Control de un vehículo aéreo no tripulado Proyecto de fin de curso de Sistemas Informáticos 2008-2009 Buenas tardes, me llamo Jesús Ismael López y con mis compañeros Daniel Garijo Verdejo e Isaac Pérez Estrada expondremos el proyecto de control de un vehículo aéreo no tripulado, también conocido como UAV, realizado durante el curso 2008 – 2009 en la facultad de informática de la UCM y supervisado por Don José Jaime Ruz Ortiz y con la colaboración de los compañeros del proyecto de localización que acaban de presenciar, dirigido por Jose Antonio López Orozco. El proyecto esta realizado sobre la plataforma de Microsoft .NET, y utiliza un motor gráfico gratuito, el TrueVision3D. Daniel Garijo Verdejo Jesús Ismael López Pérez Isaac Pérez Estrada Fecha: Junio 2009

Control manual un vehículo aéreo Controlador Localizador Emisora Antes de comenzar, aquí podemos ver como es la forma manual de controlar un helicóptero. La persona que lo controla, envía las ordenes a través de la emisora, y puede ver como reacciona el helicóptero, a cada momento conoce la posición del helicóptero, y puede dirigirlo hacia la posición deseada. Se puede entender esto como dos acciones diferentes, identificar la posición del helicóptero, y controlar el desplazamiento.

Objetivo: control de un vehículo aéreo Control automático a través del ordenador, sustituyendo un controlador humano Sistema que funciona de forma autónoma una vez iniciado El objetivo es desarrollar una aplicación que sustituya el controlador humano. El controlador estará conectado a la emisora del helicóptero, a puerto de “Trainer de esta y al puerto RS-232 del ordenador, e intentara sustituir los mandos de la emisora. La aplicación deberá conocer el punto hacia el que quiere dirigir el vehículo, lo que llamamos el setPoint, y también el error que tiene el helicóptero en la posición actual con respecto al setPoint. En caso de no disponer del error, bastaría con conocer la poscion del Uav en el momento, el controlador esta preparado para calcular el error. De cualquiera de estas formas podrá calcular que acción debe llevar a cabo para dirigirse al objetivo.

Movimiento del sistema real: Ejes del vehículo Eje X (Avance) Eje Z (Lateral) Eje Y (Altura) Es importante aclarar algunos conceptos clave, como son los ejes de movimiento del vehículo, los que controlamos mediante la emisora. Un helicóptero radio control tiene 6 grados de libertad, que serán los desplazamientos sobre los ejes X, Y, Z y la rotación sobre ellos, aunque en este caso el helicóptero esta programado para hacer vuelo XY, o lo que es lo mismo, vuelo horizontal, con lo que no controlaremos el Roll ni el Pitch. El controlador se podrá aplicar a cualquier vehículo diseñado para vuelo XY El Alabeo(roll) es la inclinación alrededor del eje longitudinal del helicóptero y con el cual se consigue un desplazamiento lateral El Pitch(cabeceo) es la inclinación del morro del helicóptero, (el eje ala-ala), y sirve para desplazarse en la dirección hacia la que esta orientado el helicóptero El Yaw(Guiñada) es el movimiento del avión respecto del eje vertical que atravesaría el centro de gravedad de la nave. Yaw

Cuestiones clave para el desarrollo del controlador Espacio de vuelo Conexión con el controlador Entorno seguro de pruebas Simulador Controladores PID Diseño de un controlador PID Esquema de conexión Entorno de pruebas Desarrollo del controlador Controlador Fases del desarrollo: Implementación de un algoritmo que simula la dinámica del helicóptero Diseño e implementación de los controladores PIDs Sintonizar le sistema real Desarrollo de un entorno de simulación 3D en el que es posible estudiar y depurar diferentes algoritmos de guiado de helicópteros Diseño sobre simulador de un algoritmo de seguimiento de un contorno dibujado sobre el suelo Antes de comenzar con el control, les dejo con mi compañero Daniel que explicara el simulador Sigue-líneas en simulador Aplicaciones del sistema Aplicación

Cuestiones clave para el desarrollo del controlador Espacio de vuelo Conexión con el controlador Entorno seguro de pruebas Simulador Controladores PID Diseño de un controlador PID Esquema de conexión Entorno de pruebas Desarrollo del controlador Controlador En primer lugar vamos a hablar del simulador. Se trata de una herramienta desarrollada para dar fiabilidad al controlador y para probarlo antes de comenzar las pruebas con el sistema real. Se ha diseñado e implementado 3 D para ver las pruebas y los resultados del control antes de probarlas en el sistema real, es en tiempo real y se está construido gracias al motor gráfico gratuito TrueVision. Además permite grabar los vuelos que hagamos para reproducirlos posteriormente por si queremos ver errores. Sigue-líneas en simulador Aplicaciones del sistema Aplicación

