Sistema difuso embebido aplicado a una lanzadera de µ-UAV de ala fija

Sistema difuso embebido aplicado a una lanzadera de µ-UAV de ala fija. Julio Balanzá, Nicolás Kémper, Graciela Velasco Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad Universitaria, S/N, CP. 04510, Cd. de México, México [email protected]; [email protected] [email protected]

RESUMEN En este trabajo se presenta una metodología que permite embeber un sistema difuso para ser integrado a una lanzadera de un micro-UAV de ala fija. La implementación de este sistema utiliza una tarjeta de la serie TIVA C Launch Pad® para realizar tareas de orientación y control de ángulos, que será enviado a un motor a pasos fino para su posicionamiento. Se validó el sistema de control en nivel simulación con una herramienta de diseño para sistemas difusos. PALABRAS CLAVE: lanzadera, micro-UAV, sistema embebido, sistemas difusos, motores a pasos 1

INTRODUCCIÓN

Un UAV es una aeronave pilotada a control remoto RPV (del inglés Remotely Piloted Vehicle); sin embargo es más apropiado mencionar un UAS (Sistemas Aéreos no Tripulados) que incluye a todos los segmentos que lo componen: a) aéreo: integrado por la plataforma aérea (UAV), su carga útil y el sistema de comunicaciones que transporta; b) terreno: compuesto del sistema de control de la plataforma aérea, el equipo de comunicación y estación, que permiten recibir la información obtenida por los sensores, además, de los elementos de lanzamiento y recuperación. El UAS es considerado un nuevo componente del sistema aeronáutico que utilizan tecnológicas aéreas-espaciales de última generación; se busca integrar técnicas de inteligencia artificial para planes y etapas de vuelo preprogramados y toma de decisiones en cada una estas. En los UAS con UAV´s de ala fija contemplan tres fases: a) despegue, b) trayectoria y c) recuperación. La primera puede ser ejecutada de distintas formas, a través de un tren de ruedas o lanzaderas.

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1.1

Sistema de lanzamiento

Actualmente los dispositivos de lanzamiento para micro-UAV´s deben de cumplir con ciertas características: 1) ser ligero, 2) capaz de ser operado por un mínimo de personal experto, 3) tiempo de manipulación corto y 4) que ocupen un volumen de almacenamiento mínimo. Los sistemas de lanzamiento, se pueden agrupar en tres categorías: neumáticos, de cuerda elástica, y asistidos por cohetes [1]. -Las lanzadoras neumáticas se operan normalmente con aire comprimido a alta presión. Son característicos de las altas velocidades de lanzamiento con uniforme y predecible aceleración. El aire comprimido se utiliza para presurizar los tanques acumuladores que, a su vez, impulsan un tren de carrera para el lanzamiento. Las lanzaderas neumáticas suelen ajustar la presión para dar cabida a diferentes tipos de vehículos aéreos no tripulados, éste se considera un sistema cerrado, donde la base puede ser retraído hacia atrás después de cada lanzamiento y utilizarse nuevamente para operaciones subsiguientes [1]. -Los sistemas de catapulta o de cuerda elástica, utilizan cuerdas tipo Bungee que emplean las características de la energía elástica almacenada en la cuerda. Estas lanzaderas son utilizadas principalmente en pequeños UAV´s; por lo general son ligeras y ocupan por su diseño un pequeño volumen [1]. 1.1.1

Controladores para lanzaderas

Existen una serie de trabajos relacionados con el control para lanzaderas desde micro hasta hale [1]. En los trabajos de Santamaría et al. [2] [3] [4], se realizaron simulaciones para un sistema difuso aplicado al despegue de UAV’s con un peso no mayor a 2 kg, considerando como variables de entrada la magnitud del viento (con datos de la Ciudad de México) y la envergadura de UAV´s, las variables de salida fueron la fuerza de empuje y ángulo de despegue. Se utilizó el método de inferencia Mamdani y centro de gravedad; en estos trabajos se considera que la lanzadera ya está orientada en contra de la dirección del viento. En el trabajo de Liyi et al. [5], se presenta el diseño de un sistema de control difuso tipo PI para una lanzadera tipo electromagnética, de carrera larga sin especificaciones de peso. Las variables de entrada fueron el error y el incremento del error, las de salida fueron las constantes Kp y Ki para el controlador PI. Los resultados obtenidos mostraron que al comparar el control tradicional PI con el difuso tipo PI se obtuvo  0% de sobrepaso y una estabilización del 50%.

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1.2

Motores a pasos y técnicas de control

En el desarrollo de un controlador para orientación de un sistema con características de respuesta rápida y alta precisión, los motores a pasos, son considerados los adecuados para realizar este tipo de tareas, estos se utilizan en aplicaciones eléctricas y mecánicas, donde se requieren velocidades altas o posiciones específicas o ambas. En el trabajo de Betin et al. [6] se desarrolló un sistema difuso para un control de velocidad d motores a pasos. En el trabajo de Barma et al. [7], se realizó un control difuso tipo PD para controlar la posición precisa de motores a pasos.

