Un vuelo autónomo para pequeños drones utilizando el método de predicción del centro de corrientes térmicas del filtro de Kalman extendido basado en mínimos cuadrados ordinarios
Autores: An, Weigang; Lin, Tianyu; Zhang, Peng
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Un vuelo autónomo para pequeños drones utilizando el método de predicción del centro de corrientes térmicas del filtro de Kalman extendido basado en mínimos cuadrados ordinarios
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Aves
Planeo autónomo
Drones
EKF
Corrientes térmicas ascendentes
OLS
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Muchas aves en el mundo natural son capaces de participar en un planeo sostenido dentro de corrientes térmicas durante períodos prolongados sin batir sus alas. El planeo autónomo tiene el potencial de mejorar significativamente tanto el alcance como la resistencia de pequeños drones. En este documento, se propone un método de predicción del centro de corrientes térmicas basado en el filtro de Kalman extendido (EKF) y los mínimos cuadrados ordinarios (OLS) para desarrollar el sistema de planeo autónomo para pequeños drones, y se incorpora una estrategia de actualización de tamaño de paso adaptativa en el EKF. El método propuesto se compara con métodos de predicción de corrientes térmicas del EKF a través de experimentos simulados. Los resultados indican que el método de predicción propuesto tiene baja complejidad computacional y rápida velocidad de convergencia, y se desempeña de manera más estable en corrientes térmicas débiles. Las ventajas anteriores provienen de que el OLS proporciona una distribución aproximada de la corriente térmica alrededor del dron para el EKF. Esto otorga al algoritmo EKF una amplia información para actualizar dinámicamente el centro de la corriente térmica en tiempo real. La estrategia de actualización de tamaño de paso adaptativa acelera aún más la velocidad de convergencia de este proceso. Además, se realizaron experimentos de vuelo en la plataforma de dron de ala fija Talon para probar el sistema de planeo autónomo. Durante el experimento de vuelo, el dron participó con éxito en un planeo estático dentro de corrientes térmicas, flotando de manera efectiva y ganando energía. A lo largo de la duración del vuelo de aproximadamente 40 minutos, el dron solo utilizó su propulsión durante unos 8 minutos. Esto demostró la efectividad del sistema de planeo autónomo utilizando el método de predicción del centro de corrientes térmicas del EKF basado en OLS. Finalmente, al analizar y discutir las diferencias entre los resultados de los experimentos de simulación y los resultados de los experimentos de vuelo, se proponen algunas estrategias de mejora para el trabajo actual.
Descripción
Muchas aves en el mundo natural son capaces de participar en un planeo sostenido dentro de corrientes térmicas durante períodos prolongados sin batir sus alas. El planeo autónomo tiene el potencial de mejorar significativamente tanto el alcance como la resistencia de pequeños drones. En este documento, se propone un método de predicción del centro de corrientes térmicas basado en el filtro de Kalman extendido (EKF) y los mínimos cuadrados ordinarios (OLS) para desarrollar el sistema de planeo autónomo para pequeños drones, y se incorpora una estrategia de actualización de tamaño de paso adaptativa en el EKF. El método propuesto se compara con métodos de predicción de corrientes térmicas del EKF a través de experimentos simulados. Los resultados indican que el método de predicción propuesto tiene baja complejidad computacional y rápida velocidad de convergencia, y se desempeña de manera más estable en corrientes térmicas débiles. Las ventajas anteriores provienen de que el OLS proporciona una distribución aproximada de la corriente térmica alrededor del dron para el EKF. Esto otorga al algoritmo EKF una amplia información para actualizar dinámicamente el centro de la corriente térmica en tiempo real. La estrategia de actualización de tamaño de paso adaptativa acelera aún más la velocidad de convergencia de este proceso. Además, se realizaron experimentos de vuelo en la plataforma de dron de ala fija Talon para probar el sistema de planeo autónomo. Durante el experimento de vuelo, el dron participó con éxito en un planeo estático dentro de corrientes térmicas, flotando de manera efectiva y ganando energía. A lo largo de la duración del vuelo de aproximadamente 40 minutos, el dron solo utilizó su propulsión durante unos 8 minutos. Esto demostró la efectividad del sistema de planeo autónomo utilizando el método de predicción del centro de corrientes térmicas del EKF basado en OLS. Finalmente, al analizar y discutir las diferencias entre los resultados de los experimentos de simulación y los resultados de los experimentos de vuelo, se proponen algunas estrategias de mejora para el trabajo actual.