Simulador: Espacio de vuelo Es una herramienta cuyo objetivo es simular las características de un helicóptero en un entorno 3D y visualizar los resultados en cada momento Espacio de vuelo configurable de 500x500 pixeles El uav ser controlado por el usuario de 2 maneras: -a través del usuario, bien mediante el teclado -A través de la emisora, enchufándola a nuestro PC por el puerto rs232. El simulador se encargará en cada caso de tratar la información y representarla para que veamos los resultados. Además permite grabar las pruebas realizadas, por si queremos ver los vuelos que hemos realizado posteriormente ( ya sea para ver fallos, corregirlos, etc)

Esquema de conexión Red Visualizador 3D Parámetros Modelo dinámico Modulo E/S Controlador PID Red Software simulador Software controlador La otra manera de controlar el helicóptero es conectando a través de la red el simulador con el controlador. El simulador envía al controlador el error respecto a la posición que debería ocupar el helicóptero, y el controlador le envía las señales de control para llegar a la posición destino. Se utiliza el protocolo UDP, (User Datagram Protocol), que es un protocolo sin confirmación orientado a conexión. Se ha elegido este protocolo respecto a otros por la velocidad : no nos importa que se pierda algún paquete mientras que recibamos la información suficiente para realizar el control.

Cuestiones clave para el desarrollo del controlador Espacio de vuelo Conexión con el controlador Entorno seguro de pruebas Simulador Controladores PID Diseño de un controlador PID Esquema de conexión Entorno de pruebas Desarrollo del controlador Controlador A continuación mi compañero Isaac explicará los apartados clave del controlador Sigue-líneas en simulador Aplicaciones del sistema Aplicación

Solución de control digital que garantiza buenos resultados Control PID Solución de control digital que garantiza buenos resultados Algoritmo sencillo y muy potente Adecuado para sistemas con movimiento dinámico en el espacio Perfecto para controlar un helicóptero o cualquier vehículo volador ¿Qué es un PID? Como todos sabemos, controlar algo que reacciona de forma muy rápida a nuestras acciones es algo complicado. El proceso que se sigue, es decir, el proceso de control, consiste en aplicar cierta acción, y posteriormente, y en base al resultado obtenido, aplicar de nuevo una acción corregida. ¿Qué sucedería si la acción en base a la observación fuese mucho más rápida y precisa?¿y si fuese incluso automática? Es más, ¿Qué pensaríais si fuese capaz de predecir las reacciones futuras? Éste es el objetivo de un controlador PID, el de sustituir un control humano por uno automático, a la vez que más rápido y preciso. SOLUCIÓN DE CONTROL

Diseño de un controlador PID ¿Cómo funciona un controlador PID? El principio básico de un controlador es el de basarse en la diferencia entre el resultado deseado y el resultado obtenido mediante una realimentación de la salida. Así pues, el controlador PID recibe el error entre el resultado deseado y el resultado actual, y genera una salida que, aplicada al sistema, resultará en un nuevo error que entrará de nuevo al PID, pero menor que el anterior. El controlador PID es uno de los muchos tipos de controlador, y es el que hemos elegido puesto que tiene muy buen comportamiento en dinámicas de movimiento tales como la dinámica del helicóptero. Como sus siglas indican, se basa en tres componentes, P: Control proporcional, I: Control integral y D: Control derivativo. El control proporcional se encargará de generar una salida solamente en función del error que existe actualmente. El control integral será el encargado de corregir un posible error acumulado a lo largo de todo el proceso, como por ejemplo, que la salida obtenida no alcance nunca el nivel de la deseada; esto es posible gracias al cálculo de la integral del error a lo largo del tiempo. Por último, el derivativo, se encargará de predecir la siguiente salida del sistema y actuar en consecuencia; por ejemplo, gracias a la derivada del error, es capaz de saber que si le aplico cierta entrada, puedo sobrepasar en mucho el efecto deseado, por lo que hará que se aplique un valor menor al estimado anteriormente. La salida del controlador será la suma de las tres anteriores. Proporcional: error Integral: error acumulado Derivativo: diferencia de error

Esquema de conexión Controlador (PID) trazas Visualizador (Gráficas salida) ¿Cómo queda el sistema en global resultante? En el siguiente esquema se aprecia cómo, a través de las cámaras, se calcula el error de la posición del uav respecto a la posición deseada, ésta actúa como entrada en los 4 controladores PID encargados de cada eje del UAV; y éste escribe en la emisora el valor de control necesario para controlar el UAV. También poseemos un sistema de trazas que se encargará de registrar en un fichero, la entrada (error) y la salida (control) de los controladores PID. Cálculo del error

Movimiento del sistema real: Entorno de pruebas En el entorno de pruebas el UAV se posiciona sobre un plano fijo con coordenadas x, y, z, en el que la posición de las cámaras es la de la figura. El error lo envía el sistema de visión en función de la diferencia de posición respecto al punto inicial. Éste valor se envía de forma hexadecimal, siendo 7F el valor de error 0, por encima de 7F error positivo y por debajo error negativo. Los controles de altura y de rotación se aplican directamente a partir del error de éstos, y corrigen sin necesidad de ningún valor adicional. Sin embargo, el control en alabeo y cabeceo dependen uno del otro, y, a su vez, del ángulo de guiñada. X

Cuestiones clave para el desarrollo del controlador Espacio de vuelo Conexión con el controlador Entorno seguro de pruebas Simulador Controladores PID Diseño de un controlador PID Esquema de conexión Entorno de pruebas Desarrollo del controlador Controlador Bueno, ¿qué aplicaciones tiene nuestro proyecto en la vida real? Os dejo con mi compañero Daniel que os contará algunas de las más interesantes. Sigue-líneas en simulador Aplicaciones del sistema Aplicación

Aplicación : Sigue líneas Objetivo: Aplicación directa de un UAV (Vehículo aéreo no tripulado) controlado Seguimiento de contornos Tratamiento de la imagen en tiempo real No solo nos hemos limitado a estabilizar el vehículo, sino que además hemos buscado una aplicación real en la que tuviera un uso significativo : detectado de manchas o vertidos en el mar. 2 Fases: búsqueda de la línea y seguimiento de la línea: Si el helicóptero no encuentra ninguna referencia, se moverá en espiral hasta que encuentre un borde que seguir, para recorrer un área mayor.(Búsqueda) Para ello se realiza un tratamiento de la imagen en tiempo real : en primer lugar se realiza una foto de lo que está viendo el helicóptero, se binariza (es decir, se pone en blanco y negro), y se buscan los bordes. Se aproxima por mínimos cuadrados la nube de puntos resultante y por último se calcula la recta que determinará hacia dónde nos dirigimos.(Seguimiento) En el video podemos ver cómo el helicóptero sigue el contorno de la mancha que aparece en el suelo

Conclusiones Resultados de las pruebas en el simulador Hemos hecho una extensa batería de pruebas en el simulador ( unas 57), y aunque muchas de ellas han sido para calibrar el helicóptero a las condiciones virtuales, hemos conseguido un control absoluto del helicóptero, (estaría bien ver prueba). En cuanto a las pruebas en el sistema real, aunque no disponemos de un vídeo actualmente en el que se pueda observar nada, han sido satisfactorias. Hemos conseguido que el helicóptero sea controlado sobre todo en yaw y altura, pero el resultado obtenido no es extrapolable a todos los entornos porque las pruebas se han realizado en un lugar cerrado. Se mantiene estable en un punto y si cambiamos a otro punto cercano se mantiene la estabilidad. Ha de ser lento para mantener el equilibrio Quedan cosas por hacer: que el uav se mueva, etc.

Resultados de las pruebas en el sistema real Conclusiones Resultados de las pruebas en el sistema real Algoritmo de búsqueda y reconocimiento de imagen: SIGUELINEAS Trabajo futuro: quedan cosas por hacer. Hemos hecho una extensa batería de pruebas en el simulador ( unas 57), y aunque muchas de ellas han sido para calibrar el helicóptero a las condiciones virtuales, hemos conseguido un control absoluto del helicóptero, (estaría bien ver prueba). En cuanto a las pruebas en el sistema real, aunque no disponemos de un vídeo actualmente en el que se pueda observar nada, han sido satisfactorias. Hemos conseguido que el helicóptero sea controlado sobre todo en yaw y altura, pero el resultado obtenido no es extrapolable a todos los entornos porque las pruebas se han realizado en un lugar cerrado. Se mantiene estable en un punto y si cambiamos a otro punto cercano se mantiene la estabilidad. Ha de ser lento para mantener el equilibrio Quedan cosas por hacer: que el uav se mueva, etc.

Gracias por su atención ¿Alguna pregunta?