconseguirunsistema
totalmente modulable donde sea fÆcil implementar los diferentes algoritmos. AdemÆs, se crearÆ
una interfaz hombre mÆquina multiplataforma que permitirÆ comunicaci(cid:243)n bidireccional con el
quadrotor y el env(cid:237)o de la posici(cid:243)n y orientaci(cid:243)n del mismo obtenida del Optitrack.
En segundo lugar, se modelarÆ el sistema para el caso de la r(cid:243)tula y el del vuelo libre. Se
analizarÆn los parÆmetros f(cid:237)sicos involucrados y se construirÆ un simulador. A partir de los mo-
delos obtenidos, se estudiarÆ que condiciones deben darse para que las conclusiones extra(cid:237)das del
control con la r(cid:243)tula sean extrapolables al vuelo libre.
Entercerlugar,seidenti(cid:28)carÆexperimentalmenteelsistema,considerandolaproblemÆticacausa-
da por ser un sistema inestable y necesitar ser identi(cid:28)cado en bucle cerrado. Con la identi(cid:28)caci(cid:243)n
obtenida, se estimarÆn los parÆmetros inciertos del quadrotor.
Finalmente, se diseæarÆn e implementarÆn diferentes tØcnicas de control. Estas se validarÆn en
primerainstanciadeformaseguraenlar(cid:243)tula,yensegundaseprobaranenvuelolibre.Entrelos
controladoresdiseæadoscabedestacarelUDEyADRCbasadosenestimaci(cid:243)ndeperturbaciones,
los cuales han dado excelentes resultados para el control del quadrotor.
Palabras Clave:Quadrotor,identi(cid:28)caci(cid:243)ndesistemasinestables,r(cid:243)tula,control,UDE,ADRC,
Optitrack
iii

Resum
El objectiu del present treball de (cid:28) de m(cid:224)ster es el desenvolupament d’una plataforma per a la
implementaci(cid:243) segura de algoritmes de control en quadrotors. Per a aconseguir-ho, es parteix de
un quadrotor ja constru(cid:239)t, un banc de proves basat en una r(cid:242)tula i d’una instal·laci(cid:243) de captura
de moviment en viu (Optitrack).
En primer lloc, se realitzar(cid:224) la programaci(cid:243) del quadrotor partint de cero, per aconseguir un
sistema totalment modulable on f(cid:224)cilment implementar els diferents algoritmes. A mØs, es crear(cid:224)
un HMI multiplataforma que permetr(cid:224) comunicaci(cid:243) bidireccional amb el quadrotor i l’enviament
de la posici(cid:243) i orientaci(cid:243) del mateix obtinguda del Optitrack.
En segon lloc, es modelar(cid:224) el sistema per al cas de la r(cid:242)tula i el del vol lliure. S’analitzaran
els par(cid:224)metres f(cid:237)sics involucrats y es construir(cid:224) un simulador. A partir dels models obtinguts,
s’estudiar(cid:224) que condicions deuen donar-se per a que les conclusions obtingudes del control amb
la r(cid:242)tula siguen extrapolables al vol lliure.
En tercer lloc, s’identi(cid:28)car(cid:224) experimentalment el sistema, considerant la problem(cid:224)tica causa-
da per ser un sistema inestable i necessitar ser identi(cid:28)cat en bucle tancat. Amb la identi(cid:28)caci(cid:243)
obtinguda, s’estimaran els par(cid:224)metres incerts del quadrotor.
Finalment, es dissenyaran i implementaran diferents tŁcniques de control. Estes es validaran
en primera instancia de forma segura en la r(cid:242)tula, i en segona es provaran en vol lliure. Entre els
controladors dissenyats es deu destacar el UDE y ADRC basats en estimaci(cid:243) de pertorbacions,
els quals han donat excel·lents resultats per al control del quadrotor.
Paraules clau: Quadrotor, identi(cid:28)caci(cid:243) de sistemes inestables, r(cid:242)tula, control, UDE, ADRC,
Optitrack
v

