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Plataforma did谩ctica de bajo coste para el control de actitud y orientaci贸n de UAVs multirotor
[Resumen] El presente trabajo presenta el dise帽o y desarrollo de una plataforma did谩ctica de bajo coste para el control de actitud y orientaci贸n de veh铆culos a茅reos no tripulados (UAV) de tipo multirotor. El sistema est谩 compuesto por un UAV de cuatro rotores y una estructura mec谩nica que permite su rotaci贸n en los tres 谩ngulos de Euler sin presentar desplazamiento lineal. La configuraci贸n y programaci贸n del equipo se realiza 铆ntegramente empleando un entorno software sencillo desarrollado en Matlab-Simulink. El equipo puede ser empleado para adquirir conocimientos y validar en laboratorio estrategias de modelado experimental, sistemas de estimaci贸n y control de actitud y orientaci贸n de multirotores, y protocolos de comunicaci贸n, entre otros.Gobierno de La Rioja; ADER 2012-I-IDD-00093https://doi.org/10.17979/spudc.978849749808
Longitudinal control of a fixed wing UAV
[Abstract] This article presents an approach to the mathematical model of a fixed wing unmanned aerial vehicle prototype. The model is split in two different parts, related to the longitudinal and lateral stability, respectively. For this, Newton-Euler formulation is used as well as basic aerodynamic theory. Aerodynamic coefficients, inertias and characteristic points of the aircraft are obtained through simulations with an open-source software called XFLR-5, and the physical parameters of the model match the prototype鈥檚. Then, a longitudinal control strategy describes the altitude control in a cascade architecture, whose inner loop conveniently manoeuvres the pitch angle by acting on the symmetric flag deflection. Frequency domain techniques are used to design PID controllers.[Resumen] Este art铆culo presenta una aproximaci贸n al modelo matem谩tico de un prototipo de veh铆culo a茅reo no tripulado de ala fija. El modelo est谩 dividido en dos partes diferentes, relacionadas con la estabilidad longitudinal y lateral, respectivamente. Para esto, se utiliza la formulaci贸n de Newton-Euler, as铆 como la teor铆a aerodin谩mica b谩sica. Los coeficientes aerodin谩micos, las inercias y los puntos caracter铆sticos de la aeronave se obtienen a trav茅s de simulaciones con un software de c贸digo abierto llamado XFLR-5, y los par谩metros f铆sicos del modelo coinciden con los del prototipo. Luego, una estrategia de control longitudinal describe el control de altitud en una arquitectura en cascada, cuyo bucle interno maniobra convenientemente el 谩ngulo de inclinaci贸n actuando sobre la desviaci贸n de la bandera sim茅trica. Las t茅cnicas de dominio de frecuencia se utilizan para dise帽ar controladores PID.Gobierno de La Rioja; ADER 2017-I-IDD-00035Universidad de La Rioja; REGI 2018/4
A3C for drone autonomous driving using Airsim
[Abstract] In this work, we apply artificial intelligence to guide a drone to a certain point autonomously. Unreal engine creates a virtual environment where the drone can fly, and the algorithm is trained simulating the drone dynamics thanks to Airsim plugin. The implemented algorithm is Asynchronous Actor-Critic Advantage (A3C), which trains a neural network with less computing resources than standard reinforcement learning algorithms that normally needs costly GPUs. To prove these advantages, several experiments are run using a different number of parallel simulations (threads). The drone should reach a point randomly generated each episode. The reward, the value and the advantage function are used to evaluate the performance. As expected, these experiments show that a higher number of threads helps the leaning process improve and become more stable. These learning results are of interest to optimize the computing resources in future applications
Control robusto de la actitud de un multirrotor empleando una arquitectura de control en cascada con prealimentaci贸n
Este trabajo aborda el control robusto de la actitud de un UAV de tipo multirrotor. Como principal novedad destaca el empleo de una estructura de control model-matching en cascada que, junto a los dos controladores de realimentaci贸n del 谩ngulo de rotaci贸n y su velocidad angular, incorpora un controlador de prealimentaci贸n de la referencia. Fruto de la estructura de control y un adecuado reparto frecuencial de las tareas de control entre los lazos en realimentaci贸n, el ancho de banda de los controladores se reduce con el fin de alcanzar una soluci贸n de control que incurre en una menor amplificaci贸n de ruidos de medida en la acci贸n de control. Los dise帽os de control son robustos y se han realizado en el dominio de la frecuencia discreta siguiendo los postulados de la Teor铆a de Realimentaci贸n Cuantitativa. Se han considerado expl铆citamente especificaciones de estabilidad, de rechazo de perturbaciones de par y de seguimiento de referencias angulares.This paper deals with the robust attitude control of a multirotor UAV. The main novelty is the use of a cascaded model-matching control structure that includes a reference feedforward controller along with the two angle and velocity feedback controllers. As a result of the control structure and appropriate frequency feedback sharing between the feedback loops, the bandwidth of the controllers is reduced to achieve a control solution that introduces less measurement noise into the control action. The control designs are robust and performed in the discrete frequency domain according to the postulates of Quantitative Feedback Theory, with explicit consideration of stability, torque disturbance rejection, and angular reference tracking specifications
