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Memoria Técnica
3er Congreso Nacional de Electromecánica y Electrónica
9-11 de abril de 2014
Sistema informático para el control de un quadrotor A. Dena-Ruiz1, R. Parada-Morado1, T. Espinoza-Fraire1, A. Dzul-López1 tiempo de vuelo, dado que así se puede analizar y mejorar el comportamiento de la aeronave.
Resumen—Para el diseño de controladores aplicados a vehículos aéreos no tripulados UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) el contar con un sistema informático que sea capaz de monitorear las variables en tiempo real y que permita ajustar las ganancias del controlador, reduce ampliamente el tiempo de sintonización. Este artículo presenta el desarrollo de un sistema informático R y aplicado a un helicóptero tipo bajo la plataforma MATLAB quadrotor, donde todas las variables de interés que se encuentran en el sistema real pueden ser almacenadas para su posterior análisis. Otro de los objetivos es el ajuste en linea o en tiempo real de las ganancias de los controladores PD aplicados a la orientación y a la altura del quadrotor. También el sistema permite el control de la posición traslacional en los ejes (x, y) de forma manual desde el ordenador por medio de un joystick. Dentro de la plataforma quadrotor se desarrolló un circuito el cual permite la comunicación entre el microprocesador, sensores y actuadores del sistema.
El uso de un sistema informático permite realizar el monitoreo de las variaciones de los ángulos y velocidades con que se mueve la aeronave durante su etapa de vuelo, además de tener control de la aeronave de forma manual, todo esto desde una estación en tierra. El presente artículo muestra el desarrollo de un sistema informático aplicado a un quadrotor, en el se describe el diseño y construcción de la electrónica que se encuentra en la aeronave, diseño y construcción del software que se encuentra en la R estación en tierra desarrollado bajo la plataforma MATLAB . También se muestran los resultados del sistema informático aplicando un control PD a los 3 ejes que definen la postura del quadrotor, además de un control PD para posición de la altura del quadrotor.
Temas clave—Control PD, sistema informático, sintonización, UAVs.
II.
INFORMÁTICO
Un sistema informático es el conjunto de partes interrelacionadas, hardware, software y recurso humano que permiten procesar y almacenar información. El hardware incluye computadoras o cualquier tipo de dispositivo electrónico que contenga procesadores, memoria, sistemas de almacenamiento externo, etc. El software incluye al sistema operativo, firmware y aplicaciones, siendo especialmente importante los sistemas de gestión de base de datos. Por último, el soporte humano incluye al personal técnico que crea y mantiene el sistema (analistas, programadores, etc) y a los usuarios que lo utilizan.
Abstract—The design of unmanned aereal vehicles (UAV’s) controllers is important to have an informatic system that be capable to get the variable meassure in real time and the controller gain adjust, in order to reducing the gain tuning time. This article presents an informatic system that was developed R and applied to a quadrotor, where using software MATLAB all interest system data can be stored for a future analysis. An online adjust or real time adjust of the gain controllers applied to attitude and altitude of the quadrotor is another objetive. The system also alows the manual control in translational position (x, y), this is all realized from the pc and through a joystick. We also improve the hardware of the system with the design of a communication system, which allows a better comunication between the microprocessor, sensors, and system’s actuators.
La mayoría de sistemas existentes en la actualidad que permiten emplear UAVs con una cierta viabilidad están compuestos por cuatro subsistemas principales, independientes a nivel de desarrollo y vinculados entre sí a nivel funcional. Dichos subsistemas son:
Key words—PD control, informatic system, tuning gains, quadrotor.
I.
E L SISTEMA
Plataforma de vuelo: Se compone del vehículo en sí (normalmente definido como airframe o aircraft) y la carga útil a bordo de éste (cámaras y otros sensores).
I NTRODUCCIÓN
En los últimos años ha crecido el interés de los investigadores por los vehículos aéreos no tripulados, UAV’s por sus siglas en inglés de Unmanned Aerial Vehicle. Entre dichos vehículos, el helicóptero cuadri-rotor, también llamado X4 o quadrotor, es uno de los más populares debido a su versatilidad y al sin número de aplicaciones que se le puedan dar a estos UAVs [1]-[4].
Sistema de control de vuelo o FCS (Flight Control System): Se compone de los sensores (IMU, Air data, etc.), sistemas de posicionamiento (GPS u otros), servomecanismos, computador de abordo, etc., integrados en la plataforma de vuelo. El FCS se caracteriza por ser el encargado de geo-referenciar la información adquirida por la plataforma en vuelo y contribuir al control y estabilización del UAV.
El quadrotor es un excelente vehículo para temas de investigación en control automático, electrónica, tecnología de sensores y computación. Asimismo, durante el desarrollo de esta investigación, se vieron las ventajas y necesidades del monitoreo de las variables físicas de la aeronave durante su
Sistema de comunicaciones. Se compone de enlaces de comunicación, vía radio, entre la estación de control de tierra y el vehículo aéreo no tripulado. Se caracteriza por ser el encargado de transferir la información adquirida por la plataforma en vuelo y garantizar la comunicación entre el centro de control y la plataforma de vuelo.
1 Alejandro Dena (
[email protected]), R. Parada, Tadeo Espinoza, Alejandro Dzul, División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de la Laguna, 2700 Torreón, Coah, México.
1
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Estación de Control de Tierra o GCS (Ground Control Station): Se compone del conjunto de computadoras y/o dispositivos que monitorizan y supervisan la plataforma de vuelo y su FCS. Cuenta con un sistema de observación para realizar el análisis (generalmente gráfico) de la información adquirida e integrarla en una aplicación relacionada con el propósito de la misión. II-A. Implementación del sistema informático El sistema informático implementado esta compuesto por la estación en tierra y una plataforma experimental que es el quadrotor (Fig. 1). Este sistema permitirá al usuario el implementar sus diseños de controladores lineales y no lineales de una manera rápida y podrá analizar los resultados de sus diseños de una manera eficiente, ya que el sistema permite el almacenamiento y graficación de las variables que se desean controlar. El sistema permitirá el control del quadrotor en sus tres ejes de postura (alabeo φ, cabeceo θ y guiñada ψ) y de su posición en altura.
Figura 2:
GUI del sistema informático.
de vuelo. Así mismo, el sistema permite la graficación de las variables de interés recibidas y almacenadas durante todo el tiempo en que el quadrotor y la estación en tierra mantengan un enlace de comunicación. La HMI utilizada para recibir las ordenes del usuario del sistema es un joystick Attack3 de Logitech, el cual permite el manejo de los ejes x-y con una palanca y del eje z a través de una perilla, además de once botones totalmente programables. Los ejes x-y que responden al mando de la palanca del joystick, representan el movimiento de rotación del quadrotor en dichos ejes, por lo que al realizar cualquier movimiento con la palanca del joystick en estos dos ejes, el quadrotor tenderá a inclinarse dependiendo del eje al que se haya aplicado el movimiento, lo que a su vez provoca un movimiento de traslación debido a la dinámica del quadrotor. Por otro lado, el movimiento de la perilla en el joystick permite el mover la referencia deseada de altura, esto con la finalidad de poder asignar la altura deseada en el control del quadrotor.
Figura 1:
Diagrama a bloques de un sistema informático para comunicación inálambrica y procesamiento de datos e información.
