ES2304815B1 - Metodo para el control de parametros de control en un vehiculo aereo, y sistema de control de un vehiculo aereo. - Google Patents
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Abstract
Método para el control de parámetros de control
en un vehículo aéreo, y sistema de control de un vehículo aéreo.
De acuerdo con el método de la invención, se
determinan parámetros de control V indicativo de velocidad, R
indicativo de características de giro y \gamma indicativo de un
ángulo de senda, de manera que estos parámetros se mantienen entre
unos límites y de manera que uno de ellos se desvíe lo menos posible
desde un correspondiente parámetro de control de entrada Re. Para
poder mantener (en la medida que sea posible) el valor de R
inalterado, se puede variar V. El método puede incluir el cálculo
del empuje máximo y mínimo disponible.
Description
Método para el control de parámetros de control
en un vehículo aéreo, y sistema de control de un vehículo aéreo.
La invención se engloba en el campo de los
vehículos aéreos, incluyendo los vehículos aéreos no tripulados
(UAV: "Unmanned Air Vehicle").
La trayectoria que un vehículo aéreo debe seguir
durante el vuelo, la actitud (el cabeceo o "pitch" y el balance
o "roll") del vehículo así como su velocidad, se controlan
mediante actuadores asociados a diversos elementos del vehículo,
concretamente, a su sistema de propulsión (los motores) y a las
superficies de control del vehículo. Es decir, para que el vehículo
siga una trayectoria deseada con una actitud y velocidad deseadas,
es necesario generar y enviar señales de control adecuadas hacia
los actuadores, de manera que la actuación del sistema de
propulsión (incluyendo el empuje T ("thrust") desarrollado) y
la posición u orientación de cada superficie de control sean las
adecuadas para que el vehículo siga la trayectoria de la manera
deseada. La generación de estas señales es normalmente realizada
por un sistema informático a bordo del vehículo, a partir de
comandos generados por un piloto (que puede estar a bordo del
vehículo o que lo dirige a distancia desde una estación de control
en tierra o en otro vehículo), por un sistema de gestión de misión o
por ambos.
En la figura 1 se representa un sistema de
control de vuelo para un vehículo aéreo, de acuerdo con el estado
de la técnica. Como se puede observar, el sistema incluye un módulo
de gestión de misión 1 (que puede llevar una trayectoria almacenada
-por ejemplo, en forma de puntos de ruta-, o que puede recibir
instrucciones de vuelo -por ejemplo, en forma de puntos de ruta,
maniobras preprogramadas o similar- generadas por un piloto 1A que
puede estar a bordo del vehículo o transmitir instrucciones al
vehículo desde una estación de control en tierra o en otro
vehículo).
Por otra parte, el sistema de control de vuelo
comprende un subsistema de navegación y guiado 2 que comprende un
módulo de navegación 2A -que calcula la posición y velocidad con
respecto a tierra del vehículo- y un módulo de guiado 2B, que
intenta corregir errores de manera que la trayectoria y velocidad
reales se ajusten a lo deseado, según la información suministrada
por el módulo de gestión de misión. Para ello, el módulo de guiado
2B suele comprender unas leyes de control cuyas variables de control
son los errores a la trayectoria, por ejemplo, un sistema de
control PID (proporcional, integral y derivativo).
El subsistema de navegación y guiado recibe
datos sobre las condiciones actuales del vehículo desde los sensores
3. Estos sensores pueden incluir un sistema GPS, detectores de la
velocidad aerodinámica, detectores de altitud, detectores de
aceleración y velocidades angulares (por ejemplo, en forma de
giróscopos y acelerómetros) así como magnetómetros (que
proporcionan una medida del campo magnético y pueden servir para
determinar el cabeceo y balance del vehículo). Normalmente, el
subsistema de navegación y guiado no recibe los datos directamente
de los sensores 3 sino a través de un módulo de estimación 4 que
procesa los datos de los sensores y que proporciona una serie de
datos procesados (supuestamente) indicativos de determinadas
condiciones del vuelo, por ejemplo, de la velocidad aerodinámica
del vehículo, de su velocidad con respecto a tierra, del balance,
del cabeceo y de la posición del vehículo con respecto a tierra,
así como datos relativos al estado de los actuadores 6 que
controlan el sistema de propulsión (los motores) y las superficies
de control del vehículo (en el caso de que se disponga de los
sensores
necesarios).
necesarios).
Por otra parte, el sistema de control de vuelo
comprende lo que se suele llamar un módulo de control primario 5
que recibe datos (d) sobre las condiciones del vuelo desde el módulo
de estimación 4, así como parámetros de control (p) desde el módulo
de navegación y guiado 2 (o, en algunos casos, directamente desde el
módulo de gestión de misión 1). Dichos parámetros de control p
suelen comprender:
- un parámetro V indicativo de una
velocidad deseada;
- un parámetro R indicativo de
características de giro (por ejemplo, radio de giro, velocidad de
giro o ángulo de balance) deseadas (normalmente, con giro se
refiere al giro de la proyección de la trayectoria del vehículo en
un plano horizontal); y
- un parámetro \gamma indicativo de un ángulo
de senda deseado (con ángulo de senda se suele entender el ángulo
de la trayectoria del vehículo en el plano vertical, con respecto al
plano horizontal).
Estos tres parámetros V, R y
\gamma pueden estar referidos a tierra o al aire; la
transformación de parámetros referidos a tierra a parámetros
referidos al aire (o viceversa) se puede realizar de forma directa
una vez conocida la velocidad del aire.
A partir de estos parámetros p y datos d, el
módulo de control primario 5 calcula las señales s para los
actuadores del vehículo: estas señales determinan cómo se
orientarán las superficies de control así como la potencia que
desarrollarán los motores del vehículo. El estado de la técnica
incluye un gran número de sistemas y algoritmos que se pueden
utilizar para la generación de las señales de control (s) a partir
de los parámetros de control (p) y los datos (d) sobre la situación
y condición del vehículo.
Los parámetros (p) que el módulo de control 5
primario recibe pueden incluir:
A) En el caso de un vehículo que debe seguir, de
forma "automática", una trayectoria o ruta predefinida
(establecida, por ejemplo, mediante una serie de "puntos de
ruta" o "waypoints" conocidos por un sistema de gestión de
misión, o bien mediante comandos de alto nivel procedentes de un
piloto):
- una velocidad deseada del vehículo;
- un ángulo de senda deseado (es decir, el
ángulo que la trayectoria del vehículo sigue en el plano vertical,
con respecto al plano horizontal); y
- una velocidad o radio de giro deseado, para
giros en el plano horizontal.
(Estos parámetros de control son calculados por
el subsistema de navegación y guiado 2; en el estado de la técnica
se conoce un gran número de sistemas y algoritmos para calcular este
tipo de parámetros de control a partir de los datos de ruta de los
que dispone el vehículo y a partir de datos indicativos de las
condiciones de vuelo, por lo que aquí no es necesario describir
dichos sistemas y algoritmos con más detalle).
