Ingeniería Aeroespacial Trabajo Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial DISEÑO Y VALIDACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL PARA AERONAVES BASADO EN LAS HERRAMIENTAS SOFTWARE FLIGHTGEAR Y MATLAB©. APLICACIÓN AL DISEÑO DE PILOTOS AUTOMÁTICOS Autor: Pablo Brusola Fernández-Portolés Tutor: Xavier Blasco Ferragud Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés Introducción Simulador de vuelo FlightGear Interfaz FlightGear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Ensayos no destructivos 1. Introducción. Ensayos no destructivos Abaratar costes Validación fiable y dinámica Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

La idea nace de la necesidad de hacer prácticas más realistas. Interfaz de Conexión dinámica Plataforma para ensayos Plataforma de validación Interfaz Matlab©-Simulador de vuelo. Modelos fiables y realistas Abaratar costes. Ensayos no destructivos Simulador de vuelo. Plataforma modelado eficaz Diseño y validación de controladores Tratamiento de datos experimentales Matlab© Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Características generales 2. Simulador de vuelo FlightGear Características generales Software de código abierto Extensa base de datos de escenarios del mundo: más de 20 000 aeropuertos reales Propiedades internas expuestas: “Property Tree” Múltiples opciones de conectividad Tres modelos dinámicos de vuelo. Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 2.2 Aeronave Cessna 172p Modelo dinámico de vuelo: Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 3. Interfaz FlightGear-Matlab Conexión WEB SERVER “Property Tree” leer_html.m URL write_html.m UDP Send Input_protocol.xml UDP receive Output_protocol.xml Conexión UDP Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Punto de equilibrio experimental Interfaz Matlab-FlightGear 4. Modelado 4.1. Punto de equilibrio Monomotores de hélice Punto de equilibrio experimental Interfaz Matlab-FlightGear Init_conditions.xml “Tutorial” Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 4.2. Modelado teórico. 15 Ecuaciones Diferenciales Aproximación de coeficientes aerodinámicos por polinomios. Modelo no lineal Derivadas parciales Aproximación por Taylor. Espacio de estados Linealización Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

4.3 Modelado experimental Entradas escalón Intercambio de datos Salidas: Ángulos de Euler Alerones Elevador Timón cola Interfaz Matlab©-FlightGear Alabeo Cabeceo Guiñada IMPORTANTE: Obtenemos las entradas y salidas en función del tiempo Encontrar las funciones de transferencia (Linealizar experimentalmente) Objetivo Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés Ejemplo de respuestas de los ángulos de Euler. Respuesta de alabeo de los alerones Respuesta de guiñada de los elevadores Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés Algoritmos genéticos Encuentra mínimo de la función objetivo Itera con las posibles soluciones. No entra en mínimos locales. Encuentra solución en pocas iteraciones. Parámetros con las posibles soluciones a iterar. Función objetivo Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

K y τ son posibles soluciones Ejemplo de resultado: K G(s)= τ.s+1 K y τ son posibles soluciones Solución: 2701 G(s)= 49.62s+1 ¡En sólo 20 iteraciones! Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 4.4 Plataforma de validación del modelado. Interfaz FlightGear-Matlab© Funciones de transferencia por superposición. Comparación con valores reales Ejemplo del alabeo. Eje X=tiempo en s. Eje Y=alabeo en grados Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 5. Diseño y validación de controladores Matriz del sistema 3 actuadores 3 variables controladas ¿Cómo emparejamos? ¡9 funciones de transferencia! Solución: matriz RGA (Relative Gain Array) Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 5.1 Controlador del rumbo con los alerones Especificación Valor Error de posición Tiempo de establecimiento 60 segundos Sobreoscilación <4.3% Controlador PD: Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 5.2 Validación del controlador. Validación del controlador de forma lineal. Eje X tiempo en Segundos. Eje Y rumbo en grados. IMPORTANTE: No olvidar la saturación Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 6. Aplicación a piloto automático. Referencia del controlador = Rumbo inicial Input Output Posición de la aeronave. Waypoint destino - Rumbo inicial en ruta ortodrómica. Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés Validación piloto automático – Paso por 3 waypoints Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 7. Presupuesto Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

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Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 8. Conclusiones Hay fenómenos difíciles de linealizar y una forma más simple es linealizar experimentalmente. Si no queremos hacer ensayos destructivos de primeras, un simulador de vuelo es perfecto para estos ensayos. En una primera instancia queríamos el uso del simulador para darle realismo en las prácticas, pero vemos que su uso también podría ser industrial Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés

Gracias por su atención Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés