Trabajo Fin de Grado Ingeniera Aeroespacial DISEO Y

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 1

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introducción Simulador de vuelo Flight. Gear Interfaz Flight. Gear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 2

1. Introducción. Ensayos no destructivos Abaratar costes Validación fiable y dinámica Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 3

La idea nace de la necesidad de hacer prácticas más realistas. Interfaz Matlab©Simulador de vuelo. - Interfaz de Conexión dinámica - Plataforma para ensayos - Plataforma de validación Simulador de vuelo. - Modelos fiables y realistas - Abaratar costes. - Ensayos no destructivos Matlab© - Plataforma modelado eficaz - Diseño y validación de controladores - Tratamiento de datos experimentales Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 4

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introducción Simulador de vuelo Flight. Gear Interfaz Flight. Gear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 5

2. Simulador de vuelo Flight. Gear 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 6

2. 2 Aeronave Cessna 172 p Modelo dinámico de vuelo: Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 7

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3. Interfaz Flight. Gear-Matlab Conexión WEB SERVER leer_html. m URL write_html. m “Property Tree” UDP Send Input_protocol. xml UDP receive Output_protocol. xml Conexión UDP Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 9

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introducción Simulador de vuelo Flight. Gear Interfaz Flight. Gear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 10

4. Modelado 4. 1. Punto de equilibrio Monomotores de hélice Punto de equilibrio experimental Interfaz Matlab. Flight. Gear Init_conditions. xml Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés “Tutorial” 11

4. 2. Modelado teórico. - 15 Ecuaciones Diferenciales Modelo no lineal - Aproximación de coeficientes aerodinámicos por polinomios. Linealización Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés - Derivadas parciales - Aproximación por Taylor. - Espacio de estados 12

4. 3 Modelado experimental Entradas escalón Intercambio de datos Alerones Elevador Timón cola Interfaz Matlab©Flight. Gear Salidas: Ángulos de Euler Alabeo Cabeceo Guiñada IMPORTANTE: Obtenemos las entradas y salidas en función del tiempo Objetivo Encontrar las funciones de transferencia (Linealizar experimentalmente) Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 13

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 14

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 15

Ejemplo de resultado: K G(s)= τ. s+1 K y τ son posibles soluciones Solución: G(s)= 2701 49. 62 s+1 ¡En sólo 20 iteraciones! Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 16

4. 4 Plataforma de validación del modelado. Interfaz Flight. Gear. 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 17

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introducción Simulador de vuelo Flight. Gear Interfaz Flight. Gear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 18

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 19

5. 1 Controlador del rumbo con los alerones Especificación Valor Error de posición 0 Tiempo de establecimiento 60 segundos Sobreoscilación <4. 3% Controlador PD: Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 20

5. 2 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 21

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Introducción Simulador de vuelo Flight. Gear Interfaz Flight. Gear-Matlab Modelado Diseño y validación de controladores Aplicación al piloto automático Presupuesto Conclusiones Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 22

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 23

Validación piloto automático – Paso por 3 waypoints Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 24

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7. Presupuesto Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 26

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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 28

Gracias por su atención Trabajo Final de Grado Pablo Brusola Fernández-Portolés 29