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DESARROLLO DEL SISTEMA

El desarrollo del sistema se realizó en dos partes: a) el control a través de un sistema de inferencia difuso tipo Sugeno [8]; b) el sistema de orientación embebido con una tarjeta controladora TIVA C Launch Pad® y un driver controlador de motores a pasos [9] para posicionar la lanzadera en ángulos específicos respecto a su sistema de referencia dado. 2.1. Desarrollo del sistema de simulación El sistema de control es un controlador con inferencia difusa tipo PD, que se encarga de accionar los motores a pasos para la orientación de la lanzadera. El diagrama a bloques siguiente muestra el esquema de control utilizado por la lanzadera.

Figura 1. Diagrama a bloques del esquema del controlador difuso general. En el figura 1 se muestra las variables de entrada del sistema: dirección y magnitud de viento; las variables de salida son el ángulo opuesto a la dirección del viento y ángulo de levantamiento que se envían a los actuadores. El objetivo del controlador para realizar las tareas de orientación, es mantener la posición de la lanzadera en un ángulo opuesto a la dirección del viento. Para realizar el control se utiliza el valor de los sensores y la señal de retroalimentación del motor, que se resta para 3

generar un error. Dicho error se introduce al controlador difuso así como el cambio en el error para ser procesado y después obtener a la salida dos señales digitales que entran a un driver controlador para motores a pasos que a su vez también funciona como etapa de potencia. El diseño del controlador difuso se muestra en la sección siguiente. 2.2

Diseño del controlador difuso

El diseño del controlador difuso tipo PD se realizó con el toolbox de Matlab y dos variables de entrada: 1) error y 2) cambio-error. A la salida se tienen dos funciones f(u) requeridas por el driver para la activación del motor. La función activación es una función f(u)= [0,1], su finalidad es activar o desactivar el motor, la función dirección es una función f(u) = [0,1], su finalidad es realizar el cambio del giro del motor. Estos valores se definieron de esta manera ya que el driver para el control de los motores funciona con valores digitales 0 y +1.

Figura 2. Diseño del controlador difuso tipo PD. 2.3

Universo de discurso

En las figura 3a y 3b se muestran las función de membresía, para ambas variables de entrada, el universo de discurso se define de [-360, 360]. Las variables lingüísticas asignadas a la variables error y cambio-error son: 1) error-negativo, 2) error-cero y 3) error positivo; las variables lingüísticas 1) y 3) ambas son funciones trapezoidales con máximo en +4 y -4 y cierre en +360 y -360 respectivamente, error-cero es una función triangular con valor máximo en cero y cierre en ± 4; se definen de la siguiente forma:

F(x) =

1, si x-4 1, si x4 (-1/4)x-1, si -4 x 0 (1/4)x, si -4 x 0 (-1/4)x+1, si 0 x 4 (1/4)x, si 0 x 4

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(1)

a)

b)

Figura 3. Universo de discurso para la variable lingüística: a) error y b) cambio-error El diseño de la inferencia o reglas “IF – THEN” del controlador se separan en tres secciones. La primera corresponde al error negativo o cuando la retroalimentación se encuentra por arriba de la referencia, la salida correspondiente debido a este error es la activación del motor y dirección en sentido contrario. La segunda corresponde al error en cero o cuando la referencia es igual a la retroalimentación, la salida correspondiente es activación cero, es decir “paro del motor”, al estar activada esta salida la siguiente variable de salida no se considera su valor ya que el motor se encuentra en “paro total”. La última sección corresponde al error positivo o cuando la retroalimentación se encuentra por debajo de la referencia, la salida debido a esto es la activación del motor con dirección hacia el lado contrario correspondiente. 2.4

Simulación

La simulación se realizó en Simulink de Matlab. En la figura 5 se muestra el modelo de planta de un motor a pasos para la simulación del controlador .

Figura 5. Esquema desarrollado para la simulación en Simulink . El tiempo de simulación máximo fue 0.5 segundos y los valores utilizados en el motor se muestran en la tabla 1.

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Tabla 1. Características del motor en la simulación Elementos Inductancia de los devanados [H] Inductancia resistiva [Ω] Paso por ángulo [º] Flujo máximo [A] Inercia de arranque [N.m] Inercia Total [Kg.m2] Fricción total [µN] 2.5

Valores 7.5x10-3 8.3 7x10-1 5x10-3 2x10-3 2x10-8 1x10-7000

Sistema embebido

El sistema embebido para el sistema de orientación difuso tipo PD, utiliza la tarjeta controladora TIVA C Launch Pad®. Se desarrolló un programa en C para el control, este lee los pines para la comunicación con los sensores que a su vez capturan datos de la dirección del viento, se procesan y se envía de forma digital a los actuadores. En la figura 6 muestran las conexiones utilizadas para accionar el motor a pasos. La tarjeta TIVA (1) se conecta al driver (2), finalmente la salida del driver conecta con el motor (3).