B) En el caso de un vehículo que vuela de
acuerdo con instrucciones básicas comandadas por un piloto
físico:
- una velocidad deseada del vehículo
- una actitud deseada del vehículo, es decir,
sus ángulos de cabecéo ("pitch") y de balance
("roll").
Para al menos algunos de los parámetros de
control (p), o combinaciones de los mismos, suele haber límites que
establecen lo que se suele denominar una "envolvente"
operacional, y que sirven para evitar que el sistema acepte valores
de los parámetros de control que puedan representar un peligro, por
ejemplo, una reducción de la velocidad por debajo de una velocidad
mínima, un radio de giro que pueda representar esfuerzos excesivos
sobre partes del vehículo, etc. Estos límites pueden variar en el
tiempo y ser una función de las condiciones de vuelo actuales
(representados por los datos facilitados por los sensores 3 y módulo
de estimación 4). Además, los límites pueden estar
interrelacionados, por ejemplo, la envolvente para el radio de giro
(es decir, los límites entre los que se puede variar el radio de
giro) puede depender de la velocidad, etc.
En los vehículos aéreos no tripulados, las
trayectorias a seguir se establecen muchas veces de antemano y el
módulo de gestión de misión 1 se hace cargo de generar los
parámetros de control (p); normalmente lo hace a través del
subsistema de navegación y guiado aunque también es posible generar
los parámetros de control sin recurrir a este subsistema.
En el sistema ilustrado en la figura 1, los
parámetros de control se pueden calcular en el subsistema 2 de
navegación y guiado, teniendo en cuenta la posición real del
vehículo con respecto a una serie de puntos de ruta, con la
intención de que el vehículo siga, de la forma más fiel posible, la
trayectoria originalmente prevista, algo que es conveniente para
reducir, en la medida que sea posible, el riesgo de accidentes (y,
además, el problema que representa recalcular las rutas en pleno
vuelo). Ahora bien, muchas veces se producen incidencias
imprevistas (y, muchas veces, imprevisibles), por ejemplo, cambios
en las condiciones atmosféricas, problemas en los equipos del
vehículo, salidas de la ruta prevista debido a una intervención por
parte del piloto desde la estación de tierra, etc., que hacen que
el vehículo pueda tener problemas para seguir la trayectoria
prevista, por ejemplo, para subir con el ángulo de senda
originalmente previsto, por ejemplo, debido a un exceso de viento
en la dirección del vuelo, lo que haría necesario un ángulo de senda
(aerodinámico) mayor, pudiendo ser la potencia necesaria en este
caso mayor que la disponible, o debido a que los motores no permiten
desarrollar la potencia originalmente prevista. En estos casos, una
solución convencional al problema consiste en recalcular la ruta a
seguir, algo que, sin embargo, puede representar un problema ya que
puede exigir una gran capacidad de cálculo (que puede superar la
capacidad de los sistemas de a bordo del vehículo) y ciertos
riesgos (por ejemplo, en el caso de un vehículo aéreo no tripulado,
porque el sistema que genera la trayectoria alternativa puede no
disponer de datos relevantes relativos a obstáculos que pueden estar
presentes en la nueva trayectoria, por ejemplo, montañas, pasillos
de aviación civil, etc.; por otra parte, disponer de tales datos
supondría un gran coste computacional).
US-B-6493609
describe un sistema automático de protección de envolvente para
vehículos aéreos no tripulados. Básicamente, un subsistema de
protección de envolvente está intercalado entre un sistema de
navegación (que, básicamente, puede producir una serie de
parámetros de control de entrada calculados a partir de los datos
de la ruta prevista -p.e., puntos de ruta- de los que dispone el
sistema de navegación) y un sistema de control que debe calcular
las señales de control de salida para los actuadores a partir de
dichos parámetros de control de entrada. Para proteger las
envolventes, el sistema de protección toma acciones correctoras para
modificar los parámetros de control de entrada antes de que lleguen
al sistema que calcula las señales de control para los actuadores;
para ello se basa, entre otras cosas, en datos relativos a la
situación actual del vehículo, que permiten determinar si el
vehículo se está acercando demasiado a los límites que representan
las envolventes. Lo que se intenta mantener dentro de determinados
límites son las condiciones reales del vehículo, no los parámetros
de control que se envían el módulo de control. Se intenta mantener,
en la medida que sea posible, la trayectoria originalmente prevista
aplicando, durante un cierto tiempo, unos determinados
"offsets" a los actuadores de forma que se obtengan valores
dentro de la envolvente. Se prevé la posibilidad de recalcular la
misión o trayectoria originalmente prevista, para compensar la
alteración de los parámetros de control de entrada forzada por el
sistema de protección.
US-B-6711477
describe un sistema similar y un método para determinar la
envolvente de vuelo de forma numérica. Se contemplan rutinas de
cálculo que pueden ser complejas y exigir una gran capacidad de
cálculo.
US-A-2002/0055809
describe un sistema en el que en paralelo con el ordenador de
control de vuelo hay un ordenador que, utilizando lógica borrosa
("fuzzy logic"), realiza un análisis de condiciones que
implican riesgo. Los resultados del análisis se presentan al piloto
para que pueda tomar las medidas que considere oportunas.
US-A-6163744
describe un sistema para modificar la ruta de un vuelo como
respuesta a cambios en determinados parámetros. Es decir, lo que se
modifica es el plan de vuelo, es decir, la misión.
Es posible que al menos algunos de los sistemas
conocidos puedan servir para evitar que un vehículo aéreo
(tripulado o no tripulado) se salga de su envolvente de vuelo. Ahora
bien, en los sistemas conocidos, muchas veces esto se consigue
recalculando la ruta o trayectoria a seguir, estableciendo una ruta
alternativa. Esto puede implicar algunos problemas: requiere datos
y capacidad de cálculo suficiente para establecer una nueva ruta
"segura" y/o acceso a una ruta alternativa
"preprogramada". Se ha considerado que sería deseable reducir
los casos en los que, para respetar la envolvente de vuelo, resulte
necesario recalcular la ruta u optar por una ruta alternativa.
Igualmente, se ha considerado que sería deseable conseguir que los
vehículos se ajusten sustancialmente a la ruta prevista y que las
desviaciones (posiblemente temporales) de dicha ruta (especialmente,
en el plano horizontal) no sean mayores de lo que es
(estrictamente) necesario para mantener el vehículo dentro de su
envolvente de vuelo. Además, se ha considerado que sería deseable
conseguir estos propósitos con un sistema que no requiera una gran
capacidad de cálculo, que se ejecute en tiempo real y que pueda
incorporarse en los sistemas de control de vuelo que ya existen en
el mercado, con un conocimiento básico de los modelos del vehículo
y un coste computacional muy pequeño.
