Desarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias de un vehículo aéreo no tripulado
dc.contributor.advisor | Rivadeneira Paz, Pablo Santiago | |
dc.contributor.author | Sánchez Alarcón, Omendey de Jesús | |
dc.date.accessioned | 2024-07-26T16:44:46Z | |
dc.date.available | 2024-07-26T16:44:46Z | |
dc.date.issued | 2024 | |
dc.description | Ilustraciones | spa |
dc.description.abstract | Los vehículos aéreos no tripulados (UAV, de su sigla en inglés Unmanned Aerial Vehicle) ofrecen soluciones a tareas complejas en muchos ámbitos ingenieriles dada su maniobrabilidad y portabilidad. La gran mayoría de soluciones se logran aplicando estrategias de control sobre el UAV de tal forma que este pueda seguir una trayectoria demandada por la tarea en cuestión. La implementación de controladores para el seguimiento de trayectorias generalmente requiere un conocimiento preciso de la dinámica del UAV mediante un modelo matemático, el cual, a pesar de estar ampliamente trabajado en la literatura, no es común que se contemple las dinámicas de los actuadores, dejando la puerta abierta a posibles falencias o aspectos a mejorar a la hora de implementar una estrategia de control de forma práctica. De manera adicional a lo anterior, el desarrollo e implementación práctica de las estrategias de control en sus etapas tempranas implica un alto riesgo para la seguridad tanto del personal que realiza dicha implementación como del UAV en cuestión, ya que un error mínimo puede desencadenar tanto la destrucción del UAV como un daño a la integridad física de quien lo opera. Por todo lo anterior, en esta tesis se propone en primera instancia diseñar e implementar estrategias de control para el seguimiento de trayectorias, las cuales tengan en cuenta las dinámicas de los actuadores. Dichas dinámicas se modelarán mediante un proceso de identificación paramétrica bajo una estructura de segundo orden y primer orden en tiempo discreto. En segunda instancia, se desarrolla una plataforma o estructura equipada con mecanismos y la electrónica necesaria para monitorear, adquirir datos en tiempo real y permitir el movimiento angular libre del UAV, de tal forma que se puedan realizar pruebas sin riesgo de destruirlo o causar un daño físico a quien se encarga de las implementaciones. Finalmente, se presentan los resultados prácticos de las implementaciones reales y se contrastan con los arrojados por las simulaciones computacionales. | spa |
dc.description.abstract | Unmanned aerial vehicles offer solutions to complex tasks in many engineering fields due to their maneuverability and portability. The vast majority of solutions are achieved by applying control strategies on the UAV that allow for correct following of a trajectory demanded by the task. The implementation of controllers for trajectory tracking generally requires a precise knowledge of the dynamics of the UAV through a mathematical model, which, despite being widely worked on in the literature, usually does not contemplate the dynamics of the actuators in the development of such models, leaving the door open to possible shortcomings or aspects to improve when a control strategy is implemented in practical terms. In addition, the development and practical implementation of control strategies in their early stages involve a high risk to the safety of both the personnel performing such implementation and the UAV in question, because a minimal error can trigger both the destruction of the UAV and damage to the physical integrity of the operator. Therefore, this thesis proposes in the first instance the design and implementation of control strategies for trajectory tracking which take into account the dynamics of the actuators. These dynamics are modeled by a process of parametric identification, which yields a dynamic model of second and first order in discrete time. Secondly, a platform or structure is developed and equipped with mechanisms and the necessary electronics to monitor, acquire data in real time, and allow the free angular movement of the UAV in such a way that tests can be performed without the risk of destroying it or causing physical damage to the person in charge of the implementations. Finally, the practical results of the real implementations are presented and contrasted with the results of the computational simulations. | eng |
dc.description.curriculararea | Área Curricular de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería de Control | spa |
dc.description.degreelevel | Maestría | spa |
dc.description.degreename | Magíster en Ingeniería - Automatización Industrial | spa |
