Un Estudio Comparativo entre NMPC y Controladores de Retroalimentación de Referencia para el Seguimiento de Trayectorias de UAV
Autores: Guevara, Bryan S.; Recalde, Luis F.; Varela-Aldás, José; Andaluz, Victor H.; Gandolfo, Daniel C.; Toibero, Juan M.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Un Estudio Comparativo entre NMPC y Controladores de Retroalimentación de Referencia para el Seguimiento de Trayectorias de UAV
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Transporte
Rescate
Búsqueda
Vigilancia
Ayuda en desastres
Vehículos aéreos no tripulados
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Las tareas de transporte, rescate, búsqueda, vigilancia y ayuda en desastres son algunas de las aplicaciones que se pueden desarrollar con vehículos aéreos no tripulados (VANT), donde el seguimiento preciso de trayectorias es una propiedad crucial para operar en un entorno desordenado o bajo incertidumbres. Sin embargo, esto es un desafío debido a la alta dinámica no lineal, las restricciones del sistema y las incertidumbres presentes en entornos desordenados. Por lo tanto, las incertidumbres en forma de dinámicas no modeladas, efectos aerodinámicos y perturbaciones externas como el viento pueden producir esquemas de control de retroalimentación inestables, introduciendo errores significativos en el seguimiento posicional. Este trabajo presenta un estudio comparativo detallado entre controladores como el control predictivo no lineal (NMPC) y controladores de retroalimentación de referencia no predictivos, con especial atención a la precisión del seguimiento y la eficiencia computacional. El desarrollo de los esquemas de controladores de retroalimentación no predictivos se dividió en cinemática diferencial inversa y compensación dinámica inversa del vehículo aéreo. El diseño de los dos controladores utiliza el modelo matemático del VANT y la teoría de control no lineal, garantizando un bajo costo computacional y un algoritmo asintóticamente estable. La formulación del NMPC se desarrolló considerando las restricciones del sistema, donde se incluyó el modelo dinámico simplificado; además, los límites en las acciones de control y una función de Lyapunov candidata garantizan la estabilidad de la estructura de control. Finalmente, este trabajo utiliza el simulador comercial de la marca DJI y el VANT DJI Matrice 100 en experimentos del mundo real, donde el NMPC muestra una reducción en el error de seguimiento, indicando las ventajas de esta formulación.
Descripción
Las tareas de transporte, rescate, búsqueda, vigilancia y ayuda en desastres son algunas de las aplicaciones que se pueden desarrollar con vehículos aéreos no tripulados (VANT), donde el seguimiento preciso de trayectorias es una propiedad crucial para operar en un entorno desordenado o bajo incertidumbres. Sin embargo, esto es un desafío debido a la alta dinámica no lineal, las restricciones del sistema y las incertidumbres presentes en entornos desordenados. Por lo tanto, las incertidumbres en forma de dinámicas no modeladas, efectos aerodinámicos y perturbaciones externas como el viento pueden producir esquemas de control de retroalimentación inestables, introduciendo errores significativos en el seguimiento posicional. Este trabajo presenta un estudio comparativo detallado entre controladores como el control predictivo no lineal (NMPC) y controladores de retroalimentación de referencia no predictivos, con especial atención a la precisión del seguimiento y la eficiencia computacional. El desarrollo de los esquemas de controladores de retroalimentación no predictivos se dividió en cinemática diferencial inversa y compensación dinámica inversa del vehículo aéreo. El diseño de los dos controladores utiliza el modelo matemático del VANT y la teoría de control no lineal, garantizando un bajo costo computacional y un algoritmo asintóticamente estable. La formulación del NMPC se desarrolló considerando las restricciones del sistema, donde se incluyó el modelo dinámico simplificado; además, los límites en las acciones de control y una función de Lyapunov candidata garantizan la estabilidad de la estructura de control. Finalmente, este trabajo utiliza el simulador comercial de la marca DJI y el VANT DJI Matrice 100 en experimentos del mundo real, donde el NMPC muestra una reducción en el error de seguimiento, indicando las ventajas de esta formulación.