Un primer aspecto de la invención consiste en un
método para el control de parámetros de control en un vehículo
aéreo que tiene un sistema propulsor y una pluralidad de superficies
de control configuradas para permitir el control de la velocidad y
de los ángulos de cabeceo ("pitch") y de balance ("roll")
del vehículo, estando la operación del sistema propulsor y las
posiciones de las superficies de control controladas mediante
señales de control que se generan a partir de datos relativos a las
condiciones del vehículo y a partir de parámetros de control que
comprenden un parámetro V indicativo de velocidad, un
parámetro R indicativo de características de giro (por
ejemplo, radio de giro, velocidad de giro o ángulo de balance) del
vehículo en un plano horizontal, y un parámetro \gamma indicativo
de un ángulo de senda ("path") de una senda que el vehículo
debe seguir en un plano vertical.
El método comprende, igual que la mayoría de los
métodos de control de vehículos aéreos, el paso de recibir
parámetros de control de entrada (por ejemplo, generados por el
sistema de navegación y guiado o directamente por un sistema de
gestión de misión) que incluyen un parámetro de entrada Ve
indicativo de dicha velocidad, un parámetro de entrada Re
indicativo de dichas características de giro, y un
\hbox{parámetro de entrada \gamma e indicativo de
dicho ángulo de senda.}
De acuerdo con la invención, el método comprende
además los pasos de:
- establecer un límite inferior V1 (que puede
calcularse en tiempo real a partir de las condiciones actuales del
vehículo) y un límite superior V2 (que también puede ser calculado
en tiempo real o corresponder a un máximo prefijado por motivos de
seguridad) para el valor del parámetro V;
- establecer un límite inferior R1 (que puede
ser calculado en tiempo real) y un límite superior R2 para el valor
del parámetro R;
- establecer un límite inferior \gamma1 y un
límite superior \gamma2 para el valor del parámetro \gamma.
Al menos algunos de los valores V1, V2, R1, R2,
\gamma1 y \gamma2 pueden ser calculados en tiempo real a partir
de datos relativos a condiciones actuales de vuelo y a partir de un
modelo del vehículo. Este modelo del vehículo puede comprender un
modelo aerodinámico, que proporciona las fuerzas y momentos
aerodinámicos, un modelo de la planta propulsora, que proporciona
las fuerzas y momentos propulsivos así como el consumo de
combustible, un modelo de la atmósfera, que proporciona la
características de la misma (densidad, presión, etc.) en función de
la altitud, y un modelo másico que proporciona el peso y el centro
de gravedad del vehículo en cada instante.
A partir de estos modelos se puede obtener el
peso estimado en cada instante, valor que puede ser utilizado para
el cálculo de las limitaciones.
También se pueden obtener los valores de la
velocidad de pérdida, que es una función conocida del peso, de la
altitud de vuelo -que viene directamente de los sensores o del
módulo de estimación- y del ángulo de balance o del radio de giro.
El límite inferior de la velocidad (V1) puede ser un porcentaje de
este valor de la velocidad de pérdida, de forma que permite
asegurar que se está lo suficientemente lejos del mismo. El valor
máximo de la velocidad puede venir dado por motivos estructurales
como una función del factor de carga máximo permitido y de las
condiciones actuales del vehículo o por limitaciones de la planta
propulsora.
Las limitaciones para R pueden
corresponder a la limitación estructural por alcanzar el factor de
carga máximo, en cuyo caso se obtiene a partir de la velocidad, del
peso y de la altitud de vuelo y el valor del factor de carga
máximo, o puede venir de que la velocidad V1 para ese valor coincide
con la velocidad máxima V2. El otro valor límite para R
puede corresponder a que el vehículo no gire en el plano horizontal.
Cuando R corresponde al radio de giro el valor máximo de R2
puede corresponder a un radio de giro infinito, lo que implica que
el vehículo sigue una trayectoria recta en el plano horizontal. Si
la entrada corresponde a otro parámetro indicativo del giro, como
pueden ser la velocidad de giro o el ángulo de balance, las
limitaciones son al contrario: el mínimo en valor absoluto es 0,
cuando sigue una trayectoria rectilínea y el máximo es el que se
obtiene de los cálculos (también en valor absoluto).
Para el valor de \gamma se pueden tomar o
valores obtenidos de un análisis de actuaciones previo o bien
calcularlos en tiempo real. Por ejemplo, para el máximo se puede
tomar el correspondiente a la velocidad V1, peso y alturas actuales
y empuje máximo.
De acuerdo con la invención, el método comprende
además los pasos de:
- fijar el valor de V en un valor
seleccionado de manera que
a) V1 \leq el valor de V \leq V2
y de manera
que
b) permita fijar el valor de \gamma en un
valor determinado que
* se desvíe lo menos posible del valor de
\gammae;
* a la vez que se cumpla la condición
\gamma1 \leq el valor de \gamma \leq
\gamma2; y
* a la vez que se cumpla la condición de que
dicho valor determinado de \gamma esté seleccionado de manera que
permita fijar el valor de R en un valor "óptimo" que se
desvíe lo menos posible del valor de Re a la vez que se
cumpla la condición
R1 \leq el valor de R \leq R2;
- fijar el valor de \gamma en dicho valor
determinado; y
- fijar el valor de R en dicho valor
óptimo.
De esta manera, se pretende mantener la
trayectoria en el plano vertical (su proyección en el plano
vertical) lo más parecida posible a lo originalmente previsto,
sacrificando el seguimiento de la velocidad cuando resulta
necesario, y sacrificando el seguimiento de la trayectoria en el
plano vertical sólo cuando el parámetro V se ha situado en
su límite superior o inferior, y si entonces todavía resulta
necesario ajustar \gamma para poder mantener el valor de R
lo más cerca posible al valor Re, sin exceder R2 y sin bajar
de R1, y manteniendo \gamma dentro de sus límites superior
e
inferior.
inferior.
El método de la invención puede adicionalmente
comprender los pasos de:
calcular un empuje mínimo disponible T1 y un
empuje máximo disponible T2, a partir del modelo de la planta
propulsora y de las condiciones actuales del vehículo, como son la
altitud de vuelo, la velocidad y el régimen de funcionamiento de la
planta propulsora;
calcular, en función de condiciones actuales del
vehículo, un empuje T necesario para los valores de Ve, Re y
\gammae, o más bien con los valores modificados Ve', Re' y
\gammae' de esos parámetros, adaptados para estar dentro de los
límites V1, V2, R1, R1, \gamma1, \gamma2;
establecer los valores de V, R y
\gamma de manera que se cumpla la condición
T1 \leq T \leq
T2
a la vez que se establece el valor
de R en un valor que se desvíe lo menos posible del valor de
Re a la vez que se cumpla la
condición
R1 \leq el valor de R \leq R2 (y a la
vez que V y \gamma se mantengan dentro de sus respectivos
límites superior e inferior y, preferiblemente, con el valor de
\gamma lo más cerca posible al valor de \gammae).
De esta manera, se consigue establecer
parámetros para el módulo de control (el que genera las señales para
los actuadores del vehículo), cuyos parámetros estén seleccionados
en función de las limitaciones del sistema propulsor.
