Diseño e implementación en Aerostack de un servosistema para el control en velocidad del drone Bebop2

Díez González, Alberto (2019). Diseño e implementación en Aerostack de un servosistema para el control en velocidad del drone Bebop2. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Diseño e implementación en Aerostack de un servosistema para el control en velocidad del drone Bebop2
Author/s:
  • Díez González, Alberto
Contributor/s:
  • Campoy Cervera, Pascual
  • Santos Pérez, Carlos
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Date: 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Teoría de control, control de sistemas, ingeniería de control, programación de robots, robótica aérea, vehículo aéreo no tripulado, autónomo, identificación, control borroso
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El principal objetivo de este trabajo es la mejora de los controladores existentes para Vehículos Aéreos no Tripulados (UAV) disponibles en el software de Aerostack. Este software ha sido diseñado y es actualizado por el grupo de investigación Computer Vision & Aerial Robotics del Centro de Automática y Robótica de la Universidad Politécnica de Madrid. Estos controladores están embebidos en una estructura compleja que se debe analizar en detalle para determinar las señales que afectan al diseño del controlador. Una vez diseñado el controlador se podrá aprovechar la funcionalidad de Aerostack para su divulgación, ya que el controlador quedará disponible en el repositorio de esta herramienta, y será aplicable a distintos drones, gracias a que esta herramienta software permite su utilización con distintos modelos de dron. Uno de los grandes desafíos en el campo de los UAV son las tareas de control. Estos controladores deben ser capaces de trabajar con los distintos sensores del dron así como con sensores externos, siendo capaces de fusionar medidas con distintas frecuencia. Esta tarea resulta compleja debido a la necesidad de integrar sensores de distintos tipos y con distintos niveles de ruido. Por ello, resulta especialmente desafiante diseñar controladores que sean capaces de operar con sensores a menudo de mala calidad y conseguir a la vez respuestas lo más rápidas y precisas posibles. Para lograr este objetivo, resulta de utilidad el desarrollo de un modelo del dron para poder determinar su comportamiento. Esto permite ajustar los controladores con una mayor precisión y desarrollar dispositivos que permitan filtrar las medidas de los sensores. Para abordar este desafío en este proyecto se diseña e implementa un servosistema en velocidad para el dron comercial Bebop2. La elaboración de este servosistema supone una alternativa al controlador anterior presente en el software de Aerostack que controla el dron en coordenadas angulares. El servosistema estará compuesto por controladores de tipo fuzzy y feedforward trabajando en paralelo. Estos nuevos controladores permiten mejorar notablemente la respuesta de los controladores, consiguiendo reducir un 50 % del tiempo de establecimiento y un movimiento más estable y fluido. El estudio de estos controladores supone el desarrollo de una alternativa al control PID, disponible en Aerostack, de cara a obtener mejores resultados en las competiciones en las que participe el grupo de investigación. El desarrollo de este controlador también permite la familiarización con las técnicas de control fuzzy para la implementación posterior de futuros controladores empleando estas técnicas. Este controlador se ha integrado dentro de la herramienta software de Aerostack mediante la programación del controlador en C++ y empleando ROS como medio para comunicar nuestro controlador con el resto del software restante. Para la realización del proyecto se ha analizado el funcionamiento del dron para conocer con detalle su funcionamiento y así poder realizar un control con la mayor precisión posible. Una vez analizado su funcionamiento, se aplicarán técnicas de modelado con el objetivo de obtener su dinámica, para así tener un modelo del dron fiable que sustituya a el modelo genérico del UAV empleado en simulación. Esto permite el desarrollo de pruebas en simulación más precisas y próximas a las reales. La otra gran ventaja que presenta obtener el modelo del dron es la elaboración de un TVKF (Time Variant Kalman Filter) que obtenga unas medidas más precisas de los sensores. Con la implementación del TVKF se ha conseguido mejorar notablemente las medidas proporcionadas por los sensores inerciales del Bebop2. Esto ha permitido un elevado rendimiento del controlador diseñado en espacios abiertos en los que no se dispone de las medidas del Optitrack. Para el desarrollo del TVKF y la aplicación de las técnicas de modelado se han empleado distintos módulos de MATLAB. Además, se ha fusionado la ejecución de componentes diseñados en MATLAB en paralelo con los sistemas de proporciona Aerostack. Otro de los grandes objetivos de este proyecto es analizar el funcionamiento del Optitrack para mejorar su precisión. Siguiendo la idea de aprovechar todo su potencial y de optimizar el modo de obtención de los datos. Para llevar a cabo la mejora del Optitrack se ha realizado un análisis de las condiciones del recinto con la finalidad de determinar los factores que afectan a la precisión de las medidas. También se ha desarrollado un soporte de marcadores, empleando técnicas de impresión 3D, que permite una mejora de la precisión y un aumento del área efectiva del Optitrack. El desarrollo de estas mejoras facilitará la realización de experimentos a los distintos miembros del departamento, lo que supone un ahorro considerable de tiempo y una mayor fiabilidad de los resultados obtenidos. Además, se ha diseñado un manual de uso del Optitrack destinado a nuevos miembros que no tengan experiencia con este. El manual ha sido diseñado para poder instalar el programa desde cero y para ser capaz de calibrarlo de una manera sencilla. Para la implementación de los controladores y para el modelado del dron se han empleado dos simuladores distintos. El primero es el simulador de Gazebo con un modelo del dron desarrollado por el grupo dentro de Aerostack. El segundo es un simulador comercial llamado Sphinx. Este simulador tiene un modelo más realista del dron Bebop2 que nos ha permitido alternarlo con las pruebas reales a la hora de modelar el UAV. Las pruebas reales se han realizado dentro del RoboticArena empleando el Optitrack como elemento de medición de precisión a la hora estudiar el comportamiento del dron y de validar los modelos obtenidos y la respuesta de los controladores diseñados. La realización de este proyecto ha permitido la implementación de un controlador alternativo al PID. El controlador diseñado tiene un coste de procesamiento similar al PID pero consigue una reducción notable del tiempo de establecimiento y un vuelo más suave y estable. El coste de procesamiento reducido y una mayor facilidad a la hora de su programación lo convierten en una alternativa interesante ya que permite muy buenos rendimiento sin un coste tan elevado como el de otros controladores como los MPC.

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Item ID: 56871
DC Identifier: http://oa.upm.es/56871/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56871
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 14 Oct 2019 12:44
Last Modified: 14 Dec 2019 23:30
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