3 2 1 Figura 6. Esquema de conexiones. 1) TIVA, 2) Easy Driver, 3) Motor a pasos

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RESULTADOS Para validar el controlador se simuló a diferentes ángulos de entrada: - 5° con el motor en un valor inicial de 0° y - 0° y con el motor en un valor inicial de 5°. 6

Los resultados obtenidos se muestran en la figura 6 y 7. En la figura 6 se muestra en (a) la respuesta de la variable error para una entrada de 5° con el motor en una posición de referencia en 0°, en (b) se muestra la salida del motor con el ángulo alcanzado con respecto a la dirección del viento. El eje Y en ambos casos corresponde al ángulo del 5

error

a)

eje Y [º]

0 5

ángulo del motor

b) 0 0

0.02

eje

X

[s] motor y el eje X al tiempo en segundos alcanzado. Figura 6. Resultado para una entrada de 5° con el motor en 0° En la figura 7 se muestra en (a) la respuesta de la variable error para una entrada de 5° con el motor en posición de referencia de 0°, en (b) se muestra la salida del motor con el ángulo alcanzado con respecto a la dirección del viento. El ejes Y en ambos casos corresponde al ángulo del motor y el eje X al tiempo en segundos alcanzado. 0

a)

0

0.02

error 0.04

eje Y [º]

-5 5

ángulo del motor b) 0 0

0.02

eje X [s] Figure 7. Resultados para una entrada de 0° con motor en 5°

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CONCLUSIONES En este trabajo se desarrolló un sistema difuso tipo PD para el control de orientación de una lanzada de micro-UAV de ala fija, se utilizaron motores a pasos. El control difuso se validó en una primera etapa, a través de simulaciones. Los requerimientos para el control se adaptaron en una tarjeta TIVA C Launch Pad® y un driver controlador, que funciona como etapa de potencia. La tarjeta controladora excede las demandas mínimas requeridas de 50 microsegundos de reloj interno; para la validación del driver se utilizaron diferentes motores a pasos arrojando los mismos resultados de posición. Los resultados de las figuras 6 y 7 muestran que el controlador difuso sintonizó correctamente las entradas y que su sobrepaso máximo debido al error en estado estable fue de 0.1°. REFERENCIAS [1] Francis J., Launch System for Unmanned Aerial Vehicles for use on RAN Patrol Boats. Ph. D., Defence Force Academy, University of New South Wales., Sydney Australia, 2010. [2] Santamaría L, Kemper N, Velasco G, Rentería F, Ochoa L. Desarrollo de un sistema difuso aplicado al despegue de micro-UAV. Congreso de Instrumentación SOMI XXIX, Puerto Vallarta, Jalisco, México, Octubre 2014. [3] Santamaría L. Desarrollo de un sistema difuso aplicado al despegue de micro-UAV. Lic. Ing. Tesis, Universidad Nacional Autónoma de México, México D.F, Mayo 2014. [4] Santamaría L, Kemper N, Velasco G, Ochoa L. Sistema difuso para la gestión de lanzamiento de micro-UAV de ala fija. 2do Simposio Mexicano en Vehículos Aéreos no Tripulados, Veracruz, Ver, Septiembre 2014. [5] Liyi L, Junjie H, Hongxing W, Peng L, Xiaopeng L. Section Crossing Drive with Fuzzy-PI Controller for the Long Stroke Electromagnetic Launcher. Electromagntic Launch Technology IEEE, 2008, 1-5 [6] Betin F, Pinchon D, Capolino G. Fuzzy Logic Applied to Speed Controlof a Stepping Motor Drive, IEEE Transactions on Industrial Electronics, June 2002; 47: 3, 610-622. [7] Barman K, Konwar P, Das G. Design of a PD like Fuzzy Logic Controller for Precise Positioning of a Stepper Motor. ADBU Journal of Engineering technology, India, 2014; 1:0011407, 1-4. [8] Castillo J, Caicedo E. Métodología para la implementación de sistema de inferencia difuso tipo sugeno en sistemas embebido. http://es.scribd.com/doc/99518771 [9] Microstepping Driver with Translator, A3967. Specialized information services: Datasheet: Available at: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Robotics/A3967Datasheet.pdf (Accessed on: February, 2015) 8

[10] Matlab/Simulink, User’s Manual, Mathworks 2015. Specialized information services: toolbox of fuzzy logic and stepper motor. Available at: http://cn.mathworks.com/help/pdf_doc/fuzzy/fuzzy.pdf (Accessed on: February-March, 2015)

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