Para la obtención del empuje necesario para
mantener el avión en las condiciones de entrada modificadas
Ve', \gammae' y Re' se pueden emplear los
modelos del vehículo y las ecuaciones de fuerzas y momentos que
definen el movimiento del mismo como sólido rígido, considerando
condiciones estacionarias (como son vuelo rectilíneo sin
resbalamiento o viraje coordinado y estabilizado), considerando el
peso, la altitud y las condiciones de viento que se tienen en ese
momento. Si el empuje T así obtenido está entre los valores
correspondientes al máximo y mínimo que puede proporcionar la
planta propulsora para dichas condiciones de vuelo (que también se
calculan a partir del modelo), estos valores de Ve',
\gammae' y Re' son ya los que se consideran óptimos.
Si no es así, se calculan los valores para que coincidan con los
valores límite, es decir en el caso de que el empuje necesario sea
mayor que el máximo, se calculan para que ambos sean iguales. Cuando
el empuje necesario es menor que el mínimo se calculan V,
\gamma y R para que el empuje necesario coincida con el
empuje mínimo. Si esto es posible variando únicamente la velocidad
dentro del margen definido por V1 y V2, se modifica este valor
V manteniendo los otros dos en los valores de entrada
modificados \gammae' y Re'. Si se alcanzan los
valores limites para la velocidad sin conseguir que el valor del
empuje necesario esté dentro de los limites de empuje, se mantiene
la velocidad en el valor límite (V1 ó V2) y se modifica el ángulo de
la senda en el plano vertical manteniendo Re'. Si se
alcanzan los valores límite (\gamma1 ó \gamma2) sin que el
empuje necesario este dentro del margen definido por el empuje
máximo y mínimo se fija el valor de \gamma en el valor límite
correspondiente y se pasa a modificar Re'.
De esta manera se puede variar la velocidad
dentro de los límites establecidos para la misma (y dentro de lo
que permite las condiciones del vehículo, incluyendo el empuje
disponible en las condiciones actuales del vehículo) con el fin de,
a cambio, poder mantener la trayectoria lo más parecida posible a la
originalmente prevista (dando "prioridad" a la trayectoria en
el plano horizontal).
Por tanto, renunciando al seguimiento exacto o
pre-programado de la velocidad (representado por el
valor del parámetro de entrada Ve), se puede conseguir que
el vehículo se desvíe lo menos posible de la trayectoria
originalmente prevista (al menos, de su proyección en el plano
horizontal), lo cual puede ser ventajoso, por ejemplo, para evitar
interferencias con obstáculos (montañas, edificios, etc.) o para
garantizar que el vehículo pueda llegar a una zona de recuperación
conocida, sin necesidad de recalcular la "misión". Básicamente,
el método permite "sacrificar" el seguimiento de la velocidad
prevista, para a cambio conseguir seguir, en la medida que sea
posible, mantener la trayectoria originalmente prevista. Cuando no
se puede mantener la trayectoria, se "sacrifica" en primer
lugar el seguimiento de la trayectoria en el plano vertical,
intentando mantener la trayectoria en el plano horizontal lo más
cerca posible a la originalmente prevista.
El método puede adicionalmente comprender los
pasos de:
determinar una velocidad aerodinámica Va real
del vehículo;
determinar un límite inferior V3 y un límite
superior V4 para dicha velocidad aerodinámica Va (la obtención de
estos valores V3 y V4 puede ser similar a la obtención de V1 y V2,
es decir, hacerse a partir de la velocidad de pérdida y del valor
máximo por motivos estructurales; el valor de V3 puede ser un
porcentaje menor de la velocidad de pérdida que el correspondiente
al valor de V2 y V4 puede ser un porcentaje mayor que V3 o coincidir
con V3. Cuando la velocidad aerodinámica real alcanza un valor
fuera del rango de valores posibles comandados -entre V1 y V2- es
porque el control de velocidad no esta respondiendo como debería.
Esto puede ser debido a condiciones atmosféricas -turbulencia,
ráfagas, etc.- o a que el valor del ángulo de subida o de balance
debido al guiado hace que no sea alcanzable -en el caso de la
configuración de la figura 3-. Cuando esto ocurre hay que intentar
aumentar la velocidad cambiando los parámetros de entrada y la
configuración del controlador primario. Si el salirse del rango
entre V1 y V2 es debido a algo puntual -p.e. una ráfaga-, cuando la
causa desaparezca la velocidad volverá a su valor inicial. Para
evitar que este tipo de causas estén activando continuamente este
modo de funcionamiento se deja un margen mayor, por eso no coinciden
V3 y V4 con V1 y V2.);
establecer los valores de V, R y
\gamma de manera que lleven al vehículo a cumplir la condición
V3 \leq Va
\leq
V4
a la vez que se establece el valor
de R en un valor que se desvíe lo menos posible del valor de
Re a la vez que se cumpla la
condición
R1 \leq el valor de R \leq R2 (y a la
vez que V y \gamma se mantengan dentro de sus respectivos
límites superior e inferior y, preferiblemente, con el valor de
\gamma lo más cerca posible al valor de \gammae).
Concretamente, si la velocidad aerodinámica Va
real < V3 o si la velocidad aerodinámica Va real > V4, se
establecen los valores de V, R y \gamma de manera
que lleven al vehículo a cumplir la condición V3 \leq Va \leq
V4. Si el valor originalmente obtenido Va de la velocidad
aerodinámica real cumple V3 \leq Va \leq V4, no es necesario
hacer nada con V, R y \gamma.
Cuando Va < V3, se pueden establecer los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición T = T2.
Cuando Va > V4 se pueden establecer los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición T = T1.
De esta manera, se evita que el vehículo pueda
llegar a velocidades que impliquen un peligro para su integridad.
Esto puede ser especialmente importante si los valores de los
parámetros Ve, Re y \gammae han sido establecidos teniendo en
cuenta un error entre una trayectoria real del vehículo y una
trayectoria ideal del mismo, es decir, básicamente, si los
parámetros Ve, Re y \gammae han sido establecidos con la
intervención de un sistema de guiado del vehículo.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
sistema de control de un vehículo aéreo que tiene un sistema
propulsor y una pluralidad de superficies de control configuradas
para permitir el control de cabeceo (pitch) y de balance (roll) del
vehículo, estando la operación del sistema propulsor y las
posiciones de las superficies de control controlables mediante
respectivos actuadores controlados por respectivas señales de
control de salida del sistema de control, comprendiendo dicho
sistema de control:
medios (por ejemplo, integrados en un sistema de
gestión de misión del vehículo y, opcionalmente, incluyendo un
sistema de navegación y guiado) para generar, a partir de datos
indicativos de una trayectoria que debe seguir el vehículo, valores
para parámetros de control de entrada que incluyen un parámetro de
entrada Ve indicativo de velocidad, un parámetro de entrada
Re indicativo de características de giro (por ejemplo, radio
de giro, velocidad de giro o ángulo de balance) del vehículo en un
plano horizontal, y un parámetro de entrada \gammae
indicativo de un ángulo de senda de una senda que debe seguir el
vehículo en un plano vertical; y
medios (correspondientes a lo que puede
denominarse el módulo de control primario del vehículo) para
generar, a partir de los valores de un parámetro V
indicativo de velocidad, un parámetro R indicativo de
características de giro del vehículo en un plano horizontal, y un
parámetro de entrada \gamma indicativo de un ángulo de senda,
dichas señales para actuadores, incluyendo señales para actuadores
sobre las superficies de control del vehículo y señales para
actuadores asociados al sistema de propulsión.
