Análisis y diseño de un algoritmo de guiado de aviones no tripulados basado en control predictivo PDF
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Proyecto Fin de Carrera Trabajo Fin de Máster Ingeniería de Telecomunicación Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica FormAantoáldiseiPsuyblicdaicsieóñnodedlea EusncueallagToréictnmicoa Superior de Ingeniería de guiado de aviones no tripulados basado en control predictivo Autor: Víctor Castro Moreno Autor: F. Javier Payán Somet Tutor:TJuutaonr:JoFsréaMncuirsiclloo FGuaevnitelásn Jiménez Dep. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica SuFpleuriidorodse Ingeniería EscuelaUTnéivcenriscidaaSdudpeeSreivoilrlade Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla,2013 Sevilla,2017 Trabajo Fin de Máster Máster Universitario en Ingeniería Aeronáutica Análisis y diseño de un algoritmo de guiado de aviones no tripulados basado en control predictivo Autor: Víctor Castro Moreno Tutor: Francisco Gavilán Jiménez Dep. Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla,2017 TrabajoFindeMáster: Análisis y diseño de un algoritmo de guiado de aviones no tripuladosbasadoencontrolpredictivo Autor: VíctorCastroMoreno Tutor: FranciscoGavilánJiménez Eltribunalnombradoparajuzgareltrabajoarribaindicado,compuestoporlossiguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdanotorgarlelacalificaciónde: ElSecretariodelTribunal Fecha: Índice Notación III 1.Introducción 1 1.1. Objetivoymotivación 1 1.2. Algoritmosdeguiado 3 2.Modelodinámicodelsistema 9 2.1. Modelode6gradosdelibertad 10 2.1.1. Hipótesis 10 2.1.2. Ecuacionesdinámicas 10 2.1.3. Ecuacionescinemáticas 12 2.1.4. Modelopropulsivo 13 2.1.5. Modeloaerodinámico 13 2.2. Modelode3gradosdelibertad 14 2.2.1. Hipótesis 14 2.2.2. Ecuacionesdelmovimientoenformavectorial 15 2.2.3. Ecuacionesdelmovimientoenformaescalar 15 2.2.4. Ecuacionesgenerales 16 2.2.5. Vuelosimétrico 17 2.3. Modelodesimulación 18 2.3.1. Esquemadelmodelo 18 2.3.2. Datosdelaaeronavesimulada 19 3.Formulacióndelalgoritmodeguiadobasadoencontrolpredictivo 21 3.1. Modelodeavión 22 3.2. Prediccióndelestado 26 Discretizacióndelasecuaciones 26 Linealizacióndelproblema 28 3.3. Estimadordeperturbaciones 31 3.4. Restriccionesdelproblema 32 3.4.1. Restriccionesenelcontrol 33 3.4.2. Restriccionesenelestado 35 I II Índice 3.5. Factibiliazacióndelproblema 37 3.6. Funciónobjetivo 38 3.6.1. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasrectas 39 3.6.2. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasderadioconstante 44 3.6.3. Funciónobjetivoparaelseguimientodetrayectoriasgenerales 48 3.6.4. Combinacióndelasdistintasfuncionesobjetivo 50 3.6.5. TérminoparavueloaTASconstante 51 3.7. Cálculodelaseñaldecontrol 52 4.Resultados 59 4.1. Trayectoriaderadioconstante 59 4.2. Trayectoriageneral 72 4.3. Trayectoriacompuestapordistintostramos 75 4.4. VueloaTASconstante 76 4.5. Restriccionesenlaaceleración 77 5.Conclusionesytrabajosfuturos 81 5.1. Conclusiones 81 5.2. Trabajosfuturos 82 ApéndiceA.Sistemasdereferencia 85 A.1. Sistemainercialtopocéntrico,I 85 A.2. Sistemadeejeshorizontelocal,H 85 A.3. Sistemadeejesviento,W 86 A.4. Sistemadeejescuerpo,B 88 ApéndiceB.Expresionesdelostérminosdelaecuacióndeprediccióndel estadolinealizada 91 ÍndicedeFiguras 97 Bibliografía 99 Notación f Factordeescalado g Aceleracióndelagravedad h Altura m Masa n Factordecarga n Númerodevariablesdecontrol u p,q,r Componentesdelavelocidadangularenejescuer- po t Tiempo u,v,w Componentesdelavelocidadenejescuerpo x ,y ,z Coordenadasdelcentrodemasasdelaaeronave c c c C Coeficientederesistenciaaerodinámicadelaaero- D nave C Coeficientedetraccióndelahélice T D Resistenciaaerodinámica I Tensordeinerciaenelcentrodegravedad G I ,I ,I ,I ,I ,I Momentosyproductosdeinercia x y z xy xz yz J Parámetrodeavancedelahélice J Términoidelafunciónobjetivoasociadoalinstan- i,k tedepredicciónk L Sustentaciónaerodinámica L,M,N Componentesdelvectordemomentosaerodinámi- cosypropulsivosenejescuerpo N Horizontedecontrol c N Horizontedepredicción p Q Fuerzaaerodinámicalateral R Radio T Empuje T Tiempodemuestreo S X,Y,Z Componentes del vector de fuerzas aerodinámicas ypropulsivasenejescuerpo α Ángulodeataque III IV Notación β Ánguloderesbalamiento γ Ángulodetrayectoria δ Perturbacióncalculadaenelinstantek k δ ,δ yδ Deflexionesdeltimóndeprofundidad,deltimónde e r a direcciónydelosalerones ε Ángulodeataquedelempuje θ Ángulodecabeceo λ Factordeolvido µ Ángulodealabeo ν Ánguloderesbalamientodelempuje. ρ Densidaddelaire φ Ángulodebalance χ Ánguloderumbo ψ Ángulodeguiñada ω Velocidadangulardegirodelahélice (cid:126)i,(cid:126)j,(cid:126)k Vectores unitarios según las direcciones del siste- madereferencia(esteseindicacomosubíndice) (cid:126)r Posicióndelcentrodemasasdelaaeronave c (cid:126)u Vectordevariablesdecontrol (cid:126)x Vectordevariablesdeestado (cid:126)F Fuerzasaerodinámicasypropulsivas A,T M(cid:126) Momentosaerodinámicosypropulsivos A,T (cid:126)V Velocidadaerodinámica V(cid:126) Velocidadrespectoatierra g V(cid:126) Velocidaddelvientorespectoatierra w ω(cid:126) Velocidadangular u Vectorpiladeseñalesdecontroltotales S u¯ Vectorpiladeseñalesdecontroldereferencia S ∆∆∆u Vectorpiladeincrementosenlasseñalesdecontrol S respectoalareferencia ∆∆∆u Vectorpilareducidodeincrementosenlasseñales S red decontrolrespectoalareferencia x Vectorpiladeestadosenelinstantet k k I Matrizidentidaddedimensionesmporn m×n δ Vectorpiladeperturbaciones S ΘΘΘ Vectorcolumnanulodemcomponentes m ΘΘΘ Matriznuladedimensionesmporn m×n
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