Modeling and control techniques of autonomous helicopters for landing on moving platforms

Abstract

En los últimos años se ha incrementado notablemente la investigación con sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS por sus siglas en ingles). Actualmente existe cada vez más interés en la utilización de UAS en campos como la fotografía aérea, la inspección y vigilancia, medición, búsqueda y rescate o gestión de desastres, etc. En el campo de la robótica aérea, dentro de los diferentes tipos de plataformas disponibles los helicópteros y otras aeronaves basadas en alas giratorias son las más utilizadas debido a las características especiales que poseen, como la capacidad de despegue y aterrizaje vertical o el vuelo estacionario. Sin embargo, este potencial se ve en ocasiones limitado por factores como el tiempo de vuelo, la estabilidad o la regulación en seguridad. Una posible manera de solucionar estas limitaciones es el uso de configuraciones con cables. Las misiones que involucran un alto riesgo para los pilotos, especialmente operaciones en el mar como búsqueda y rescate en condiciones de tormenta, estudio de capas de hielo, o inspección de aerogeneradores en alta mar, se pueden beneficiar del uso de helicópteros no tripulados con la habilidad de aterrizar en la cubierta de un barco. En el marco del proyecto EC-SAFEMOBIL FP7-ICT-2011-7 (2015a) del Séptimo Programa Marco de investigación de la Comisión Europea, esta tesis presenta contribuciones en el campo de modelado, control y estimación del estado de helicópteros no tripulados de pequeño tamaño. En concreto, se propone el uso de un cable como elemento de guiado para el aterrizaje seguro sobre plataformas en movimiento, como la cubierta de un barco. También se analiza la posibilidad de incluir en el sistema una plataforma de Stewart para garantizar una superficie de aterrizaje horizontal estable compensando los movimientos de balanceo y cabeceo del barco. Para tal fin, usando la metodología de modelado de Kane, que permite obtener ecuaciones diferenciales de primer orden desacopladas, se obtienen modelos mecánicos para cada parte del sistema (helicóptero, cable, cabrestante para el control de tensión del cable y plataforma de Stewart). Estos modelos son un balance entre ecuaciones lo más simple posibles para facilitar el análisis y el diseño de controladores, y expresiones que reproduzcan de forma fiable el comportamiento real de los sistemas. Tras analizar el modelo, se comprueba que la tensión del cable proporciona un efecto estabilizador frente a perturbaciones externas, como las ráfagas de viento. Además, también proporciona una novedosa forma de estimar la posición relativa del helicóptero, cuya fiabilidad no se ve afectada por la falta de precisión del GPS. Teniendo esto en cuenta, se proponen diversas leyes de control para cada parte del sistema. Por una parte, se estudia la aplicación de estrategias lineales de control del helicóptero (por ejemplo, regulador lineal cuadrático con acción integral, control basado en técnicas de loop-shaping, planificación de ganancias, etc.) en el escenario de la tesis. Por otra parte, se desarrollan estrategias más elaboradas de control no lineal basadas en modelo. El diseño de estos controladores depende de la orientación y posición relativa entre el helicóptero y la plataforma. Por lo tanto, es absolutamente necesario desarrollar algoritmos que permitan estimar de forma precisa el estado del sistema utilizando fusión de datos de los diversos sensores a bordo. Para ello, se propone el uso de un filtro de Kalman de raíz cuadrada “sin aroma” (SR-UKF por sus siglas en ingles) numéricamente eficiente para cerrar el lazo de control de manera fiable. La configuración con cable propuesta se valida con simulaciones correspondientes al escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas, así como con los experimentos realizados con la aeronave real en el marco del proyecto de investigación. Esta tesis está compuesta por nueve capítulos y tres apéndices. El siguiente es un resumen del contenido y las publicaciones del autor relacionadas con cada uno. En el Capítulo 1 se explica la motivación del trabajo y se presenta el marco de investigación correspondiente. El Capítulo 2 presenta un breve repaso del estado del arte en cuanto a el aterrizaje de helicópteros no tripulados sobre plataformas en movimiento. Como esta tesis propone el uso de un cable como sistema de guiado, se repasa también en general el uso de este tipo de configuraciones en el campo de los UAS. Como se menciono anteriormente, en esta tesis se obtienen modelos mecánicos para cada parte del sistema usando la metodología de modelado de Kane. Por una parte, en el Capítulo 3 se obtiene un modelo del helicóptero. La metodología de Kane se compara numéricamente con métodos clásicos como el método de Newton-Euler o las ecuaciones de Lagrange. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2011b, 2013d). Finalmente, se propone también un modelo para los diversos sensores a bordo del helicóptero. Por otra parte, en el Capítulo 5 se presenta el modelo completo del sistema con cable. Primero se añade un cable al modelo del helicóptero obtenido previamente. A continuación se estudian los efectos de la tensión de dicho cable sobre la dinámica del helicóptero, así como las propiedades estabilizadores que este proporciona. Para finalizar la caracterización mecánica del sistema, se propone un modelo viscoelástico del cable. Estas contribuciones han sido publicadas en Sandino et al. (2012, 2013a,b, 2014a). Además, se obtiene también un modelo mecánico de la plataforma de Stewart y de los sensores adicionales que incluye esta configuración. Respecto al control del helicóptero, en el Capitulo 4 se comparan varias estrategias. En la primera parte, se estudia la aplicación de estrategias lineales de control del helicóptero en el escenario de la tesis. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2011a, 2012, 2013b). A continuación, se desarrollan estrategias más elaboradas de control no lineal basadas en modelo. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2013a,c, 2014a). Finalmente, todas las estrategias propuestas se comparan y validan en simulación. Continuando con el trabajo de control, el Capítulo 6 está dedicado al control del sistema con cable, incluyendo las modificaciones pertinentes al controlador del helicóptero, una solución para el control de la tensión del cable utilizando un cabrestante controlado en la plataforma, y el controlador de la plataforma de Stewart para compensar los movimientos de balanceo y cabeceo del barco. Las dos primeras contribuciones mencionadas se han publicado en Sandino et al. (2014a). Finalmente, las estrategias propuestas se validan en simulación. Para cerrar el lazo del sistema de control propuesto, el Capítulo 7 está dedicado a la estimación de la orientación y la posición relativa usando un filtro de Kalman numéricamente eficiente. Esta contribución ha sido publicada en Sandino et al. (2015). En el Capítulo 8 se presentan las diversas simulaciones, así como los experimentos realizados con la aeronave real en el marco del proyecto de investigación. Las simulaciones corresponden al escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas como ráfagas de viento y oscilación de la superficie de aterrizaje causada por el oleaje según diversos estados de mar (2, 4 y 6) dados por la escala de Beaufort. Los resultados experimentales con la aeronave real que demuestran las propiedades estabilizadoras del cable han sido publicados en Sandino et al. (2016), mientras que los resultados experimentales con la aeronave real correspondientes a la primera prueba de aterrizaje del sistema con cable sin utilización del GPS han sido publicados en Sandino et al. (2014b). Experimentos adicionales donde se demuestra satisfactoriamente el aterrizaje del sistema con cable sobre una plataforma elevadora oscilando en dirección vertical mientras que es tirada por un vehículo, pueden verse en FP7-ICT-2011-7 (2015b). Para concluir el trabajo, en el Capítulo 9 se revisan las principales contribuciones de la Tesis en el campo de modelado, control y estimación del estado. A continuación se analizan y comparan los resultados experimentales obtenidos. Finalmente, se contemplan las posibles líneas futuras de trabajo. Respecto a los apéndices, el Apéndice A esta concebido como una guía sobre la expresión de los términos de inercia en el modelado de sistemas mecánicos para lectores que no estén familiarizados con la notación con diadas propuesta por Josiah Willard Gibbs en 1884. El Apéndice B muestra los modelos en 3D utilizados para visualizar mejor las simulaciones usando las herramientas de Simulink 3D Animation. Finalmente, el Apéndice C incluye graficas adicionales que no se muestran en el Capitulo 8 en favor de su legibilidad (ángulos de Euler, señales de control, estimación de la posición relativa y errores de estimación), correspondientes a los resultados de las simulaciones que recrean las condiciones del escenario de aterrizaje sobre la cubierta de un barco considerando perturbaciones externas como ráfagas de viento y oscilación de la superficie de aterrizaje causada por el oleaje.Research on Unmanned Aircraft Systems (UAS) has seen a huge growth during the last years. Currently, there is growing interest in using UAS in several applications such as aerial photography, inspection and monitoring, accurate measurement, search and rescue or disaster management, to name a few. Amongst the different available platforms, helicopters and other rotor-based aircraft with hover and vertical take-off and landing capabilities are extensively used in aerial robotics. In the framework of the EC-SAFEMOBIL project, this thesis proposes the use of a tether as a guiding element for safe landing of unmanned helicopters on moving platforms such as a ship deck. The possibility to include a Stewart platform in the tethered system in order to provide a horizontally stable landing surface by compensating ship’s roll and pitch is also analyzed. To this end, several mechanical models corresponding to each part of the tethered system (helicopter, tether, controlled winch for tether tension control and Stewart platform) are derived using Kane’s methodology, which allows to obtain uncoupled first order differential equations. The resulting models offer a trade-off between simple and manageable equations for ease of the analysis for control design, and expressions that can accurately reproduce the main behavior of the real system. Upon analysis of the model, it is proved that the tether provides a stabilizing action against external disturbances, such as wind gusts, and also provides a new way to estimate the helicopter position relative to the platform, whose reliability would not be affected by the lack of GPS accuracy. Taking into account previous conclusions on the system operation, control laws for each part of the tethered system are proposed. On the one hand, the application of linear control strategies for the helicopter (e.g. linear quadratic integral control, loop-shaping, gain scheduling, etc.) in the thesis scenario is addressed. On the other, an elaborate model-based non-linear control strategy is proposed. The design of these controllers depends on the relative position and attitude between the aircraft and the landing platform. Therefore, it is critical to develop algorithms to accurately estimate the system state with sensor data fusion. To that end, the use of a numerically efficient square-root Unscented Kalman filter is proposed to reliably close the control loop. Finally, experimental simulations with the models used for control design as well as field experiments are presented for validation. These field experiments carried out by CATEC in the framework of the EC-SAFEMOBIL project, constitute the first worldwide experiments with a tethered unmanned helicopter