dc.description.methods | Este trabajo se desarrollará bajo un enfoque teórico, de simulaciones y experimental. Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, es necesario llevar a cabo la captura de datos utilizando un sistema de adquisición compuesto por un microcontrolador capaz de procesar las señales provenientes del sensado de las variables que describen el comportamiento entrada-salida de los actuadores del UAV. Luego, utilizando una técnica de identificación paramétrica, se representará mediante un modelo de tipo caja negra una estructura matemática que describa de forma precisa las dinámicas de los actuadores del vehículo aéreo no tripulado. Posteriormente, se debe realizar un proceso de validación a través de un software con la capacidad de evaluar y comparar los datos experimentales contra los datos arrojados por el modelo identificado. Para desarrollar el controlador, es necesario conocer todas las variables involucradas en el modelo del UAV, incluyendo un grupo de variables medibles y otro de variables no medibles. Por lo tanto, es necesario diseñar previamente un observador de estados capaz de estimar las dinámicas no medibles del sistema. Dicho observador debe tener la capacidad de filtrar el ruido existente y garantizar una rápida convergencia. Todo esto será implementado en un software de simulación de sistemas dinámicos que permita simular sistemas con un gran número de variables y altas no linealidades. Una vez obtenidas estimaciones confiables, y utilizando el mismo software de simulación, se diseñará una estrategia de control que permita al UAV seguir una ruta o trayectoria determinada, para luego contrastarla con estrategias de control estandarizadas. El objetivo principal será evaluar el seguimiento de trayectorias, el rechazo a perturbaciones externas y el comportamiento ante posibles incertidumbres de modelado. | spa |
dc.description.researcharea | Sistemas Dinámicos y Control | spa |
dc.format.extent | 150 páginas | spa |
dc.format.mimetype | application/pdf | spa |
dc.identifier.instname | Universidad Nacional de Colombia | spa |
dc.identifier.reponame | Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombia | spa |
dc.identifier.repourl | https://repositorio.unal.edu.co/ | spa |
dc.identifier.uri | https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/86633 | |
dc.language.iso | spa | spa |
dc.publisher | Universidad Nacional de Colombia | spa |
dc.publisher.branch | Universidad Nacional de Colombia - Sede Medellín | spa |
dc.publisher.faculty | Facultad de Minas | spa |
dc.publisher.place | Medellín, Colombia | spa |
dc.publisher.program | Medellín - Minas - Maestría en Ingeniería - Automatización Industrial | spa |
dc.relation.references | En-Hui Zheng, Jing-Jing Xiong, and Ji-Liang Luo. Second order sliding mode control for a quadrotor uav, 2014 | spa |
dc.relation.references | Guowei Cai, Ben M. Chen, and Tong Heng Lee. Unmanned Rotorcraft Systems. 2011 | spa |
dc.relation.references | M. Blachuta, R. Czyba, W. Janusz, and G. Szafra ́nski. Data fusion algorithm for the altitude and vertical speed estimation of the vtol platform. Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications, 74:413–420, 2014 | spa |
dc.relation.references | L. Derafa, A. Benallegue, and L. Fridman. Super twisting control algorithm for the attitude tracking of a four rotors uav. Journal of the Franklin Institute, 349:685–699, 2012 | spa |
dc.relation.references | Min seok Jie, Seung hun Kim, and Won hyuck Choi. Quad-copter posture control using fusion filter of complementary filter and kalman filter using mems sensor. 11:61–70, 2018 | spa |
dc.relation.references | Roman Czyba, Wojciech Janusz, and Grzegorz Szafra ́nski. Model identification and data fusion for the purpose of the altitude control of the vtol aerial robot. volume 2, pages 263–269, 2013 | spa |
dc.relation.references | Angelo Maria Sabatini and Vincenzo Genovese. A sensor fusion method for tracking vertical velocity and height based on inertial and barometric altimeter measurements. Sensors (Switzerland), 14:13324–13347, 2014 | spa |
dc.relation.references | Kenneth D. Sebesta and Nicolas Boizot. A real-time adaptive high-gain ekf, applied to a quadcopter inertial navigation system. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 61:495–503, 2014. | spa |
dc.relation.references | Zachary T. Dydek, Anuradha M. Annaswamy, and Eugene Lavretsky. Adaptive control of quadrotor uavs: A design trade study with flight evaluations. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 21:1400–1406, 2013 | spa |
dc.relation.references | Dunzhu Xia, Limei Cheng, and Yanhong Yao. A robust inner and outer loop control method for trajectory tracking of a quadrotor. Sensors (Switzerland), 17, 2017 | spa |
dc.relation.references | M. Okasha, J. Shah, W. Fauzi, and Z. Hanouf. Gain scheduled linear quadratic control for quadcopter. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 270:81–85, 2017 | spa |
dc.relation.references | Marco Rinaldi, Stefano Primatesta, and Giorgio Guglieri. A comparative study for control of quadrotor uavs. Applied Sciences (Switzerland), 13, 3 2023 | spa |
dc.relation.references | Changle Xiang, Xiaoliang Wang, Yue Ma, and Bin Xu. Practical modeling and comprehensive system identification of a bldc motor. Mathematical Problems in Engineering, 2015, 2015. | spa |
dc.relation.references | Oualid Araar, Mohamed Zakaria Mimouni, Khaled Fellah, and Hafsa Osmani. Identification & control of a multirotor uav in the presence of actuator asymmetry. 2017 25th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), pages 1035–1040, 2017 | spa |
