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Sistema de telemetría y control de un barco autónomo

De
94 pages

Los vehículos autónomos tienen más relevancia cada día. Son especialmente interesantes en misiones que presentan peligro para las personas. Tareas sistemáticas como el reconocimiento y escaneo de áreas son idóneas para este tipo de vehículos. Distintos tipos de vehículos autónomos se utilizan según las tareas a las que se destinen. Vehículos aéreos (UAV), vehículos submarinos, o vehículos marinos de superficie (AMSV). Las aplicaciones para barcos autónomos son muchas, ejemplos de actualidad incluyen el desminado, la limpieza de vertidos, la exploración de catástrofes, la búsqueda de cajas negras, ... Este proyecto desarrolla una versión funcional de un barco autónomo y el sistema de telemetría para monitorizarlo.
Ingeniería en Informática
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Universidad Carlos III de Madrid
Escuela Politécnica Superior
Proyecto Fin de Carrera
Sistema de telemetría y control de un barco autónomo
Autor: Fernando J. Pereda
Director: Jose María Girón Sierra Universidad Complutense de Madrid
Tutor: Jesús García Herrero Universidad Carlos III de Madrid
Julio de 2010
Índice
general
1. Introducción y motivación
2. Descripción del barco y del hardware
3. Diseño Software 3.1. Comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Software de a bordo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. Estación de tierra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1.Logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .de datos 3.3.2. Visualización de datos en tiempo real . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Sistema de telemetría y control remoto . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4. Módulo de análisis de experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.
5.
Dinámica del sistema y control 4.1. Dinámica del barco . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Filtrado de señales . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Control de lazo cerrado y controladores 4.3.2. Control de rumbo . . . . . . . . . . . . 4.3.3. Control de velocidad . . . . . . . . . . 4.3.4. ControlIr a un punto. . . . . . . . . 4.4. Cooperación –seguir a otro. . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Experimentos y análisis de resultados 5.1. Primeras pruebas de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Experimentos iniciales – calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Experimentos de control – rumbo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Experimentos de control – velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Experimentos de control – reajuste control de rumbo . . . . . . . . . . . 5.6. Experimentos de control – modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Experimentos de control – waypoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.8. Experimentos de trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9. Experimentos de coordinación – seguidor . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Conclusiones y trabajos futuros
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3
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25 25 26 27 28 30 31 33
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48 50 59 61 68
71
7.
Gestión de proyecto 7.1. Planificación . . . 7.2. Presupuesto . . .
A. Acrónimos
Glosario
Bibliografía
y
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definiciones
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83
85
Índice de
2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.
3.1. 3.2. 3.3.
3.4.
figuras
Casco del barco de radio control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dos copias de la electrónica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resumen de componentes e interfaces de la electrónica de navegación. . . Despliegue de los sistemas del barco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Enlace radio en la estación de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Joystick de la estación de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagrama de clases de la estación de tierra. . . . . . . . . . . . . . . . . . La estación de tierra mostrando datos GPS usandoGPSTextVisualizer. TimeGraph mostrando la gráfica en tiempo real de tres funciones trigono-métricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Controlador remoto de un barco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Modelo del barco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Datos reales del rumbo del barco sin filtro. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Datos del rumbo una vez filtrados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Controlador en lazo cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Controlador en lazo cerrado para el control de rumbo. . . . . . . . . . . . 4.6. Controlador en lazo cerrado para el control de velocidad. . . . . . . . . . 4.7. Señales reales del sensor de presión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8. Aceleración lineal frente a una entrada escalón. . . . . . . . . . . . . . . . 4.9. Sistemas de referencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10. Cálculo del rumbo en el sistema de coordenadas East-North-Up (ENU). .