Abstract
Theobjectiveofthepresentmaster’s(cid:28)nalprojectisthedevelopmentofaplatformforthesecure
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 to-
tally modularly system where it is easy to implement the di(cid:27)erent algorithms. In addition, a
multi-platform HMI will be created that will allow bidirectional communication with the Qua-
drotor and sending the position and orientation of the device obtained from Optitrack.
Second, the system will be modeled for the ball joint and free (cid:29)ight case. The physical para-
meters 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 (cid:29)ight.
Third, the system will be experimentally identi(cid:28)ed, considering the problems caused by being an
unstable system and needing to be identi(cid:28)ed in a closed loop. With the identi(cid:28)cation obtained,
the uncertain parameters of the quadrotor will be estimated.
Finally, di(cid:27)erent control techniques will be designed and implemented. These will be valida-
ted in the (cid:28)rst instance in a safe way in the ball joint, and in the second they will be tested
in free (cid:29)ight. Among the controllers designed, it is worth highlighting the UDE and ADRC ba-
sedonperturbationestimation,whichhasgivenexcellentresultsforthecontrolofthequadrotor.
Keywords: Quadrotor, unstable systems identi(cid:28)cation, ball joint, control, UDE, ADRC, Opti-
track
vii

˝ndice general
Resumen iii
˝ndice general ix
˝ndice de (cid:28)guras xiii
˝ndice de tablas xvii
˝ndice de ecuaciones xix
I Memoria 1
1. Introducci(cid:243)n 3
1.1. Objetivos del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Estado del arte 7
2.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Veh(cid:237)culos aØreos no tripulados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2. El quadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3. Identi(cid:28)caci(cid:243)n y control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4. Normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5. Motivaci(cid:243)n y justi(cid:28)caci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Descripci(cid:243)n de la plataforma 15
3.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2. El quadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2.1. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1.1. Controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1.2. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1.3. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.2. Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3. La r(cid:243)tula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4. Optitrack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5. La interfaz hombre mÆquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4. Modelado del sistema 25
ix
Diseæo e implementaci(cid:243)n de una plataforma para la validaci(cid:243)n segura de algoritmos de control
avanzados en veh(cid:237)culos aØreos no tripulados tipo quadrotors
4.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2. Modelo general del quadrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3. Desacoplamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3.1. Control en (cid:16)cruz(cid:17) y (cid:16)equis(cid:17) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4. Modelo del quadrotor en la r(cid:243)tula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.5. Obtenci(cid:243)n de los parÆmetros f(cid:237)sicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.6. Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.7. Linealizaci(cid:243)n y representaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.8. Comparativa r(cid:243)tula/vuelo libre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5. Identi(cid:28)caci(cid:243)n 35
5.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2. Situaciones posibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3. Identi(cid:28)caci(cid:243)n en bucle cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4. M(cid:237)nimos cuadrados recursivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.4.1. X-CLOE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.5. Diseæo del experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.5.1. Pseudo Random Binary Sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.5.2. Preprocesado de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.6. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.7. Obtenci(cid:243)n de los parÆmetros inciertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6. Control 47
6.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2. Compromiso especi(cid:28)caciones/robustez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3. Control con dos grados de libertad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.4. Control basado en funciones de transferencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4.1. Control mediante tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4.2. Control PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.4.3. Reguladores algebraicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.4.4. IMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5. Control basado en espacio de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.1. Asignaci(cid:243)n de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6.5.2. Control LQR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.6. Control basado en estimaci(cid:243)n de las perturbaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.6.1. ADRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.6.2. UDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.7. Control de posici(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7. Validaci(cid:243)n 67
7.1. Introducci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.2. Comportamiento en la r(cid:243)tula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.2.1. Controladores descartados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.2.2. Control PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.2.3. Asignaci(cid:243)n de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2.4. Control LQR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
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