De acuerdo con la invención, el sistema
comprende además:
un módulo de control de parámetros configurado
para calcular los valores de V, R y \gamma a partir
de los valores de Ve, Re y \gammae, estando
dicho módulo de control de parámetros configurado para:
- establecer un límite inferior V1 y un límite
superior V2 para el valor del parámetro V, un límite inferior
R1 y un límite superior R2 para el valor del parámetro R y
un límite inferior \gamma1 y un límite superior \gamma2 para el
valor del parámetro \gamma (en línea con lo que se ha descrito más
arriba);
- fijar el valor de V en un valor
seleccionado de manera que
- a)
- V1 \leq el valor de V \leq V2
y de manera
que
- b)
- permita fijar el valor de \gamma en un valor determinado que se desvíe lo menos posible del valor de \gammae;
- a la vez que se cumpla la condición
- \gamma1 \leq el valor de \gamma \leq \gamma2;
a la vez que se cumpla la condición de que dicho
valor determinado de \gamma esté seleccionado de manera que
permita fijar el valor de R en un valor óptimo que se desvíe
lo menos posible del valor de Re a la vez que se cumpla la
condición
R1 \leq el valor de R \leq R2;
- fijar el valor de \gamma en dicho valor
determinado; y
- fijar el valor de R en dicho valor
óptimo.
Los efectos y ventajas de esta configuración son
análogos a los que se han explicado en relación con la descripción
del método.
El módulo de control de parámetros puede estar
configurado para calcular al menos algunos de los valores V1, V2,
R1, R2, \gamma1 y \gamma2, en tiempo real, a partir de datos
relativos a condiciones actuales del vehículo y a partir de un
modelo del vehículo.
El módulo de control de parámetros puede además
estar configurado para:
calcular un empuje mínimo disponible T1 y un
empuje máximo disponible T2;
calcular, en función de condiciones actuales del
vehículo, un empuje T necesario para una combinación de valores de
V, R y \gamma (por ejemplo, empezando con los
valores de Ve, Re y \gammae, o más bien con la versión Ve', Re' y
\gammae' de esos parámetros, adaptada para estar dentro de los
límites V1, V2, R1, R1, \gamma1, \gamma2);
establecer los valores de V, R y
\gamma de manera que se cumpla la condición
T1 \leq T \leq
T2
y de manera que se cumplan las
condiciones relativas a V, R y \gamma indicadas más
arriba.
El módulo de control de parámetros puede
adicionalmente estar configurado para:
determinar una velocidad aerodinámica Va real
del vehículo;
determinar un límite inferior V3 y un límite
superior V4 para la velocidad aerodinámica Va;
establecer los valores de V, R y
\gamma de manera que lleven al vehículo a cumplir la condición
V3 \leq Va
\leq
V4
a la vez que se establezcan los
valores de V, R y \gamma de manera que se descrito
más
arriba.
Concretamente, si la velocidad aerodinámica Va
real < V3 o si la velocidad aerodinámica Va real > V4, se
establecen los valores de V, R y \gamma de manera
que lleven al vehículo a que cumpla la condición V3 \leq Va
\leq V4. Si el valor originalmente obtenido Va de la velocidad
aerodinámica real cumple V3 \leq Va \leq V4, no es necesario
hacer nada con V, R y \gamma.
Cuando Va < V3, se pueden establecer los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición T = T2.
Cuando Va > V4 se pueden establecer los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición T = T1.
Otro aspecto de la invención se refiere a un
vehículo aéreo que comprende:
un sistema propulsor controlado por
actuadores;
una pluralidad de superficies de control
controladas por actuadores;
un sistema de control de acuerdo con lo que se
ha descrito más arriba, configurado para proporcionar señales de
control a dichos actuadores en función de los valores de los
parámetros V, R y \gamma.
Otro aspecto se refiere a un programa de
ordenador, que comprende un código de programa configurado para
llevar a cabo el método de acuerdo con la invención, cuando el
programa se ejecuta en un ordenador. El programa puede estar
almacenado en un soporte, por ejemplo, en un soporte magnético,
óptico o electrónico, o estar modulado sobre una señal eléctrica o
electromagnética.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con unas realizaciones
preferentes de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha
descripción, un juego de dibujos en el que con carácter ilustrativo
y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra un diagrama de bloques de
un sistema de control de un vehículo aéreo de acuerdo con el estado
de la técnica.
Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques de un
sistema de control de un vehículo aéreo de acuerdo con una
realización preferente de la invención.
Figura 3.- Muestra un diagrama de bloques de un
sistema de control de un vehículo aéreo de acuerdo con otra
realización preferente de la invención.
\newpage
La figura 4.- Muestra un flujograma que refleja,
esquemáticamente, el proceso de acuerdo con una realización
preferente de la invención.
La figura 5.- Muestra esquemáticamente la
corrección del ángulo de senda para corregir el error entre la
trayectoria real y la trayectoria establecida en el módulo de
gestión de misión.
Las figuras 2 y 3 reflejan dos realizaciones
preferentes de la invención, que comprenden los mismos elementos
que el sistema convencional ilustrado en la figura 1 (los elementos
que la invención tiene en común con el sistema de la figura 1
tienen las mismas referencias numéricas y no se vuelven a describir
aquí), aunque, en el caso del sistema de la figura 3, el módulo de
control 5A difiere algo del módulo de control 5 ya que recibe
parámetros que no han pasado por el subsistema de navegación
integrado por los módulos de navegación y de guiado; en cambio, el
módulo de control 5A recibe desde dicho módulo de guiado datos de
corrección que servirán para modificar, en el propio módulo de
control 5A, los parámetros de control que dicho módulo de control
5A recibe del módulo de control de parámetros 7A. Se puede decir que
los parámetros pm que dicho módulo de control 5A recibe son los
correspondientes a un vehículo que supuestamente sigue perfectamente
la trayectoria deseada. Las correcciones del módulo de guiado 2B
pasan directamente al módulo de control 5A como incrementos sobre
los parámetros pm.
De acuerdo con ambas realizaciones preferentes
de la invención, el sistema produce, en el subsistema de control y
guiado (2; 2A y 2B) o directamente en el módulo de gestión de misión
(1), unos parámetros de entrada (pe) que se envían hacia el módulo
de control (5; 5A). Estos parámetros son parámetros de entrada (pe)
que se reciben en un módulo de control de parámetros (7; 7A), cuya
función es la de controlar dichos parámetros de manera que el vuelo
siga la trayectoria de la mejor manera posible, especialmente en (su
proyección en) el plano horizontal, algo que puede ser importante
para poder, por ejemplo, garantizar una correcta recuperación de un
vehículo aéreo no
tripulado.
tripulado.