Robust multi-rotor attitude control using cascaded feedback control architecture and feedforward
[Resumen]
Este trabajo aborda el control robusto de la actitud de un UAV de tipo multirrotor. Como principal novedad destaca el empleo de una estructura de control model-matching en cascada que, junto a los dos controladores de realimentaci贸n del 谩ngulo de rotaci贸n y su velocidad angular, incorpora un controlador de prealimentaci贸n de la referencia. Fruto de la estructura de control y un adecuado reparto frecuencial de las tareas de control entre los lazos en realimentaci贸n, el ancho de banda de los controladores se reduce con el fin de alcanzar una soluci贸n de control que incurre en una menor amplificaci贸n de ruidos de medida en la acci贸n de control. Los dise帽os de control son robustos y se han realizado en el dominio de la frecuencia discreta siguiendo los postulados de la Teor铆a de Realimentaci贸n Cuantitativa. Se han considerado expl铆citamente especificaciones de estabilidad, de rechazo de perturbaciones de par y de seguimiento de referencias angulares.[Abstract] This paper deals with the robust attitude control of a multirotor UAV. The main novelty is the use of a cascaded model-matching control structure that includes a reference feedforward controller along with the two angle and velocity feedback controllers. As a result of the control structure and appropriate frequency feedback sharing between the feedback loops, the bandwidth of the controllers is reduced to achieve a control solution that introduces less measurement noise into the control action. The control designs are robust and performed in the discrete frequency domain according to the postulates of Quantitative Feedback Theory, with explicit consideration of stability, torque disturbance rejection, and angular reference tracking specifications.Agencia de Desarrollo Econ贸mico para La Rioja; 2017-I-IDD-00035Universidad de La Rioja; REGI 22/4
Plataforma girosc贸pica mejorada para la pr谩ctica docente en Ingenier铆a de control
Los veh铆culos a茅reos no tripulados (UAV) han tenido una importante evoluci贸n en todos los sectores. Para el correcto desarrollo de sus capacidades ha sido necesario su adecuado modelado, desarrollo de sistemas de control, implementaci贸n de los mismos y evaluaciones en campo. Este 煤ltimo punto es complejo desde el punto de vista docente, ya que las pruebas en exterior son impracticables. Para ello se han desarrollado plataformas que facilitan los experimentos de modelado y evaluaci贸n de las capacidades del UAV. Un trabajo reciente recoge el desarrollo de una plataforma girosc贸pica para el control de actitud y orientaci贸n de UAVs, que integra tanto elementos mec谩nicos y de comunicaci贸n, como un sistema software para la carga y prueba de controladores en el UAV. Dicha plataforma ha sido utilizada para diversos prop贸sitos, como concursos educativos de Ingenier铆a de Control por sus prestaciones y facilidad de uso (compatibilidad con Simulink). Sin embargo, a pesar de la facilidad y la versatilidad que aporta, ha presentado algunas carencias a lo largo de su uso; rozamientos asim茅tricos, centro de gravedad desplazado, controladora de vuelo con capacidad de c贸mputo limitada, capa baja de control sin supervisi贸n, y motores con capacidad limitada, entre otros. Este trabajo presenta las mejoras realizadas sobre dicha plataforma para la correcci贸n de estas carencias, mediante el dise帽o de una nueva estructura de UAV, el empleo de un nuevo dise帽o de controladora de vuelo y la introducci贸n de nuevos sistemas de propulsi贸n.Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have undergone an important evolution in all sectors. In order to properly develop their capabilities, it has been necessary to adequately model them, develop control systems, implement them, and experimentally evaluate them. This last point is complex from a training point of view, since outdoor tests are impractical. To this end, platforms have been developed to facilitate modelling experiments and evaluation of UAV capabilities. Recent work includes the development of a gyroscopic platform for attitude and orientation control of UAVs, which integrates both mechanical and communication elements, as well as a software system for loading and testing controllers in the UAV. Due to its performance and ease of use (Simulink compatibility), this platform has been used for various purposes, such as control engineering educational competitions. However, despite the simplicity and versatility it offers, the platform has shown some shortcomings throughout its use: asymmetric friction, displaced centre of gravity, flight controller with limited computational capacity, low control layer without supervision, motors with limited capacity, among others. This work presents the improvements made to this platform to correct these shortcomings, through the design of a new UAV structure, the use of a new controller design and the introduction of new propulsion systems
Reparto frecuencial de la realimentaci贸n en estructuras en cascada: aplicaci贸n al control robusto de un servomotor