5.1. Estanques del parque Tierno Galván. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Campo experimental. Posición(40.385304,3.683907) . . . . . . . . .. . 5.3. Modulo para interactuar con el sistema de control de rumbo del barco. . 5.4. Trayectorias medidas con el receptor Global Positioning System (GPS). . 5.5. Rumbo del barco cuando se le fuerza a hacer cuadrados. . . . . . . . . . 5.6. Señales del pitot durante los experimentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Modulo para interactuar con el sistema de control de velocidad del barco. 5.8. Efecto del control sobre la velocidad local longitudinal. . . . . . . . . . . 5.9. Respuesta del control de rumbo y velocidad frente a distintas entradas escalón en rumbo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10. Observación detallada de las oscilaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11. Funciónatanen el rango[π, π]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Modulo para enviar señales al motor o al timón. . . . . . . . . . . . . . . 5.13. Ajuste lineal de la fuerza de empuje. Coeficiente de correlación = 0.9942.
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40 40 43 44 45 46 47 48
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5.14. Señales del pitot durante los experimentos para medirvestabiliza. . . . . . 5.15. Ajuste lineal de los valores a los que se estabiliza la velocidad. Coeficiente de correlación = 0.9898. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.16. Ajuste lineal deµt(v). Coeficiente de correlación de 0.9743. . . . . . . . . 5.17. Velocidad durante uno de los experimentos. . . . . . . . . . . . . . . . . 5.18. Comparación de la simulación con los datos reales. . . . . . . . . . . . . . 5.19. Modulo para interactuar con el sistema de controlir a un punto. . . . . . 5.20. Escenario experimental para el controlir a un punto. . . . . . . . . . . 5.21. El barco con controlir a un punto. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.22. Escenarios de trayectoria planteados. Simulan maniobras reales. . . . . . 5.23. Modulo para interactuar con el sistema de control de trayectorias. . . . . 5.24. El barco siguiendo la trayectoria planteada en 5.22a. . . . . . . . . . . . 5.25. El barco siguiendo la trayectoria planteada en 5.22b. . . . . . . . . . . . 5.26. Comparación de las trayectorias 5.25a (amarillo) y 5.25b (rojo). . . . . . 5.27. Rendimiento del control de rumbo durante el experimento de la figura 5.25b. 5.28. Resultados de la simulación. Las figuras muestran los distintos aspectos que se pueden simular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.29. Modulo para interactuar con el comportamientoseguidor. . . . . . . . . . 5.30. Experimentos de seguidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1. Planificación de la tarea de comunicaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Planificación de la tarea del sistema de telemetría. . . . . . . . . . . . . . 7.3. Planificación de la tarea del sistema de control. . . . . . . . . . . . . . .
6
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67 68 69
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Índice
2.1.
5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8.
7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.
de
tablas
Componentes de la
electrónica
del barco. . . . .
. . . . .
Tabla de calibración de la brújula. . . . . . . . . . . . . . Tabla de calibración del sensor de presión. . . . . . . . . Ajuste de las constantes de control de rumbo. . . . . . . Ajuste de las constantes de control de rumbo. . . . . . . Valores de empuje del motor. . . . . . . . . . . . . . . . Valores de velocidad a la que se estabiliza el barco. . . . Valores deµten función devestabiliza. . . . . . . . . . . . Descripción estadística del error en el control de rumbo. .
Costes de personal. . . . . . . . . . . Costes del barco. . . . . . . . . . . . Costes del hardware. . . . . . . . . . Costes de la estación de tierra. . . . . Resumen del presupuesto . . . . . . .
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Resumen
Los vehículos autónomos tienen más relevancia cada día. Son especialmente interesantes en misiones que presentan peligro para las personas. Tareas sistemáticas como el recono-cimiento y escaneo de áreas son idóneas para este tipo de vehículos. Distintos tipos de vehículos autónomos se utilizan según las tareas a las que se destinen. Vehículos aéreos (UAV), vehículos submarinos, o vehículos marinos de superficie (AMSV). Las aplicaciones para barcos autónomos son muchas, ejemplos de actualidad incluyen el desminado, la limpieza de vertidos, la exploración de catástrofes, la búsqueda de cajas negras, ... Este proyecto desarrolla una versión funcional de un barco autónomo y el sistema de telemetría para monitorizarlo.
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