Diseño e implementación de un sistema de control asistido para plataforma aérea multi-rotor

Abstract

En esta Memoria de Título se diseñó y se implementó un sistema de control asistido para una plataforma de vuelo no tripulada (Unmanned Aerial Vehicle - UAV). Lo anterior se realizó con el propósito de simplificar el proceso de aprendizaje de operación radio-controlada a través de un mando de 4 canales. La plataforma utilizada correspondió a un quad-rotor, nave consistente en un cuerpo y cuatro hélices propulsoras. La tele-operación de UAVs constituye una tarea de lento aprendizaje debido a diversos factores como la dinámica de vuelo y la familiaridad del operario con los mandos. El principal objetivo del trabajo es el diseño y la implementación de un sistema que evalúe el desempeño del operario a través de un análisis de sus instrucciones y de la evolución de la nave, y que actúe a nivel de los controladores, facilitando en alguna medida el manejo de la nave. Este trabajo se realizó con el apoyo del Grupo de Automatización del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC). La metodología de trabajo consistió, en primer lugar, en la integración de la plataforma aérea. Esta tarea incluyó el montaje de la estructura principal, la unión de todos los componentes mecánicos y electrónicos, el diagnóstico de los módulos utilizados, la instalación de un programa núcleo (firmware) de código abierto (APM: Copter), y la sintonización inicial de parámetros. Una vez lista la plataforma, se estudió el código fuente para determinar el tipo de asistente que se utilizaría. Posteriormente, se diseñó un sistema asistente de vuelo en base a pruebas de vuelo y un post-procesamiento de los datos realizado fuera de línea. Los sensores disponibles incluían las unidades de medición inercial, consistentes en acelerómetros y giróscopos, además de magnetómetros. Estos sensores no permitían una estimación adecuada de la posición de la nave, por lo que se consideró además la realización de simulaciones en base a los comandos entregados por el operario al momento dar la prueba. Se utilizó un simulador compatible con el código fuente utilizado y se escribió un programa en Python para enviar las órdenes al simulador mediante el protocolo de comunicación Mavlink y obtener coordenadas simuladas aproximadas. Posteriormente se creó un programa en MATLAB para analizar los resultados de ambas pruebas. Por otro lado, se modificó el código fuente, escrito en C++, creando un modo de vuelo que filtra las referencias entregadas a los controladores PID de alto nivel en función de dos parámetros que deben ser ajustados manualmente. Se realizaron pruebas con diferentes operarios para verificar tanto el funcionamiento del simulador como del asistente de vuelo. Las simulaciones realizadas entregaron resultados imprecisos, con valores llegando sobre los 100 [m] para pruebas que no tuvieron desplazamientos superiores a los 3 [m]. Se consideró apropiado descartar su uso para la obtención de parámetros. Con ellos, se realizaron pruebas de operación para mostrar el efecto del asistente. Los operarios mostraron un grado de mejoría en las pruebas, específicamente pudiendo controlar la altitud de la plataforma con más estabilidad. Se obtuvieron oscilaciones lentas en los ángulos, sin embargo se mantuvieron dentro de rangos estables. Se concluyó que el asistente logra efectivamente intervenir de manera positiva en la estabilización de la nave, ayudando al control de los ángulos horizontales. Esto permite al usuario en primer lugar aprender a controlar la aceleración de la nave. Se proponen mejoras al trabajo, incluyendo la posible utilización de sensores de mayor precisión como GPS para la posición o láser o sonar para la altitud, lo que permitiría la posibilidad de asistir el control de aceleración y de obtener lecturas menos erráticas.