UAS planning and trajectory generation for safe and long-duration oceanic and coastal missions

  1. Rodríguez Salazar, Leopoldo
Dirigida por:
  1. José-Antonio Cobano-Suárez Director
  2. Aníbal Ollero Baturone Director/a

Universidad de defensa: Universidad de Sevilla

Fecha de defensa: 16 de julio de 2018

Tribunal:
  1. José Guillermo Heredia Benot Presidente/a
  2. Angel Rodríguez Castaño Secretario/a
  3. João Sousa Vocal
  4. Juan Antonio Pascual Vocal
  5. Luis Antidio Viguria Jiménez Vocal

Tipo: Tesis

Teseo: 559313 DIALNET lock_openIdus editor

Resumen

La presente tesis doctoral, muestra el diseño de un sistema para la extensión de la duración de vuelo de sistemas autónomos no tripulados de tamaño pequeño. Este sistema fue diseñado en el contexto de misiones de vigilancia marítima y costera como parte del proyecto europeo MarineUAS. En este contexto, se han identificado tres problemas: 1) la necesidad de la estimación precisa de un campo de viento y la capacidad de identificación de fenómenos como el viento cortante o las ráfagas continuas y discretas para que puedan ser utilizadas potencialmente para la extracción de energía para mejorar la duración de vuelo. 2) La necesidad de generar trayectorias suaves para la extracción de energía considerando la dinámica de las plataformas de vuelo y 3) la habilidad de seguir dichas trayectorias. Para el primer problema, el uso de un método de computación directa permite determinar el campo de viento (velocidad y tasa de cambio de la velocidad de viento) sin la utilización de un estimador óptimo. Sin embargo, también se consideraron varios métodos y a partir de un análisis extenso se presentan diferentes comparativas de estos métodos, en el que se muestran las ventajas y desventajas de los mismos. Adicionalmente, la identificación de distintos fenómenos de viento, cómo las ráfagas, o el viento cortante, se logra a través de un innovador método que ejecuta una serie de pruebas estadísticas basadas en la distribución de Weibull y en distintos modelos dinámicos que consideran no solo la distribución del viento sino la interacción con el océano y la superficie en las respectivas capas límite. Para el segundo problema, una aproximación biomimética permitió el uso de un algoritmo complejo para la réplica de trajectorias de vuelo dinámico de aves. En dicho algoritmo se consideran observaciones presentadas por distintos científicos que permiten generar trayectorias paramétricas que consideran además restricciones cinemáticas de la plataforma en el diseño de las mismas. El tercer problema toma en consideración la curva generada y utiliza la teoría del campo de vectores para diseñar un controlador que permite seguir dicha trayectoria de manera eficiente y en tiempo real, respetando las leyes de control de bajo nivel en el autopiloto y permitiendo flexibilidad. Como complemento a este último sistema, se propone la reconfiguración dinámica de las misiones para mejorar el consumo energético durante el tiempo de vuelo considerando el viento predominante. Uno de los principales objectivos fue integrar, utilizando la metodología de ingeniería de sistemas, las distintias funciones anteriormente mencionadas en el que la ejecución de la misión fuese la prioridad. El principal logro fue haber realizado una extensa campaña experimental que permitió la validación del sistema en diferentes niveles, en el que se combinaron pruebas computacionales de alto y bajo nivel así como pruebas de campo en distintos escenarios y con distintas plataformas, lo cual permitió explorar la versatilidad del sistema. Los resultados muestran que se pueden lograr misiones más eficientes con mejoras de hasta un 20%en consumo de batería para misiones costeras. Finalmente, de los distintos análisis computacionales efectuados se concluye que el tiempo de ejecución de toda la función de extensión del vuelo es lo suficientemente pequeño para permitir la ejecución en tiempo real, lo cual, combinando con el diseño versátil en cuestión de arquitectura computacional, permiten la portabilidad del sistema así como la futura integración de funciones adicionales.