Los parámetros de control de entrada pe que se
reciben a la entrada del módulo de control de parámetros (7; 7A)
pueden ser los siguientes:
- un parámetro de entrada Ve indicativo
de velocidad;
- un parámetro de entrada Re indicativo a
características de giro (por ejemplo, radio de giro, velocidad de
giro o ángulo de balance) del vehículo en un plano horizontal;
y
- un parámetro de entrada \gammae
indicativo de un ángulo de senda ("path") de una senda que debe
seguir el vehículo en un plano vertical.
Normalmente, estos parámetros (especialmente el
relativo a la velocidad) son parámetros que se refieren a tierra,
dado que los parámetros se generan para que el vehículo siga una
trayectoria con respecto a tierra. Ahora bien, las señales que se
envían a los actuadores deben definir el comportamiento aerodinámico
del vehículo. El propio sistema de control del vehículo puede hacer
las conversiones necesarias, ya que, gracias a datos que recibe de
los sensores 3, conoce tanto la velocidad aerodinámica del vehículo
como su velocidad con respecto a tierra.
El módulo de control de parámetros (7; 7A)
comprende un subsistema de cálculo de parámetros modificados (pm)
que son los que se suministrarán al módulo de control (5, 5A), que
calculará las señales (s) para los actuadores 6 del vehículo. Estos
parámetros modificados (V, R y \gamma) corresponden
a los parámetros de entrada pero con valores recalculados por el
módulo de control de parámetros (7; 7A).
Para ello, el subsistema dispone de un modelo
del vehículo. Este modelo puede comprender un modelo aerodinámico,
que proporciona las fuerzas y momentos aerodinámicos, un modelo
másico, que proporciona el peso y la posición del centro de
gravedad y los momentos de inercia en cada instante, un modelo del
sistema propulsor, que proporciona las fuerzas y momentos
propulsivos, un modelo de la atmósfera, que proporciona la
características de la misma (densidad, presión, etc.) en función de
la altitud y las ecuaciones de fuerzas y momentos que describen el
movimiento del vehículo como un sólido rígido; estos modelos pueden
ser estacionarios ya que se trata de comprobar si las condiciones
de vuelo de entrada corresponden a alguna posición de equilibrio, y
es posible que no tengan en cuenta aspectos dinámicos. En un caso
típico, por ejemplo, el modelo del sistema propulsor permite
calcular el empuje (T) como función de una serie de parámetros del
vehículo, incluyendo su velocidad, su altura, las revoluciones del
motor, la posición del actuador del mismo y la temperatura, también
permite obtener el consumo de combustible, que se empleará en el
modelo másico para calcular el peso y la posición del centro de
gravedad. Un modelo aerodinámico típico permite calcular los
coeficientes aerodinámicos en función de los ángulos de ataque y
resbalamiento, de la velocidad aerodinámica, de las velocidades
angulares del vehículo, y de las deflexiones de las superficies de
control. Un modelo típico comprende 3 ecuaciones de fuerzas que
definen el movimiento del centro de gravedad del vehículo y 3
ecuaciones de momentos que definen la rotación respecto de unos
ejes fijos cuyo origen es el centro de gravedad. En estas ecuaciones
se hacen las siguientes simplificaciones por tratarse de
condiciones estacionarias: la velocidad, tanto aerodinámica como
respecto a tierra, y los parámetros Re y \gammae
son constantes (su variación respecto al tiempo es cero), el ángulo
de resbalamiento se considera nulo. Con estas hipótesis se tiene un
sistema de ecuaciones simplificado del cual se puede obtener el
empuje necesario para mantener las condiciones de vuelo definidas
por los parámetros de control de entrada. Tanto las ecuaciones como
los modelos de atmósfera, aerodinámico, másico, etc., son conocidos
por cualquier experto medio en la materia, por lo que aquí no es
necesario describirlos con más detalle.
La figura 4 refleja los procesos que tienen
lugar cada vez que el módulo de control de parámetros (7; 7A)
recibe 500 los parámetros de entrada pe (a saber: Ve,
Re y \gammae). Concretamente, se calcula si según
los modelos disponibles, los valores de los parámetros de entrada
(Ve, Re y \gammae) son alcanzables siguiendo
los siguientes pasos:
En primer lugar, se calculan las limitaciones
básicas de los parámetros de entrada:
501a: para las condiciones (altura y peso) en
ese instante y para los parámetros Re y \gammae, se
determina una velocidad mínima permisible V1 (que es una función de
la velocidad de pérdida). Por otro lado, se determina un valor
máximo permisible V2 de la velocidad (este valor máximo puede ser un
valor fijo establecido en un valor seguro desde el punto de vista
estructural, o una función del factor de carga máximo permitido y de
las condiciones actuales del vehículo, o bien aplicando un margen a
las limitaciones de la planta propulsora). Se comprueba que
V1 \leq
Ve \leq
V2.
En el caso de que Ve<V1, se establece
que Ve'=V1; en el caso de que Ve>V2, se establece
que Ve'=V2. Si
V1 \leq
Ve \leq
V2,
se establece que Ve' =
Ve.
Es decir, se "adapta" el valor del
parámetro de entrada Ve, de manera que se obtenga un
parámetro Ve' que se ajuste máximamente a Ve pero que
cumpla la condición
V1 \leq
Ve' \leq
V2.
501b: Para el ángulo de la senda (\gamma) se
pueden utilizar unos límites fijos mínimo \gamma1 y máximo
\gamma2 establecidos de antemano y muy amplios (que, básicamente,
pueden servir para rechazar valores completamente absurdos) o bien
emplear valores máximos y mínimos obtenidos de un análisis previo de
las actuaciones del vehículo. De forma análoga a lo que ocurre con
el parámetro Ve, también \gammae se ajusta, por
definición, a saber, se comprueba que
\gamma1
\leq\gammae\leq\gamma2.
En el caso de que \gammae<\gamma1,
se establece que \gammae'=\gamma1; en el caso de que
\gammae>\gamma2, se establece que
\gammae'=\gamma2. Si
\gamma1
\leq\gammae\leq\gamma2,
se establece que
\gammae'=\gammae.
Es decir, se "adapta" el valor del
parámetro de entrada \gammae, de manera que se obtenga un
parámetro \gammae' que se ajuste máximamente a
\gammae pero que cumpla la condición
\gamma1
\leq\gammae' \leq\gamma2.
501c: en cuanto al parámetro R se puede
tomar, como límite inferior R1, el menor de los siguientes valores:
el correspondiente al ángulo de balance máximo permitido (que puede
ser un valor fijo) o el que hace que V1=V2. El límite superior R2
puede ser el infinito (que corresponde a un vuelo sin giro en el
plano horizontal, en el caso de que el parámetro de entrada Re
represente el radio de giro en el plano horizontal; si se trata de
otro parámetro indicativo del giro las limitaciones son distintas).
De forma análoga a lo que ocurre con el parámetro Ve,
también Re se ajusta, por definición: se comprueba que R1
\leq Re \leq R2. En el caso de que Re<R1, se
establece que Re'=R1; en el caso de que Re>R2, se
establece que Re'=R2. Si
R1 \leq Re \leq R2, se establece que
Re'=Re.