Una de las principales ventajas de las arquitecturas de control en cascada es dotar al sistema de control de una mayor rapidez de respuesta ante perturbaciones en el lazo interno, lo cual puede desembocar en un ancho de banda de control excesivo. La arquitectura de control y el m茅todo de dise帽o que se presentan en este trabajo ponen el foco en usar la cantidad de realimentaci贸n estrictamente necesaria en cada frecuencia para garantizar las especificaciones robustas de seguimiento y/o rechazo que se estipulen. Despu茅s, es de vital importancia c贸mo distribuir dicha realimentaci贸n entre los lazos, interno y externo. En el presente trabajo se resuelve un problema concreto, el control de la posici贸n de un servomotor donde es tambi茅n accesible su velocidad. Se ilustra c贸mo la frecuencia de conmutaci贸n entre lazos afecta notablemente a la amplificaci贸n de ruidos de medici贸n, lo que puede evitar una posible saturaci贸n del actuador. La arquitectura de control emplea dos controladores de realimentaci贸n y uno de prealimentaci贸n. Los dise帽os se realizan de acuerdo a la Teor铆a de Realimentaci贸n Cuantitativa (QFT), siendo por tanto robustos. El entorno de trabajo permite incorporar cualquier tipo de especificaci贸n y facilita el dise帽o iterativo de ambos lazos, as铆 como sopesar la complejidad de los controladores y su ancho de banda.One of the main advantages of cascaded control architectures is to provide the control system with a faster temporal response to disturbances in the inner loop, which can lead to excessive control bandwidth. The control architecture and design methodology presented in this paper focuses on using the amount of feedback that is strictly necessary at each frequency to ensure the specified reference tracking and disturbance rejection. The next critical issue is how to distribute this feedback between the inner and outer loops. The present work solves a specific problem, the position control of a servomotor where its speed is also accessible, and illustrates how the switching frequency between loops significantly affects the amplification of the measurement noise, anticipating a possible saturation of the actuator. The control architecture uses two feedback controllers and one feedforward controller. The designs are based on Quantitative Feedback Theory (QFT) and are therefore robust. The working environment allows the incorporation of any type of control specification, facilitates the iterative design of both loops, and makes it possible to balance the complexity of the controllers and their bandwidth
Project-based learning as methodology for an approach to SLAM
[Resumen] Este trabajo presenta una primera toma de contacto para el alumnado universitario con la t茅cnica SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) a trav茅s de la metodolog铆a de Aprendizaje Basado en Proyectos (ABP). El SLAM es una t茅cnica cuyo objetivo es dotar a un robot m贸vil de la capacidad de localizaci贸n y posicionamiento en un entorno desconocido, generando el mapa mientras navega por 茅l. Tambi茅n se muestra el enfoque docente dado al tema dentro de una asignatura, as铆 como algunos conceptos te贸ricos b谩sicos a partir de los cuales ir desarrollando un proyecto sencillo. En cuanto al proyecto en s铆, la aplicaci贸n implementada ejecuta SLAM utilizando la Navigation Toolbox y la ROS Toolbox de MATLAB junto con ROS (Robot Operating System), un entorno de trabajo espec铆fico para robots, que se instala en una Raspberry Pi 3. Con ella se dota de autonom谩a a dos plataformas m贸viles terrestres que incorporan un sensor l谩ser de tipo l铆dar (Laser Imaging Detection And Ranging) para obtener los datos del entorno.[Abstract] This work shows a first contact to university students with SLAM through the Project-Based Learning (PBL) methodology. SLAM is a technique whose objective is to provide a mobile robot with the ability to locate and position itself in an unknown environment, creating the map while it is navigating along it. The teaching approach that has been given to the field in the subject is also presented, as well as basic theoretical concepts from which they will develop a simple project. As for the project itself, the implemented application runs SLAM using the MATLAB Navigation Toolbox and ROS Toolbox together with ROS, a specific work environment for robots, which is installed on a Raspberry Pi 3. With this device of autonomy we can provide autonomy to two land mobile platforms that incorporate a lidar-type laser sensor to obtai
Energy management of refrigeration systems with thermal energy storage based on non-linear model predictive control
This work addresses the energy management of a combined system consisting of a refrigeration cycle and a thermal energy storage tank based on phase change materials. The storage tank is used as a cold-energy buffer, thus decoupling cooling demand and production, which leads to cost reduction and satisfaction of peak demand that would be infeasible for the original cycle. A layered scheduling and control strategy is proposed, where a non-linear predictive scheduler computes the references of the main powers involved (storage tank charging/discharging powers and direct cooling production), while a low-level controller ensures that the requested powers are actually achieved. A simplified model retaining the dominant dynamics is proposed as the prediction model for the scheduler. Economic, efficiency, and feasibility criteria are considered, seeking operating cost reduction while ensuring demand satisfaction. The performance of the proposed strategy for the system with energy storage is compared in simulation with that of a cycle without energy storage, where the former is shown to satisfy challenging demands while reducing the operating cost by up to 28%. The proposed approach also shows suitable robustness when significant uncertainty in the prediction model is considered