1. Capítulo I: Introducción

Transcripción

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2 1.1 Contexto y planteamiento En la actualidad cada día cobra más importancia la aplicación de Sistemas de Control en todos los sectores tecnológicos, y en particular, en el sector Aeroespacial. En poco más de cien años se ha pasado de los primitivos aviones con control manual mecánico (palancas, poleas, etc.) a las impresionantes aeronaves y vehículos espaciales de nuestros tiempos que llevan instalados sofisticados sistemas integrados (sensores, actuadores, computadores, etc.) capaces de desarrollar autónomamente tareas complejas. Esta evolución evidencia que el desarrollo de los sistemas de control en la aeronáutica es una parcela en auge y con grandes objetivos de cara al futuro. Téngase en cuenta que si se ha implantado tan firmemente sistemas de control en este sector es por las necesidades existentes, necesidades que además crecen cada día: los aviones son cada vez más complejos y los requerimientos (de seguridad, maniobrabilidad, simplificación del manejo, interconexión con otras aeronaves, etc.) son cada vez mayores. Esto justifica sobradamente que se invierta un gran esfuerzo en la investigación y desarrollo de sistemas de control para el sector Aeroespacial. Es en este contexto en el que se desarrolla el Proyecto Liberty, iniciado por el Grupo de Control Predictivo del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Sevilla, con fines prioritariamente docentes. Básicamente el citado proyecto consiste en desarrollar e instalar los dispositivos adecuados a un avión 1 de radiocontrol de tamaño considerable, para dotarle de capacidades autónomas durante ciertas fases de vuelo. La primera capacidad que se le pretende otorgar al avión es la de seguimiento autónomo de waypoints. El presente Proyecto Fin de Carrera es una pieza más dentro de este proyecto global del departamento, en el que se va a investigar sobre estrategias de control avanzado que puedan llegar a ser implementadas en futuras fases del Proyecto Liberty. También tiene otros objetivos, los cuales se especifican en el siguiente apartado. 1 Se trata del avión RC Liberty 182, del cual toma su nombre el proyecto. Elías Plaza Alonso

3 1.2 Objetivos Una vez contextualizado el proyecto deben definirse claramente los objetivos y tareas del mismo, y tenerse estos siempre presentes a lo largo del proyecto. Como se ha visto en el anterior apartado, el objetivo fundamental del Proyecto Liberty es crear una Planta de Ensayos de Sistemas de Control de Vuelo. Evidentemente esto no se puede completar en un PFC por una sola persona, requiriendo mucho tiempo de desarrollo. Sin embargo, el presente proyecto pretende caminar hacia la consecución de ese objetivo al máximo de sus posibilidades y por eso se establecen los siguientes objetivos. También se aclara la lista de tareas generales necesarias para alcanzar esos objetivos. Objetivos generales Diseño de estrategias de control para el seguimiento autónomo y alcance de puntos objetivos o waypoints (posiciones fijas en el espacio), con un orden de recorrido determinado. Investigación en estrategias avanzadas. Diseño de controladores avanzados para el problema de estabilización y de alcance de referencias en las variables de orientación de la aeronave. Creación de una Planta Virtual de Ensayos en la que poder probar y comparar distintas estrategias, controladores, condiciones de vuelo, configuraciones de carga y equipos instalados, etc. mediante simulaciones bajo condiciones reales (viento, ruido sensorial, etc.). De esta forma se consideran tanto objetivos prácticos, como fines investigativos y también incluso docentes. Téngase en cuenta que cada uno de esos ítems se trata de fines generales que engloban muchos objetivos dentro de ellos, como demuestra la lista de tareas siguiente. Tareas básicas necesarias Modelado de la aeronave. Requiere el estudio y aplicación de distintas materias y teorías (Aerodinámica, Sistemas de Propulsión, Mecánica Racional, Mecánica de Vuelo, Teoría de Sistemas, etc.). Asociado a esto se tiene que realizar también un trabajo experimental para la toma de medidas con las que poder caracterizar los modelos (medidas de geometría, centro de gravedad, empuje en banco, etc.). Planteamiento de la problemática de sensores y actuadores. Este proyecto no trata de implementar los conjuntos de sensores y actuadores necesarios pues eso es materia suficiente para otros proyectos independientes de este, escapando de los márgenes de este. Sin embargo es necesario conocer ese problema pues afecta al diseño considerablemente. De hecho la capacidad sensorial que será instalada va a ser modelada en este proyecto para poder introducirla en las simulaciones. Definición de la estrategia general del sistema de control. El objetivo de la estrategia es el seguimiento de waypoints antes indicado. Diseño de distintos controladores adaptados a esa estrategia. Construcción de un simulador de vuelo para el avión. Debe ser capaz de posibilitar al usuario las opciones indicadas en los objetivos de la Planta Virtual de Ensayos. Realización de distintas simulaciones bajo distintas condiciones para poder comparar resultados con los distintos controladores. Elías Plaza Alonso