Es decir, se "adapta" el valor del
parámetro de entrada Re, de manera que se obtenga un
parámetro Re' que se ajuste máximamente a Re pero que
cumpla la condición
R1 \leq
Re' \leq
R2.
502: se calcula el empuje T necesario para, en
las actuales condiciones, mantener un vuelo determinado por
Ve', Re' y \gammae' (es decir, a Ve,
Re y \gammae, aunque limitados por los valores
mínimos y máximos establecidos).
503: Se obtienen, a partir del modelo del
sistema propulsor, los valores de empuje mínimo T1 y máximo T2 que
el sistema propulsor puede proporcionar en las condiciones actuales
y para las condiciones de vuelo determinadas por los parámetros de
entrada Ve', Re' y \gammae'.
504: Se comprueba que la velocidad aerodinámica
(Va) del vehículo (su "velocidad real") no se encuentra por
debajo de un valor mínimo V3 (este valor también se calcula en
tiempo real en función de la velocidad de pérdida en ese instante).
Igualmente se comprueba que no esté por encima de un valor máximo V4
(mayor o igual a V2).
A partir de aquí se siguen caminos distintos, en
función de si Va<V3, V3\leqVa\leqV4, o Va>V4.
\underline{Si\ V3\leq Va \leq V4}:
505: se comprueba si el empuje T necesario se
encuentra entre los valores máximos T2 y mínimo T1 (es decir, si se
cumple la condición T1\leqT\leqT2).
506: Si se cumple esta condición, las
condiciones de vuelo son alcanzables y se facilita al módulo de
control (5; 5A) un juego de parámetros modificados (pm) que
comprende:
un parámetro V indicativo de velocidad,
V=Ve'
un parámetro R indicativo de
características de giro del vehículo en un plano horizontal,
R=Re'
un parámetro de entrada \gamma indicativo de
un ángulo de senda de una senda que debe seguir el vehículo en un
plano vertical, \gamma=\gammae'.
508: En el caso en el que el empuje necesario es
mayor que el máximo (T>T2) (esto corresponde generalmente a
subidas o cruceros de alta velocidad), se calcula si existe un
empuje para el que, con V1\leqV\leqV2, se podría
mantener R=Re' y \gamma=\gammae'. Esto se puede hacer
comprobando si existe un empuje Ta que permitiría, manteniendo
R=Re' y \gamma=\gammae', volar a la velocidad mínima
permitida V1 (calculada anteriormente en función de la velocidad de
pérdida).
508a: Si este empuje Ta es menor o igual al
máximo pero superior al mínimo (T1\leqTa\leqT2), se sabe que
existe un valor de velocidad V para el que el empuje
necesario es igual al empuje máximo T2. Se calcula el valor de este
parámetro V(T=T2), y se pasa este valor del parámetro
V al módulo de control (5; 5A), junto con R=Re' y
\gamma=\gammae'.
508b: En cambio, si este empuje Ta es mayor que
el máximo (Ta>T2) no será posible mantener la senda y el radio
de giro para ninguna velocidad segura, por tanto se toma el valor
mínimo de la velocidad (se establece que V=V1) y se reduce
el ángulo de la senda manteniendo la velocidad de giro, es decir, se
establece \gamma de manera que se pueda mantener R=Re'. Si
este es imposible (ya que para ello sería necesario establecer un
valor de \gamma inferior a \gamma1 o superior a
\gamma2), se establece que \gamma=\gamma1 o
\gamma=\gamma2 (se opta por el límite que permita que
R se desvíe lo menos posible de Re') y se establece un valor
de R correspondiente, procurando que se desvíe lo menos
posible de Re'.
510: En el caso contrario, es decir, si T<T1
(esta condición suele corresponder a descensos), se modifican las
condiciones de vuelo de forma que el empuje necesario sea igual al
mínimo (T=T1). La velocidad de giro en este caso no se modifica ya
que un aumento de la misma no tiene sentido ya que el vehículo
podría girar en el caso de comandarle un tramo recto, es decir
velocidad de giro nula (se trata de aumentar el empuje necesario
para que coincida con el mínimo respetando lo máximo posible la
trayectoria horizontal, para aumentar el empuje se puede o bien
aumentar V o \gamma o disminuir R; siempre se podrá
conseguir con los dos primeros). Para ello, se puede, por ejemplo,
calcular el empuje necesario Tb para manteniendo el ángulo de senda
\gamma=\gammae' y la velocidad de giro R=Re' volar a la
velocidad máxima V=V2.
510a: Si este valor Tb es mayor o igual al
mínimo (si Tb\geqT1) se entiende que existe un parámetro de
velocidad V para el cual el empuje T necesario es igual al mínimo,
es decir, T=T1. Se calcula este parámetro V y se pasa al
módulo de control (5; 5A) junto con \gamma=\gammae' y
R=Re'.
510b: En cambio, si Tb<T1, no existe ningún
parámetro de velocidad V permitido para el que se pueda
mantener el parámetro de ángulo de senda \gamma=\gammae'. Por
tanto se mantiene el valor máximo del parámetro de velocidad (se
establece que V=V2) y se disminuye el ángulo de la senda (\gamma)
al que se calcula a partir de esta velocidad (V2) y el empuje
mínimo (T1). Se pasa al módulo de control (5; 5A), los parámetros
V=V2, R=Re' y el valor calculado de \gamma.
\underline{Si\ Va<V3}:
520: Si la velocidad aerodinámica esta por
debajo del valor mínimo V3 (Va<V3), se considera que el empuje
ha de ser el máximo (ya que la velocidad se esta aproximado a la de
perdida e interesa aumentarla lo más rápido posible), es decir,
T=T2. En tal caso, se puede mantener el parámetro de velocidad
V en el valor mínimo V1 más un incremento dV', de manera que
se asegure que la velocidad aumente por encima del valor V3; también
se mantiene el parámetro de velocidad de giro R=Re'. A
partir de este dato, se puede calcular un valor de parámetro de
ángulo \gamma para que se cumplan dichas condiciones. Estos
parámetros se suministran al módulo de control (5, 5A). Para mayor
seguridad, es conveniente completar el sistema con un control de
velocidad por cabeceo y permitir un aumento de los errores en la
trayectoria vertical (ya que generalmente esta disminución de la
velocidad es debido a que el ángulo de la trayectoria es alto). La
velocidad a la que entraría en funcionamiento este sistema de
control de velocidad por cabeceo podría ser menor o igual a V3 (si
la disminución de la velocidad es pequeña puede que se solucione
únicamente con el empuje máximo, si no es así y sigue disminuyendo
hay que adoptar otras medidas como puede ser la de control de
velocidad por cabeceo) y se puede establecer que para salir de este
modo, el parámetro V debe alcanzar el valor de V1 (para
evitar que si la causa que produjo la disminución de la velocidad
persiste no se vuelva a entrar en este modo inmediatamente).
