PDF de programación - Control de un vehículo aéreo no tripulado

S.S.I.I. 08/09 - Control de un
vehículo aéreo no tripulado



Autores:

Daniel Garijo Verdejo
Jesús Ismael López Pérez
Isaac Pérez Estrada

Directores de proyecto:

José Jaime Ruz Ortiz
José Antonio López Orozco



Universidad Complutense de Madrid

Facultad de informática

SSII: Control de un vehículo aéreo no tripulado


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Resumen

Un Vehículo Aéreo no Tripulado (UAV: Unmanned Aerial Vehicle) es un

vehículo controlado autónomamente o desde tierra utilizando planes de vuelo

programados. Las aplicaciones de este tipo de vehículos es cada día mayor en tareas que

implican algún tipo de dificultad o riesgo para vehículos convencionales tripulados por

personas, como son la detección de incendios, la identificación de manchas de petróleo

en el mar, el seguimiento del tráfico, la inspección de líneas de tendido eléctrico, etc.

Para el curso 2008/2009 en la asignatura de S.I. nos proponemos controlar

automáticamente, desde un computador, un vehículo aéreo cuatrimotor para que realice

rutas pre programadas. Para ello será necesario resolver dos problemas principales:

1) Identificación de la posición espacial 3D y el ángulo de orientación del cuatrimotor

en tiempo real.

2) Actuación sobre el cuatrimotor en función de su posición y de la ruta programada.

En este proyecto planteamos realizar la tarea de actuación para controlar el

cuatrimotor a través de una emisora de radiofrecuencia conectada al computador. Cada

uno de los cuatro canales de la emisora se controla independientemente desde el

computador a través de una conexión serie RS-232 según el esquema de la siguiente

figura:

Figura 1: conexión PC - emisora



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Para obtener un control fiable del cuatrimotor será necesario un examen y

análisis de las señales que se envían a la emisora y del efecto que surte en el

cuatrimotor, es decir, una calibración de cada una de las señales. Así se puede crear un

sencillo modelo del funcionamiento del cuatrimotor que se aproxime al funcionamiento

real del que se está probando.

Este modelo permite que, dadas unas señales enviadas al vehículo y su posición

anterior, estime la posición actual del cuatrimotor. Esta posición se utilizará junto con la

ruta programada para dar la siguiente consigna y así sucesivamente hasta finalizar la

ruta escogida.

Además se programarán actuaciones repetitivas o de emergencia, como por

ejemplo el despegue a una altura determinada o el aterrizaje en caso de pérdida de la

posición. La ruta realizada se aproximará a la deseada tanto más cuando mejor sea la

estima de la posición real del vehículo. El modelo permitirá una demostración de que el

control y actuación sobre el cuatrimotor es correcta y se observará que el cuatrimotor

realiza físicamente las trayectorias solicitadas. Evidentemente si, en lugar de utilizar una

posición estimada, se realimenta con la posición real del cuatrimotor las trayectorias

serán más precisas y podrán realizarse maniobras y rutas más complejas.

Palabras clave

UAV, posición espacial, emisora, ángulo de orientación, tiempo real, cuatrimotor,

modelo, RS-232, consigna.

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Abstract

An UAV, (Unmanned Aerial Vehicle), is an autonomous aerial vehicle which

can also be controlled from land with programmed flight plans. The importance of this

kind of vehicles in tasks which involve any difficulty or risk for human beings is

becoming greater nowadays, tasks like fire detection, oil stain identification on the sea,

traffic tracking, etc.

Our purpose for this year is to develop an automatic control, which can order an

UAV to follow programmed routes from a computer. To achieve our goal, two main

problems have to be solved:

1) Identification of the 3D position and the orientation angle of the UAV.

2) Acting over the UAV depending on its position and programmed route.

The UAV will be controlled thanks to an emitter connected to the computer.

Each of its four channels is controlled independently by the computer through an RS-

232 connection according to this figure:

Figura 2: PC - controller connection



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To obtain a reliable control of the UAV, it is necessary to calibrate each of the

signals sent to the emitter. As a result, the model of the tested UAV‟s behaviour is

generated.

This model allows us to estimate the current position of the vehicle using given

signals and its last position. This position is used with the programmed route to

calculate the next position, repeating the process until the UAV finishes the chosen

route.

Emergency protocols will also be programmed, such as taking off until certain

height is reached, or landing if the controller looses the track of the position. The

followed route will be closer to the desired route when estimation of the real position

improves. The model will allow a demonstration proving that the control over the UAV

is correct, and we will check that the UAV follows the chosen routes. Of course, if we

use the real position of the UAV instead of the estimated position, we will be able to

execute more complex movements and routes.

Keywords

UAV, 3D position, emitter, orientation angle, real time, model, RS-232, next position.



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AUTORIZACIÓN A LA UCM

Por la presente se autoriza a la Universidad Complutense de Madrid a difundir y

utilizar con fines académicos, no comerciales y mencionando expresamente a sus

autores, tanto esta memoria, como el código, la documentación y el prototipo

desarrollado.

Los autores:

Daniel Garijo Verdejo

Jesús Ismael López Pérez



Isaac Pérez Estrada



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ÍNDICE

1 INTRODUCCION Y OBJETIVOS .......................................................................... 13

1.1 Introducción ...................................................................................................... 13

1.2 Objetivos ........................................................................................................... 15

1.3 Estado del arte ................................................................................................... 16

1.3.1 Sistemas relacionados ................................................................................. 16

1.3.2 Otros sistemas de control ............................................................................ 20

2 DISEÑO HARDWARE ........................................................................................... 23

2.1 Introducción ...................................................................................................... 23

2.2 Helicóptero o cuatrimotor .................................................................................. 24

2.2.1 Ángulos de navegación ............................................................................... 24

2.2.2 Calibración del helicóptero ......................................................................... 25

2.3 PID ................................................................................................................... 27

2.4 Entornos de pruebas .......................................................................................... 30

3 DISEÑO SOFTWARE ............................................................................................. 35

3.1 Introducción ...................................................................................................... 35

3.2 Desarrollo del simulador ................................................................................... 37

3.2.1 Motivación ................................................................................................. 37

3.2.2 Funcionamiento del simulador .................................................................... 37

3.2.3 Generación de escenarios ............................................................................ 47

3.2.4 Módulo de tratamiento de imagen ............................................................... 52

3.2.5 Grabación de un vuelo ................................................................................ 56

3.2.6 Diseño del simulador .................................................................................. 58

3.3 Desarrollo del controlador ................................................................................. 62

3.3.1 Funcionamiento del controlador .................................................................. 62

3.3.1.1 Obtención de la información .................................................................... 64

3.3.1.2 Cálculo de las señales de control de PID .................................................. 64

3.3.1.3 Tratamiento de las señales generadas ....................................................... 65

3.3.1.4 Envío de la señal de control ..................................................................... 66

3.3.2 Ciclo de transformación de la información .................................................. 67

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3.3.3 Grabación de los resultados obtenidos ....................