4 1.3 Antecedentes El Proyecto Liberty comenzó en Febrero de 2009 como parte práctica de la asignatura Sistemas de Control de Vuelo de la titulación de Ingeniero Aeronáutico de la Universidad de Sevilla. Entre Febrero y Junio de ese año, los alumnos de la citada asignatura, apoyados por los profesores de la misma, comenzaron a desarrollar el proyecto en distintas áreas en las que se realizaron estudios y análisis relativos al modelado, a la propulsión, a los sistemas de control, etc. Cabe destacar sobre todo que en este tiempo se comenzó el ensamblado del avión. Dicho montaje se retomó al año siguiente por otro grupo de trabajo, concluyendo en Marzo de A partir de aquí se llevaron a cabo las pruebas funcionales y de tierra pertinentes, y en Mayo de 2010 se realizaron los primeros vuelos de prueba. Paralelamente, durante 2010 y 2011, se ha realizado el trabajo de incorporación, puesta a punto e instalación de sensores y procesadores por parte de otros grupos de trabajo. Punto de partida Los párrafos anteriores sintetizan el trabajo realizado, pero no dan mucha información sobre la amplitud del mismo. Si se desean más detalles se puede acudir al Grupo de Control Predictivo del departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la U.S. donde se encuentra recopilada toda la información al respecto. Así que el punto de partida de este proyecto es: Avión ensamblado y preparado para volar en control manual. Conjunto de sensores y electrónica decidido pero no operativo. Estudios preeliminares de modelado y control. Información y datos previos De entre todos los estudios, resultados, recopilación de información y recogida de datos realizados previos al presente proyecto, se hace uso directo de: Medida geométrica del perfil alar. Datos geométricos del fuselaje. Coeficiente de Oswald. Polar parabólica. Relación empuje-giro de la hélice. Sub-sistema de operaciones trigonométricas del bucle exterior. Algoritmo de adaptación al problema con referencias. Estos datos fueron obtenidos por algunos de los alumnos de la asignatura antes citada, salvo el último punto que es propiedad del Departamento citado. Todo ello se definirá a lo largo del proyecto en su debido momento. El resto de datos necesarios así como las estimaciones asociadas a los modelos y diseños de sistemas realizados previamente a este proyecto se han vuelto a efectuar con ánimo de que todas las piezas encajen correctamente bajo el nuevo planteamiento realizado en cuanto a condiciones de vuelo y referencias. Esto no quiere decir que todos los estudios previos no influyan en el presente proyecto. Al fin y al cabo todo esto forma parte del Proyecto Liberty, y este es un proyecto que va evolucionando gracias a todo el que va formando parte de él. Elías Plaza Alonso

