Diseño de un simulador de vuelo y control de posición para un mínimo vehículo aéreo

Abstract

Actualmente el Perú se encuentra en una creciente necesidad de utilizar sistemas aéreos autónomos o remotamente controlados con objetivos civiles o militares. Estos sistemas podrían operar en misiones de inspección, monitoreo, escaneamiento o vigilancia. Por eso, es de vital importancia que se implementen estos sistemas ya que el País necesita, por ejemplo, inspeccionar rápidamente zonas de desastres, detectar focos del crimen organizado, u obtener rápidamente mapas tridimensionales de determinadas zonas con lo cual se contribuye enormemente al desarrollo del País. Las teorías más importantes necesarias en la presente tesis son la dinámica de vuelo, la ingeniería de control y la robótica probabilística. El dominio de estas teorías es de suma importancia para modelar y controlar los sistemas de vuelo como el helicóptero. En la dinámica del vuelo, encontramos los ángulos y rotaciones de Euler, y la dinámica de Newton-Euler. Es vital plantear una adecuada relación entre el sistema de referencia inercial y el sistema de referencia no inercial, pues de ello van a depender todas la ecuaciones que en adelante van a influir en el modelado y simulación del mini-helicóptero. Una vez que ya lo hemos referenciado apropiadamente, la dinámica de Newton-Euler nos da las ecuaciones básicas del sistema. Dichas ecuaciones advierten la existencia de 3 fuerzas (en los ejes xyz referenciales) y 3 momentos (en los ejes xyz referenciales), los cuales van a ser tratados en el análisis aerodinámico y mecánico de todos los componentes del helicóptero. Cabe mencionar que muchas de las características y aspectos que se van a discutir son del tipo experimentales. Debido a la complejidad de las fuerzas presentes en el rotor principal, no es viable realizar un análisis minucioso de todas la fuerzas presentes. Por lo cual, muchos de los parámetros y el modelo mismo van a estar supeditados a ciertos rangos de trabajo o condiciones de vuelo. Debido también a un creciente empleo de métodos estadísticos en la robótica, esta tesis ha optado por utilizar muchos de los métodos disponibles en esta área. Esto que fue posible gracias a la invitación de continuar con dicha investigación en el Instituto de Robótica de la Universidad Carnegie Mellon, USA. Los detalles y fundamentos se verían en los capítulos subsiguientes. Esta tesis, a modo también de manual, está dirigida como una guía de futuros trabajos acerca del vuelo del helicóptero. Permitiendo así un entendimiento rápido de las principales características que involucran a los vehículos aéreos. La evidencia de procedimientos ya probados y verificados va a ser de vital importancia para ofrecer un compendio base necesario para los futuros investigadores que deseen emplear los métodos aquí expuestos. El presente trabajo está dividido en cinco capítulos que son detallados a continuación: Capítulo 1: contiene la motivación de la tesis, los personajes históricos que contribuyeron con sus estudios y herramientas matemáticas, el estado de arte del desarrollo de los vehículos autónomos, y finalmente un alcance básico del funcionamiento de los helicópteros. Capítulo 2: contiene el fundamento teórico de la dinámica y aerodinámica de vuelo de un helicóptero de escala pequeña. También, contiene el trasfondo matemático de la estimación de pose (posición y orientación en el plano) con un sensor láser de escaneo de contornos aledaños. Finalmente, muestra algunos métodos probabilísticos empleados en la investigación. Capítulo 3: contiene el diseño del simulador tridimensional en una plataforma libre de animación tridimensional llamada OpenGL. Por medio del detalle de cada función de programación utilizada y de la forma cómo las ecuaciones de estado del sistema son empleadas, se llega a culminar el capítulo con una exhibición del simulador de vuelo HeliSi3D. Capítulo 4: este capítulo se ocupa de mostrar las mejoras del método básico del algoritmo de emparejamiento de barrido expuesto en el capítulo 2. Siendo estas mejoras: rechazo de barrido, búsqueda en la vecindad, predicción de movimiento y la técnica de la pose más probable. El capítulo acaba mostrando la optimizaciones del algoritmo de estimación de pose luego de añadir las modificaciones. Capítulo 5: trata del control de posición del helicóptero quadrotor usando el algoritmo de estimación de pose detallado en los capítulos 2 y 4. También muestra el proceso de implementación y las pruebas finales de laboratorio, validando así las medicaciones al algoritmo básico de emparejamiento de barrido.