Plataforma didáctica de bajo coste para el control de actitud y orientación de UAVs multirotor

[Resumen] El presente trabajo presenta el diseño y desarrollo de una plataforma didáctica de bajo coste para el control de actitud y orientación de vehículos aéreos no tripulados (UAV) de tipo multirotor. El sistema está compuesto por un UAV de cuatro rotores y una estructura mecánica que permite su rotación en los tres ángulos de Euler sin presentar desplazamiento lineal. La configuración y programación del equipo se realiza íntegramente 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 estimación y control de actitud y orientación de multirotores, y protocolos de comunicación, 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’s. 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 artículo presenta una aproximación al modelo matemático de un prototipo de vehículo aéreo no tripulado de ala fija. El modelo está dividido en dos partes diferentes, relacionadas con la estabilidad longitudinal y lateral, respectivamente. Para esto, se utiliza la formulación de Newton-Euler, así como la teoría aerodinámica básica. Los coeficientes aerodinámicos, las inercias y los puntos característicos de la aeronave se obtienen a través de simulaciones con un software de código abierto llamado XFLR-5, y los parámetros físicos 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 ángulo de inclinación actuando sobre la desviación de la bandera simétrica. Las técnicas de dominio de frecuencia se utilizan para diseñar 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 prealimentación

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 realimentación del ángulo de rotación y su velocidad angular, incorpora un controlador de prealimentación de la referencia. Fruto de la estructura de control y un adecuado reparto frecuencial de las tareas de control entre los lazos en realimentación, el ancho de banda de los controladores se reduce con el fin de alcanzar una solución de control que incurre en una menor amplificación de ruidos de medida en la acción de control. Los diseños de control son robustos y se han realizado en el dominio de la frecuencia discreta siguiendo los postulados de la Teoría de Realimentación Cuantitativa. Se han considerado explícitamente 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 realimentación del ángulo de rotación y su velocidad angular, incorpora un controlador de prealimentación de la referencia. Fruto de la estructura de control y un adecuado reparto frecuencial de las tareas de control entre los lazos en realimentación, el ancho de banda de los controladores se reduce con el fin de alcanzar una solución de control que incurre en una menor amplificación de ruidos de medida en la acción de control. Los diseños de control son robustos y se han realizado en el dominio de la frecuencia discreta siguiendo los postulados de la Teoría de Realimentación Cuantitativa. Se han considerado explícitamente 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 Económico para La Rioja; 2017-I-IDD-00035Universidad de La Rioja; REGI 22/4

Plataforma giroscópica mejorada para la práctica docente en Ingeniería de control

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) han tenido una importante evolución en todos los sectores. Para el correcto desarrollo de sus capacidades ha sido necesario su adecuado modelado, desarrollo de sistemas de control, implementación de los mismos y evaluaciones en campo. Este último 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 evaluación de las capacidades del UAV. Un trabajo reciente recoge el desarrollo de una plataforma giroscópica para el control de actitud y orientación de UAVs, que integra tanto elementos mecánicos y de comunicación, como un sistema software para la carga y prueba de controladores en el UAV. Dicha plataforma ha sido utilizada para diversos propósitos, como concursos educativos de Ingeniería 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 asimétricos, centro de gravedad desplazado, controladora de vuelo con capacidad de cómputo limitada, capa baja de control sin supervisión, y motores con capacidad limitada, entre otros. Este trabajo presenta las mejoras realizadas sobre dicha plataforma para la corrección de estas carencias, mediante el diseño de una nueva estructura de UAV, el empleo de un nuevo diseño de controladora de vuelo y la introducción de nuevos sistemas de propulsión.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 realimentación en estructuras en cascada: aplicación 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 método de diseño que se presentan en este trabajo ponen el foco en usar la cantidad de realimentación estrictamente necesaria en cada frecuencia para garantizar las especificaciones robustas de seguimiento y/o rechazo que se estipulen. Después, es de vital importancia cómo distribuir dicha realimentación entre los lazos, interno y externo. En el presente trabajo se resuelve un problema concreto, el control de la posición de un servomotor donde es también accesible su velocidad. Se ilustra cómo la frecuencia de conmutación entre lazos afecta notablemente a la amplificación de ruidos de medición, lo que puede evitar una posible saturación del actuador. La arquitectura de control emplea dos controladores de realimentación y uno de prealimentación. Los diseños se realizan de acuerdo a la Teoría de Realimentación Cuantitativa (QFT), siendo por tanto robustos. El entorno de trabajo permite incorporar cualquier tipo de especificación y facilita el diseño iterativo de ambos lazos, así 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 técnica SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) a través de la metodología de Aprendizaje Basado en Proyectos (ABP). El SLAM es una técnica cuyo objetivo es dotar a un robot móvil de la capacidad de localización y posicionamiento en un entorno desconocido, generando el mapa mientras navega por él. También se muestra el enfoque docente dado al tema dentro de una asignatura, así como algunos conceptos teóricos básicos a partir de los cuales ir desarrollando un proyecto sencillo. En cuanto al proyecto en sí, la aplicación implementada ejecuta SLAM utilizando la Navigation Toolbox y la ROS Toolbox de MATLAB junto con ROS (Robot Operating System), un entorno de trabajo específico para robots, que se instala en una Raspberry Pi 3. Con ella se dota de autonomáa a dos plataformas móviles terrestres que incorporan un sensor láser de tipo lídar (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