Control no lineal de vehículos marinos subactuados no holonómicos

Abstract

El propósito fundamental de este trabajo es diseñar leyes de control que sean capaces de resolver los problemas de seguimiento de trayectoria y posicionamiento dinámico de un Aerodeslizador subactuado. Teniendo en cuenta las limitaciones de los actuadores y del vehículo. Para ello se definen los siguientes objetivos. I. Estudiar la controlabilidad del modelo, delimitando los problemas que pueden abordarse y las limitaciones físicas del Aerodeslizador. II. Implementar una plataforma experimental para poner a prueba las leyes de control desarrolladas. III. Obtener y validar un modelo de simulación del Aerodeslizador. IV.Resolver el problema de posicionamiento dinámico del Aerodeslizador usando señales de control de tipo todo-nada-inversión. V. Resolver el problema de seguimiento de trayectoria del Aerodeslizador considerando entradas de control continuas. VI. Resolver el problema de seguimiento de trayectoria del Aerodeslizador utilizando señales de control de tipo todo-nada-inversión. VII. Para cada una de las leyes de control diseñadas obtener demostraciones teóricas de la estabilidad y analizar el efecto de las perturbaciones, el ruido en la medida y la incertidumbre en los parámetros. VIII. Para las leyes de control que emplean señales de control discretas, validar dichas leyes de control utilizando el sistema experimental real. La exposición del desarrollo de este trabajo se organiza en siete capítulos, donde el primer capítulo hace una introducción al problema. En el capítulo 2 se presenta la estructura general del modelo del Aerodeslizador, además realiza un estudio en profundidad de los problemas de control presentes en el sistema. Se estudia en detalle la restricción no holonóma que limita su movimiento y como afecta al tipo de trayectorias que pueden seguirse. También se analiza la controlabilidad local y global del estado, la controlabilidad del sistema en torno a trayectorias así como las limitaciones que impone el teorema de Brockett. En el capítulo 3 se describe la implementación del sistema real de laboratorio. Se estudia la realización física y el software de control del vehículo, describiendo la librería de bloques en LabVIEW que resuelven cada uno de los problemas de control del vehículo. Finalmente se utiliza la plataforma implementada para obtener y validar un modelo del Aerodeslizador. En el capítulo 4 se desarrolla una ley de control que permite resolver el problema de posicionamiento en un punto del aerodeslizador. Dicha ley de control se desarrolla en dos partes, en primer lugar se estabiliza la dinámica trasversal del vehículo. A continuación se diseña una segunda ley de control que es capaz de mantener acotada la posición longitudinal del vehículo. Finalmente se unifican ambas leyes de control estabilizando ambas dinámicas al mismo tiempo. Se analiza la estabilidad desde el punto de vista teórico y práctico. En el capítulo 5 se resuelve el problema de seguimiento de trayectoria mediante una ley de control continua. Para ello, se hace un estudio de las trayectorias factibles así como de las trayectorias bien definidas. A continuación se define una ley de control capaz de seguir cualquier trayectoria bien definida utilizando fuerzas acotadas para cualquier condición inicial. Se demuestra la estabilidad del control obtenido de forma teórica y se analiza el rendimiento de la ley de control por medio de simulaciones. El capítulo 6 resuelve el problema de seguimiento de trayectoria de un Aerodeslizador utilizando únicamente señales de control todo-nada-inversión. Para ello se define el conjunto de trayectorias dominables. A continuación se diseña un control que es capaz de seguir cualquier trayectoria dominable desde una condición inicial acotada. La estabilidad se analiza teóricamente y en simulación y además se pone a prueba en el sistema experimental. Finalmente en el capítulo 7 contiene las conclusiones de la presente Tesis y plantea las posibles líneas de investigación futura a las que da pié este traba