dc.relation.references | Ngoc Phi Nguyen and Sung Kyung Hong. Sliding mode thau observer for actuator fault diagnosis of quadcopter uavs. Applied Sciences, 8(10), 2018 | spa |
dc.relation.references | James Kennedy, Alex Fisher, Liuping Wang, and Jennifer L. Palmer. Effects of actuator dynamics on disturbance rejection for small multi-rotor uas. In 2017 Australian and New Zealand Control Conference (ANZCC), pages 116–121, 2017 | spa |
dc.relation.references | Michal Podhradsk ́y, Calvin Coopmans, and Austin Jensen. Battery state-of-charge based altitude controller for small, low cost multirotor unmanned aerial vehicles. Journal of Intelligent and Robotic Systems: Theory and Applications, 74:193–207, 4 2014 | spa |
dc.relation.references | Beard R and McLain T. SMALL UNMANNED AIRCRAFT Theory and Practice. 2012 | spa |
dc.relation.references | Thor I Fossen. MATHEMATICAL MODELS FOR CONTROL OF AIRCRAFT AND SATELLITES. 3rd edition, 2013 | spa |
dc.relation.references | Francesco Sabatino. Quadrotor control: modeling, nonlinear control design, and simulation, 2015 | spa |
dc.relation.references | Rico R, Maisterra P, Gil-Martinez M, Rico-Azagra J, and Najera S. Identificacion experimental de los parametros de un cuatrirrotor. Publicaciones de Ingenieria, Escuela Tecnica Superior de Ingenieria, 2015 | spa |
dc.relation.references | Ogata Katsuhiko. Modern Control Engineering. 4th edition, 2010 | spa |
dc.relation.references | Simon Dan. Optimal State Estimation. 2006 | spa |
dc.relation.references | Lennart Ljung. System identification, 1995 | spa |
dc.relation.references | Gianluigi Pillonetto, Tianshi Chen, Alessandro Chiuso, Giuseppe De Nicolao, and Lennart Ljung. Regularized System Identification. Learning Dynamic Models from Data. 2022 | spa |
dc.relation.references | Hoseyin Akt ayt and Pramod P Khargonekar¢. The least squares algorithm, parametric system identification and bounded noise*. Automatica, 29, 1993 | spa |
dc.relation.references | Gretinger M, Secara M, Festila C, and Eva H. Dulf. “chirp” signal generators for frequency response experiments. 2014 | spa |
dc.relation.references | Miguel Galrinho. Least squares methods for system identification of structured models. 2016 | spa |
dc.relation.references | Robert Yaffee and Monnie McGee. Introduction to Time Series Analysis and Forecasting with Applications of SAS® and SPSS®. Academic Press, 2000 | spa |
dc.relation.references | Omron e6b2-c rotary encoder datasheet | spa |
dc.relation.references | Virginia Mazzone. Controladores pid, 2002 | spa |
dc.relation.references | Katsuhiko Ogata. Modern Control Engineering. Prentice Hall, 2010 | spa |
dc.relation.references | John G. Proakis and Dimitris G. Manolakis. Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications. Pearson, 4th edition, 2013. | spa |
dc.rights.accessrights | info:eu-repo/semantics/openAccess | spa |
dc.rights.license | Reconocimiento 4.0 Internacional | spa |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | spa |
dc.subject.armarc | :Sistemas de control inteligente - Modelos matemáticos | |
dc.subject.ddc | 620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería | spa |
dc.subject.lemb | Sistemas de control inteligente | |
dc.subject.proposal | UAV | eng |
dc.subject.proposal | PID | eng |
dc.subject.proposal | LQR | eng |
dc.subject.proposal | Filtro de Kalman | spa |
dc.subject.proposal | UAV | spa |
dc.subject.proposal | PID | spa |
dc.subject.proposal | LQR | spa |
dc.subject.proposal | Kalman Filter | eng |
dc.subject.proposal | Trajectory | eng |
dc.subject.proposal | Platform | eng |
dc.subject.proposal | vehículos aéreos no tripulados | spa |
dc.subject.proposal | Unmanned aerial vehicles | eng |
dc.title | Desarrollo de una estrategia de control para el seguimiento de trayectorias de un vehículo aéreo no tripulado | spa |
dc.title.translated | Development of a control strategy for the trajectory tracking of an unmanned aerial vehicle | eng |
dc.type | Trabajo de grado - Maestría | spa |
dc.type.coar | http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc | spa |
dc.type.coarversion | http://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aa | spa |
dc.type.content | Text | spa |
dc.type.driver | info:eu-repo/semantics/masterThesis | spa |
dc.type.redcol | http://purl.org/redcol/resource_type/TM | spa |
dc.type.version | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion | spa |
dcterms.audience.professionaldevelopment | Estudiantes | spa |
dcterms.audience.professionaldevelopment | Investigadores | spa |
dcterms.audience.professionaldevelopment | Maestros | spa |
dcterms.audience.professionaldevelopment | Público general | spa |
oaire.accessrights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 | spa |
Archivos
Bloque original
1 - 1 de 1
Cargando...
- Nombre:
- 1020452210.2024.pdf
- Tamaño:
- 10.07 MB
- Formato:
- Adobe Portable Document Format
- Descripción:
- Tesis de Maestría - Automatización Industrial
Bloque de licencias
1 - 1 de 1
Cargando...
- Nombre:
- license.txt
- Tamaño:
- 5.74 KB
- Formato:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Descripción: