Aportaciones para el postproceso de datos, ante el envío de parámetros muestreados en momentos críticos de vehículos aéreos no tripulados

Laburpena

La presente tesis doctoral, aporta distintos mecanismos que permiten obtener información adicional en un sistema de navegación, guiado y control de aeronaves no tripuladas de pequeño tamaño. Este conocimiento, permitirá obtener una mejora en la caracterización de la aeronave, y por extensión del comportamiento de la misma en las fases más críticas de un vuelo. Las distintas aportaciones están supeditadas a las limitaciones de la transmisión de datos del avión a Tierra a través de un ordenador embarcado, efectuadas a través de RS-232 y un Radio Módem. La actual caracterización de este tipo de aeronaves están basadas en datos obtenidos a diez muestras por segundo, valor que se hace insuficiente, para adquirir unos conocimientos exhaustivos de lo que ha ocurrido en una aeronave en la fase de postproceso de datos. Entre las contribuciones en forma de aportaciones software se ha obtenido un mayor conocimiento acerca del número de Gºs que soporta una aeronave, valores de pico hasta ahora desconocidos sobre aceleraciones y velocidades angulares. Con las limitaciones del medio de transmisión, se han utilizado técnicas de compresión de datos, disminución de frecuencias en parámetros de baja variación, disminución de longitud en bits e inclusión de etiquetas identificativas y marcas de tiempo como elementos de optimización variable. Objetivo de la tesis El objetivo principal de esta tesis doctoral es el siguiente: Proponer distintos modelos para el envío de información a Tierra, que nos permitan conocer en postproceso de datos, como ha sido el comportamiento de una aeronave no tripulada en momentos críticos, con distintas limitaciones como la ausencia de un sistema de adquisición de datos o el envío de datos por telemedida. El conocimiento basado en la aportación de más información permitirá caracterizar la aeronave, y caracterizar se entiende, como el conocimiento que posee la aeronave de su ubicación exacta en el espacio y en base a esta posición y en función de a donde desea ir, habilitar los mecanismos necesarios para desplazarse a ese punto. Los actuales sistemas de posicionamiento son incapaces de actuar ante determinadas aceleraciones que sufre la aeronave en momentos críticos (ej. despegue con lanzador hidráulico), y esa ausencia de conocimiento sobre el posicionamiento de la aeronave y hasta que el avión está estabilizado, puede provocar la caída del mismo. Se proponen mecanismos para proporcionar información de posicionamiento que permitan al ordenador embarcado, decidir desplazarse al rumbo programado. Para la consecución del objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos: 1.Estudiar los momentos críticos específicos de cada vuelo, y las maniobras mínimas y adicionales que debe ejecutar una aeronave, así como evaluar los distintos tipos de vuelos que pueda realizar, ya sea en modo observación o en modo blanco aéreo. 2.Definir un modelo que permita cuantificar el número de sensores que lleva la aeronave, y en base a esto, clasificar esos sensores en divisiones o categorías basadas en un criterio concreto. 3.Estudio del escenario: condiciones iniciales y actuales, muestras, comunicaciones y limitaciones de ancho de banda. 4.Definir distintos modelos, en base a distintas estimaciones teóricas, que disminuyan cuantitativamente las limitaciones iniciales. Como objetivo adicional, se pretende en la medida que sea posible buscar los límites de las distintas propuestas y estudiar el comportamiento de la aeronave cuando estos límites son sobrepasados. Conclusiones Parece especialmente interesante diseñar mecanismos que nos aporten conocimiento sobre el sistema de navegación, guiado y control de aeronaves no tripuladas de pequeño tamaño, que carecen de un Sistema de Adquisición de Datos. Éste conocimiento, no solo aporta datos sobre estas aeronaves, sino que pueden servir de gran referencia para aportar conocimiento en los grandes UAVºs que posee el ejército español. Actualmente este tipo de aeronaves tiene un gran mercado, debido al bajo costo y alta fiabilidad que aportan, en sistemas de adquisición de imágenes aéreas, civiles y militares de corto alcance, en tareas de reconocimiento, vigilancia y adquisición de blancos. El conocimiento de la caracterización de la aeronave está directamente relacionado con la programación del sistema de navegación, guiado y control, y esta caracterización es viable cuanta más información se sepa del mismo. Se debe conocer el comportamiento de la aeronave, saber ?donde está? y ?donde quiere ir?, activando los actuadores del avión (alerones, elevones, motor?etc.). La caracterización de las aeronaves no tripuladas de pequeño tamaño, hechas con datos recibidos a la velocidad de diez muestras por segundo, permitían adquirir unos conocimientos básicos, y pasar a tener unos conocimientos exhaustivos sobre todo en los momentos críticos, ha permitido ampliar mucho el comportamiento de estas aeronaves. Entre las contribuciones de esta tesis destacan las distintas aportaciones en forma de optimización del envío de información por parte de los sensores, una gestión más avanzada del buffer de recepción de información del ordenador embarcado, y un envío de información a Tierra con un etiquetado inequívoco, y una precisión mayor de la ubicación del dato en el tiempo, así como un mayor volumen de información. Cada propuesta ha permitido obtener un conocimiento concreto; así en la primera aportación se ha visto que es bastante óptima para aumentar el conocimiento del número de Gºs que soporta una aeronave, o al menos detectar unos picos de aceleraciones que no habían sido detectados hasta ahora, además, todo esto se puede optimizar variando la longitud de los parámetros, añadiendo o quitando etiquetas o utilizando un número variable de etiquetas de reloj (incluso la eliminación de éstas puesto que no se considera necesario saber el instante de tiempo donde ha ocurrido el pico, sino solo saber de su valor). Estos valores se consideran muy importantes para la adquisición de cualquier hardware embarcado, donde uno de los parámetros más importantes de este tipo de hardware es la aceleración que puede sufrir. Esta misma aportación trasladada a las velocidades angulares, nos permiten conocer con más exactitud la posición exacta de la aeronave en esos momentos críticos, donde recordemos los sistemas de posicionamiento (GPS) no tienen cabida. Conocimiento que nos aportará información necesaria sobre donde actuar para poder ir al nuevo punto de destino, si bien es cierto, que estas dos aportaciones, son excluyentes entre sí en cuanto a la limitación del ancho de banda dedicado, aunque se podría realizar ensayos independientes para calcular el máximo en cada uno de los dos bloques de parámetros (aceleraciones y velocidades angulares). En la segunda propuesta se ha aprendido a ubicar los datos en el tiempo con mayor precisión. En esta aportación la deducción de la posición de la aeronave, está supeditada a un máximo de tiempo inferior a lo estimado como límite del tiempo real en ensayos en vuelo, si bien es cierto que esto ha sido a costa de reducir el número de muestras por segundo sustancialmente. Una aportación más estable en cuanto al reparto de los datos ha sido la tercera, en ella, se ha encontrado el equilibrio entre los parámetros, tiempos y etiquetas. No puede alcanzar los grados de precisión de la primera, ni ubicar los datos con tanta exactitud en el tiempo como la segunda, pero es una solución de compromiso para vuelos considerados convencionales, teniendo a las dos primeras aportaciones para ensayos de más riesgo o ensayos iniciales donde la caracterización es más importante que el equilibrio entre los datos manejados. La última aportación no ha buscado más que demostrar que llevar a un límite superior a cualquiera de las variables con las que se ha intervenido no conlleva más que a errores, ya sean de cuantificación, de sobrecarga de pendiente cuando los bits utilizados son escasos, y de validez nula, cuando los datos usan una gran cantidad de bits para lograr mayor precisión.