1) Estación en tierra: Para la estación en tierra se cuenta con una PC que es la encargada de procesar la información, una Interfaz Hombre-Maquina o HMI (Human Machine Interface) tipo joystick y un módulo de comunicación inalámbrica Xbee. 2) Almacenamiento y proceso de información en la PC: La principal herramienta que utiliza la estación en tierra del sistema informático es la PC, en ella es posible procesar y almacenar la información proveniente de la plataforma que se desea monitorear, todo esto bajo el diseño de un software R R realizado en la plataforma MATLAB . En MATLAB se utilizó la herramienta GUI (Graphic User Interface) la cual permitió el desarrollar una aplicación que se encargará de recibir la información, procesarla y almacenarla, de manera que permita el análisis en laboratorio (Fig. 2). La comunicación entre la plataforma y la estación en tierra se realiza de manera inalámbrica a través de dos módulos Xbee, que se configuran a la mayor velocidad de transmisión posible. Además de recibir, procesar y almacenar la información, el sistema despliega un modelo virtual del quadrotor con la ayuda del Virtual R Reality toolbox de MATLAB (Fig. 3), el cual representa los movimientos del quadrotor en tiempo real durante su etapa
Figura 3: Modelo virtual del quadrotor en el Virtual Rality R Toolbox de MATLAB .
3) Descripción de la interfaz gráfica del usuario (GUI): La aplicación principal del sistema informático que interactúa con 2
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(Fig. 4). II-B.
Arquitectura del quadrotor
La implementación de controladores lineales y no lineales en sistemas embebidos demanda la mejor calidad en el sensado de las variables físicas y un rápido procesamiento de la información. En UAVs una de las cosas más importantes al momento de diseñarlos es buscar el reducir su peso al máximo, buscando la mejor optimización del quadrotor, la figura 5 muestra la arquitectura utilizada en el quadrotor.
Figura 4:
GUI del sistema informático en ejecución.
R el usuario esta desarrollada bajo la plataforma de MATLAB , esta cuenta con una herramienta que permite la creación de este tipo de interfaz. Para abrir la aplicación solo hay que abrir el archivo Aplicacion_QuadRotor.exe, el cual es un ejecutable.
Al iniciar la aplicación, el programa muestra una interfaz amigable al usuario, donde del lado superior izquierdo se tiene la sección de control, en la cual se encuentran los botones Iniciar y Parar , a través de los cuales se da inicio y se detiene la aplicación, es decir, arrancar con el sistema de monitoreo y control del quadrotor y el botón Salir se encarga de cerrar la aplicación, la sección de control también cuenta con un visualizador de estado de la aplicación, que muestra un mensaje para cada estado del programa. Del lado superior derecho de la pantalla se muestra la sección de "Ganancias y controladores", una vez que ha sido iniciado el proceso del sistema informático, en esta sección se muestran los valores de los ángulos de alabeo, cabeceo y guiñada, además de la altura actual del UAV. En esta misma sección se puede seleccionar el tipo de controlador a usar en el UAV aplicado a cada uno de los ángulos y a la altura, esto por separado. Por último en la misma sección, en la parte inferior es mostrado el valor de las ganancias de cada controlador aplicado a los ángulos o a al control de altura. Para este trabajo, en la aplicación sólo está disponible por el momento el control PD para todos los casos.
Figura 5:
Arquitectura del quadrotor usado.
El equipo quadrotor se compone de las siguientes partes: R Microprocesador Rabbit RCM4110. R R Central Inercial MicroStrain 3DM-GX1 .
4 Driver para motores Brushless BL-Ctrl v2.0. 4 Motores Brushless Modelo 2827-34 Robbe Roxxy. 1 Sensor ultrasónico SRF05. 1 Microcontrolador PIC16F88. 1 Módulo de comunicación Xbee.
Para la sección de Almacenamiento y graficación de la parte inferior de la interfaz del usuario, se encuentra una área en la cual se escribe el nombre del archivo de texto con el que se desea almacenar los datos, de inicio el programa muestra el nombre P rueba_1.txt, que puede ser reemplazado por el usuario, esto con la finalidad de no iniciar la aplicación con el campo vacío, de dejarlo vacío e iniciar la aplicación, el programa entrará en un error y no funcionará, por lo que es necesario asignar un nombre para el almacenamiento de los datos. También en la misma sección del lado derecho se encuentra el botón Graficar Datos el cual grafica los valores del archivo escrito en el editor de texto y el botón Abrir Archivo el cual permite buscar en el equipo del sistema informático un archivo con datos guardados anteriormente.
R 1) El microprocesador Rabbit RCM4110: El modulo R Rabbit RCM 4110 contiene un microprocesador que perteR nece a la familia de los Rabbit 4000. Su tamaño permite que el diseño de la plataforma, en la que será montado para su operación, sea de dimensiones pequeñas. Tiene una velocidad de procesamiento de 29.49 Mhz, 512k de memoria flash, cuenta con más de 40 terminales de entrada y salida digital, 6 puertos serie, un reloj en tiempo real, 4 moduladores de ancho de pulso, 2 canales decodificadores de cuadratura y permite la comunicación de SPI e I2C por software.
2) Unidad de medición inercial: La unidad de medición inercial o IMU por sus siglas en inglés, es un dispositivo electrónico que al montarlo sobre nuestro sistema brinda información referente a la orientación, velocidad y fuerzas gravitacionales que actúan sobre este, todo usando una combinación de acelerómetros, giroscopios y magnetómetros. Existen muchos tipos de unidades para la medición inercial y son implementados en muchas áreas, por ejemplo: satélites, transbordadores, aviones, UAVs, automóviles, etc.
Una vez que el botón Iniciar a sido presionado el programa establece una comunicación con el quadrotor, la procesa y convierte los bytes recibidos en valores reales que determinan la orientación y la altura del quadrotor, desplegándolos en pantalla actualizando los estados del modelo virtual del quadrotor 3
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1) Resultados obtenidos para el control de alabeo: Para el control de alabeo se obtuvieron los siguientes resultados en relación a una postura deseada φd = 0. Como se muestra en la gráfica de la figura 6, el error en el ángulo de alabeo durante su etapa de vuelo esta en ±5 grados aproximadamente, también en la gráfica de la figura 6 se muestra el par aplicado al movimiento de alabeo, de manera que se puede apreciar la variación del par conforme varia dicho ángulo.
Las unidades de medición inercial son usadas en los sistemas de guía inercial que generalmente están instalados en vehículos. Actualmente casi todas las naves de superficie, comerciales o militares poseen una. Las IMU también son usadas en naves aéreas y espaciales, con el propósito de informar las medidas inerciales a un piloto (ya sea que él esté en la cabina o piloteando por control remoto). Estas son críticas durante las misiones espaciales para poder maniobrar los aterrizajes. La IMU utilizada durante el desarrollo de este trabajo fue R R la 3DM-GX1 de Microstrain . Este dispositivo entrega las señales procesadas y filtradas de sus acelerómetros, giroscopios y magnetómetros. El acceso a la información de la IMU puede ser por RS-232, RS-485 o por salidas analógicas. En este caso, se hizo uso del puerto de comunicación RS-232.
φ (grad)
10
0
-10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
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200
140
160
180
200
140
160
180
200
φ˙ (grad/seg)
tiempo (seg)
3) Sensor ultrasónico SRF05: El sensor SRF05 es un módulo de ultrasonido creado por la firma DEVANTECH, que está integrado por un receptor y un emisor en el mismo dispositivo, y debido a su baja zona muerta (de aprox. 1 cm), es ampliamente usado en robots así como en medición de distancia, control de nivel, detector de objetos, etc. Su rango de detección va desde 1 cm hasta 4 metros, su voltaje de alimentación es de 5v con consumo de 4 mA. En nuestro caso este sensor fue utilizado para la obtención de la altura del quadrotor en todo instante.
50 0 -50 0
20
40
60
80
100
120
τ φ (N/m)
tiempo (seg) 20 0 -20 0
20
40
60
80
100
120
tiempo (seg)
Figura 6:
Ángulo de alabeo, velocidad del ángulo de alabeo y par aplicado al movimiento de alabeo.
