Diseño de sistemas de control y navegación para vehículos aéreos no tripulados mediante simulación virtual

Abstract

The main objective of this thesis involves the design of control systems for flight and navigation of autonomous unmanned aerial vehicles (UAVs), as well as the use and development of a simulation, visualization and flight control platform that allows the validation and evaluation of them. Unmanned aerial vehicles have the capabilty to fly without aircrew on board. They have different shapes, configurations and are small in size. They are clasified into two groups: those with the ability to perform tasks without human intervention (autonomous); and those which are controlled remotely by a human operator. In order to fly autonomously, it is essential that UAVs have an adequate attitude and navigation control system. The attitude control computes the deflection values that the aerodynamic surfaces and the propulsion column must have in order to control the orientation and the velocity of the vehicle. The navigation control determines the navigation trajectory that the UAV must follow. The design of the attitude and navigation control systems was posed from two different perspectives, one unified and other decoupled. The first one refers to the use of a single controller to congtrol both dynamic and navigation. The second one refers to the decouple of the control system into two independent controllers, one to control the attitude and the other to compute the navigation trajectories.

El objetivo principal de la presente tesis involucra el diseño de sistemas de control para el vuelo y navegación de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) autónomos, como así también la utilización y desarrollo de una plataforma de simulación, visualización y control de vuelo que permite la validación y evaluación de los mismos. Los vehículos aéreos no tripulados son vehículos capacitados para volar sin tripulación a bordo. Los mismos poseen diversas formas, configuraciones y son de reducido tamaño. Se clasifican en dos grandes grupos: aquellos que cuentan con la capacidad de realizar misiones sin intervención humana (autónomos); y aquellos controlados por un operador humano de manera remota. Para que los UAVs puedan volar autónomamente, es indispensable que los mismos cuenten con un adecuado sistema de control de actitud y de navegación. El control de actitud se encarga de computar los valores de deflexiones que deben tomar las superficies aerodinámicas y la columna de propulsión para controlar la orientación y velocidad del vehículo. El control de navegación se encarga de determinar la trayectoria de navegación que el UAV debe seguir. El diseño de los sistemas de control de actitud y de navegación se planteó desde dos perspectivas diferentes, una unificada y otra desacoplada. La primera se refiere a la utilización de un único controlador para controlar tanto dinámica como navegación. La segunda se refiere al desacople del sistema de control en dos controladores independientes, uno para controlar la actitud y otro para obtener trayectorias de navegación.