5 1.4 El Proyecto A pesar de que forma parte de un proyecto global, como antes se ha indicado, el presente proyecto es autocontenido. Esto es, prácticamente se comienza de cero el modelado de la aeronave (véanse los datos previos que se toman), a partir de este se diseña el sistema de control y se construye un simulador mediante el cual se puedan probar y calibrar los diseños. Por tanto se trata de un proyecto de diseño completo. Sin embargo se debe apuntar que por esa misma razón se tratan varias materias de índoles bastante distintas, haciendo que la complejidad aumente. Es decir, como el proyecto es heterogéneo y extenso no se puede llegar a tener un alto grado de profundidad (en cuanto a rigor y comprobaciones) en todas y cada una de las parcelas que se tratan, habida cuenta además que esto no deja de ser un PFC. El proyecto se divide en seis capítulos. El primero de ellos es en el que nos encontramos y solo sirve para contextualizar el proyecto y aclarar las tareas que se van a realizar. Los cuatro siguientes son los desarrollos propiamente dichos: Modelo de la aeronave (capítulo II), Sensores y Actuadores (capítulo III), Sistemas de Control (Capítulo IV), y Simulaciones (capítulo V). El último capítulo (VI) corresponde a las Conclusiones. A continuación relatamos sintéticamente lo que se va a hacer en cada uno de ellos y con esto finaliza la introducción al Proyecto. Antes de eso se debe puntualizar que a veces en los desarrollos puede dar la sensación de ser demasiado teóricos (como puede ocurrir en el apartado de definiciones previas del capítulo II, o en la formulación de los controladores en el capítulo IV, por citar algún ejemplo). En ningún caso este proyecto pretende parecerse a un libro de texto; lo que sucede es que es necesario establecer todas estas definiciones para que el lector sepa con rigor a que nos estamos refiriendo, ya que el proyecto es muy heterogéneo y hace que la interrelación entre las distintas materias pueda afectar a referencias y demás aspectos usualmente usados en cada parcela particular. Modelo de la aeronave: En dicho capítulo se comienza definiendo las hipótesis asociadas a los modelos y los sistemas de referencia que se van a utilizar. Es muy importante mantener presente a lo largo del proyecto estas definiciones, así como el glosario que se ha dado al principio. El desarrollo del capítulo continúa con el planteamiento de las ecuaciones de la dinámica del avión y se deducen las ecuaciones linealizadas del modelo. Tras esto se plantean los modelos necesarios para la construcción del modelo y se estiman los parámetros pertinentes de cada uno. Finalmente se deducen las ecuaciones de estado para el modelo lineal del avión. Para cerrar el capítulo se analiza la estabilidad del avión y se comprueba en lo que se puede la veracidad del modelo, terminando con una discusión sobre el error asociado al mismo. Sensores y actuadores: En este capítulo se describe la carga sensorial que se está instalando. Esto permite definir la segunda parte del espacio de estados y modelar los sensores. Para finalizar el capítulo se describe la problemática de los actuadores. Como ya se ha dicho la capacidad sensorial y la capacidad de los actuadores para este proyecto son un punto de partida. Sistemas de Control: Elías Plaza Alonso

6 En este capítulo se empieza definiendo el nivel de control que se pretende otorgar a la aeronave; es decir, se definen las capacidades del sistema de control. Es importante la discusión sobre en que momentos se podrá considerar a nuestro avión un UAV. Se continúa con el planteamiento de la estrategia global de control para el objetivo de seguimiento de puntos. Tras esto se eligen una serie de controladores en base a las características del modelo y de la estrategia elegida, y se realiza el diseño preeliminar de los mismos. Simulaciones: Este capítulo tiene tres partes: en los primeros apartados se describen lo módulos que forman el simulador construido. Tras esto se explica el funcionamiento y las opciones ofrecidas por la Planta Virtual de Ensayos, a modo de manual de uso. Finalmente se realizan varias simulaciones, con distintos recorridos y diferentes condiciones externas (viento y ruido en sensores), para poner a prueba cada uno de los sistemas de control diseñados y comparar resultados. Conclusiones: En este capítulo se recopilarán las discusiones y resultados más significativos que se hayan ido obteniendo a lo largo del desarrollo del proyecto. La finalidad es realizar la discusión final de resultados. Para cerrar el capítulo, y con él el proyecto, se establecen una serie de consideraciones prácticas que se recomienda tener en cuenta, y se propone una línea de trabajo. Elías Plaza Alonso