R 4) Xbee Pro S2: El programa de MATLAB interactúa con el exterior de la computadora a través de una comunicación serial por un puerto USB, en el cual se conecta un módulo Xbee. La comunicación inalámbrica se realiza por medio de dos módulos Xbee Pro S2, uno se configura como Maestro (Coordinator) y el otro es configurado como esclavo (Router).
2) Resultados obtenidos para el control de cabeceo: En esta sección se muestran los resultados obtenidos por el control de cabeceo para una postura deseada θd = 0. Como se muestra en la figura 7, el error es muy similar al del movimiento de alabeo (Fig. 6). También se muestra el par aplicado al movimiento de cabeceo, y la variación del par conforme varia el ángulo de cabeceo.
El módulo quadrotor interactúa con el Xbee esclavo, el cual debe ser configurado con las mismas características que se configuro el Xbee maestro que se encuentra en la estación en tierra. II-C.
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3) Resultados obtenidos para el control de guiñada: Al igual que los movimientos antes reportados se define un ángulo deseado de guiñada ψd = 0. En la figura 8 se muestran los resultados obtenidos para el control del ángulo de guiñada. Así mismo en la figura 8 se muestra el par aplicado al movimiento de guiñada donde se observa la variación del par conforme la posición de dicho ángulo.
Resultados obtenidos
En esta sección se muestran los resultados experimentales obtenidos durante un vuelo del UAV. Como ya se mencionó en la sección anterior, se implementó un control PD para el control de la orientación y altura del quadrotor. Para los experimentos se tomaron en cuenta los valores de ganancias de la tabla I donde los subíndices θ, φ y ψ se refieren a los movimientos de cabeceo, alabeo y guiñada respectivamente.
θ (grad)
10
Tabla I: Ganancias del controlador PD
-10
Valor 1.2 0.3 1.6 0.2 8.0 0.8
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
140
160
180
200
140
160
180
200
θ˙ (grad/seg)
tiempo (seg) 50 0 -50 0
20
40
60
80
100
120
tiempo (seg) τ θ (N/m)
Ganancia Kpθ Kvθ Kpφ Kvφ Kpψ Kvψ
0
Los resultados obtenidos, que se muestran en las secciones siguientes, corresponden a la información almacenada por el sistema informático durante el funcionamiento de la etapa de vuelo del quadrotor. Estos resultados primero son almacenados en tiempo real por el sistema informático en un archivo de texto R y posteriormente graficados en MATLAB .
20 0 -20 0
20
40
60
80
100
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tiempo (seg)
Figura 7:
Ángulo de cabeceo, velocidad del ángulo de cabeceo y par aplicado al movimiento de cabeceo.
4
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ψ (grad)
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Alejandro Dena (
[email protected]) Nació en Torreón Coahuila, México, en Febrero 1986. Recibió el grado de Ingeniero en Electrónica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, y la Maestría en Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, México, en 2009 y 2014 respectivamente. De 2010 a 2012 laboró en la empresa Eléctrica y Programación S.A., en el área de diseño y ensamble de hardware. Sus áreas de interés son, control lineal y no lineal y el diseño de hardware aplicado a los vehículos aéreos no tripulados.
0
-10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
140
160
180
200
ψ˙ (grad/seg)
tiempo (seg) 50 0 -50 0
20
40
60
80
100
120
tiempo (seg) τ ψ (N/m)
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0 -20 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
tiempo (seg)
Figura 8:
Ángulo de guiñada, la velocidad del ángulo de guiñada y el par aplicado al movimiento de guiñada.
4) Resultados obtenidos para el control de altura: Los experimentos realizados para el control de la altura consistieron en fijar una altura deseada para después ir variando la altura desde el joystick en el sistema informático, de esta forma la altura deseada zd no fue constante, tal como se muestra en la figura 9. Los valores que fue tomando la altura deseada durante el experimento, comenzaron a partir del tiempo 15, esto debido a que el equipo fue encendido sobre una plataforma en el tiempo 0 y después llevado a su posición de arranque desde la superficie. 1.5
Altura (m)
1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
tiempo (seg) 1.5
Z − Z d (m)
1 0.5 0
!
-0.5 -1 -1.5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
tiempo (seg)
Figura 9: Gráficas que muestran la altura de referencia zd , la altura real z y el error en la altura z − zd .
III.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue parcialmente por la DGEST y por el CONACyT. R EFERENCIAS [1]
[2] [3] [4]
[5] [6]
Luis A. García Delgado, "Simulador para el control de un cuadri-rotor", Tesis de Maestria en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, Instituto Tecnológico de la Laguna, México, 2008. Guilherme Vianna Raffo, "Modelado y control de un helicóptero quadrotor", Tesis del Master en Automática, Robótica y Telemática, Universidad de Sevilla, 2007. Francisco Morata Palacios, “Controlador Fuzzy de un Quadrotor¨, Proyecto Fin de Master en Sistemas Inteligentes", Universidad Complutense de Madrid, 2009. P. Castillo, R. Lozano and A. Dzul, "Stabilization of a mini rotorcraft having four rotors", IEEE Control Systems Magazine, Vol. 25, No. 6, pp 45-55, Diciembre 2005. Michael David Schmidt, "Simulation and control of a Quadrotor unmanned aereal vehicle", University of Kentucky Master’s Theses. Paper 93, 2011. A. Benallegue, A. Mokhtari and L. Fridman, "High-order sliding mode observer for a quadrotor UAV", Internal Journal of Robots and Nonlinear Control, www.intercience.wiley.com, Abril 2007.
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Ricardo Parada (
[email protected]) Nació en Torreón Coahuila, México, en Diciembre de 1980. Recibió el grado de Ingeniería electrónica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, y la Maestría en Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, México, en 2003 y 2007 respectivamente. De 2007 a 2008 laboró en el Instituto Tecnológico Superior de Lerdo como docente en la academia de ingeniería en sistemas computacionales. Sus áreas de interés son, observadores para control no lineal y lineal aplicado a vehículos aéreos no tripulados y sistemas embebidos. Actualmente es estudiante de Doctorado en el Instituto Tecnológico de la Laguna.
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Tadeo Espinoza (
[email protected]) Nació en Torreón Coahuila, México, en Abril de 1983. Recibió el grado de Ingeniería electrónica en el Instituto Tecnológico Superior de Lerdo, y la Maestría en Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, México, en 2007 y 2011 respectivamente. De 2007 a 2008 laboró en la empresa Ingeniería Mexicana de Sistemas en el área de control automático y de electrónica de potencia. Sus áreas de interés son, control no lineal y lineal aplicado a vehículos aéreos no tripulados y Sistemas embebidos. Actualmente es estudiante de Doctorado en el Instituto Tecnológico de la Laguna.
Alejandro Dzul (
[email protected]) Nació en Gómez Palacio, Dgo., México, en 1971. Recibió el grado de Ingeniería Electrónica y el grado de Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica en el Instituto Tecnológico de la Laguna, México, en 1993 y 1997, respectivamente. Obtuvo el grado de Doctor en Control Automático en la Université de Technologie de Compiègne, Francia, en 2002. Actualmente es profesor investigador en la División de Estudios de Posgrado e Investigación en el Instituo Tecnológico de la Laguna, México. Es co-autor de los libros “Modelling and Control of Mini-Flying Machines” (P. Castillo and R. Lozano, Springer, 2005) y “Quadrotor Craft Control” (L.R. Carrillo, R. Lozano and C. Begard). Sus áreas de interés actuales son el modelado y control de Vehículo Aéreos no Tripulados, control de sistemas no-lineales y aplicaciones de control en tiempo real.
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