\underline{Si\ Va>V4}:
530: En cambio, si la velocidad aerodinámica
supera el valor máximo (Va>V4), se puede mantener el empuje al
mínimo (T=T1), y fijar el parámetro de velocidad V en su
máximo (V=V2) menos un incremento dV'' (al igual que en el caso
anterior, para intentar que la velocidad sea menor que V4 lo antes
posible). El parámetro relativo a la velocidad de giro R se
puede fijar en su valor de entrada Re'. A partir de allí, se calcula
el valor de \gamma correspondiente. No se sale de este modo hasta
que la velocidad real es menor de V2. También en este caso se debe
contar con un sistema de control de velocidad por cabeceo (para
permitir relajar la condición de seguimiento de la trayectoria
vertical).
Al mismo tiempo, a partir del modelo másico y
del sistema propulsor se dispone de una estimación del combustible
consumido y por tanto del peso y la posición del centro de gravedad
del vehículo en cada instante, para poder actualizar todos los
parámetros que dependen de los mismos.
El módulo de control de parámetros 7 puede estar
situado entre el módulo de navegación y guiado 2 y el módulo de
control 5, tal como se muestra en la figura 2. También existe la
posibilidad de situar el módulo de control de parámetros 7A entre
el módulo de gestión de misión 1 y el módulo de control 5A, quedando
el módulo de guiado 2B en paralelo, tal y como se ilustra en la
figura 3. En ambos casos, el módulo de control (5; 5A) recibe los
parámetros de control (V, R y \gamma) desde el
módulo de control de parámetros (7; 7A). En el primer caso, dichos
parámetros ya han tenido en cuenta la corrección de error de
trayectoria calculada por el módulo de navegación y guiado. En el
segundo caso, los parámetros V, R y \gamma se han
calculado suponiendo que el vehículo sigue perfectamente la
trayectoria establecida en el módulo de gestión de misión 1, y en el
propio módulo de control 5A se recibe datos de corrección desde el
módulo de guiado 2B. El módulo de control (5; 5A) también recibe
datos desde el módulo de estimación 4 (o bien directamente de los
sensores 3).
El módulo de control de parámetros (7; 7A) puede
funcionar de la misma manera independientemente de cuál es el
origen de los parámetros de entrada Re, Ve y \gammae. Es decir,
este módulo también es aplicable a sistemas en los que las entradas
provengan de, por ejemplo, un pilotaje básico, es decir, de un
piloto que comanda directamente los ángulos y la velocidad.
En la figura 5 se puede observar un vehículo 50
programado para seguir una trayectoria 51 (generada por el módulo
de gestión de misión) pero que, debido a las circunstancias, se ha
desviado de dicha trayectoria y se encuentra a una altitud más baja
de lo deseado. El error de trayectoria (en altitud) es E.
El ángulo de senda previsto para la trayectoria
51 es \gamma51. Ahora bien, para reducir el error, el módulo de
guiado calcula un ángulo de senda modificado \gamma52
correspondiente a la trayectoria real que el vehículo debe seguir
para aproximarse a la trayectoria prevista 51. En el caso de que el
módulo de control de parámetros 7 está situado a continuación del
módulo de navegación y guiado 2, el parámetro de entrada
\gammae corresponde a \gamma52; en el caso de que el
módulo de control de parámetros está en paralelo con el módulo de
guiado 2B, el parámetro de entrada \gammae corresponde a
\gamma51; entonces, en el propio módulo de control 5A se debe
producir una modificación adicional del parámetro \gamma que el
módulo de control 5A recibe desde el módulo de control de
parámetros 7A, algo que puede complicar el control. Ahora bien, si
las señales de salida del módulo de control representan un ángulo
de senda fuera de lo recomendado, esto representará un cambio en la
velocidad aerodinámica, algo que será tenido en cuenta por el módulo
de control de parámetros 7A, tal y como se ha explicado más
arriba.
En este texto, la palabra "comprende" y sus
variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse
de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo
descrito incluya otros elementos, pasos etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a
las realizaciones concretas que se han descrito sino abarca
también, por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el
experto medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección
de materiales, dimensiones, componentes, configuración, etc.),
dentro de lo que se desprende de las reivindicaciones.
Claims (13)
1. Método para el control de parámetros de
control en un vehículo aéreo que tiene un sistema propulsor y una
pluralidad de superficies de control configuradas para permitir el
control de cabeceo y de balance del vehículo, estando la operación
del sistema propulsor y las posiciones de las superficies de
control controladas mediante señales de control (s) que se generan
a partir de datos (d) relativos a las condiciones del vehículo y a
partir de parámetros de control (pm) que comprenden un parámetro V
indicativo de velocidad, un parámetro R indicativo de
características de giro del vehículo en un plano horizontal, y un
parámetro \gamma indicativo de un ángulo de senda de una senda
que el vehículo debe seguir en un plano vertical;
comprendiendo el método el paso de recibir
parámetros de control de entrada (pe) que incluyen un parámetro de
entrada Ve indicativo de dicha velocidad, un parámetro de entrada
Re indicativo de dichas características de giro, y un parámetro de
entrada \gammae indicativo de dicho ángulo de senda;
caracterizado porque el método comprende
además los pasos de:
- (501a) establecer un límite inferior V1 y un
límite superior V2 para el valor del parámetro V y establecer un
valor adaptado Ve', de manera que Ve' sea el valor del intervalo
V1-V2 más próximo a Ve,
- (501b) establecer un límite inferior \gamma1
y un límite superior \gamma2 para el valor del parámetro
\gamma, y establecer un valor adaptado \gammae', de manera que
\gammae' sea el valor del intervalo \gamma1- \gamma2 más
próximo a \gammae; y
- (501c) establecer un límite inferior R1 y un
límite superior R2 para el valor del parámetro R, y establecer un
valor adaptado Re', de manera que Re' sea el valor del intervalo
R1-R2 más próximo a Re;
- calcular (502) un empuje T necesario para, en
las actuales condiciones, mantener un vuelo determinado por los
valores de parámetro de entrada adaptados Ve', \gammae' y Re';
- calcular (503), a partir de un modelo del
vehículo, un empuje mínimo disponible T1 y un empuje máximo
disponible T2 para las condiciones de vuelo determinadas por Ve',
\gammae' y Re';
- comprobar (504) que una velocidad aerodinámica
Va del vehículo no se encuentra por debajo de un valor mínimo V3 y
tampoco por encima de un valor máximo V4; y
si V3 \leq Va \leq V4, comprobar (505) si T1
\leq T \leq T2 y,
- (I)
- si T1 \leq T \leq T2, establecer (506) que los valores de dichos parámetros de control (pm) sean V=Ve', R=Re' y \gamma=\gammae';
- (II)
- si T>T2,
- -
- calcular (508) si existe un empuje Ta para el que, con V1\leqV\leqV2, se podría mantener R=Re' y \gamma=\gammae', y
- - -
- si T1\leqTa\leqT2 se calcula el valor de V que corresponda a T=T2 si R=Re' y \gamma=\gammae', y se establece que los parámetros de control (pm) comprendan dicho valor del parámetro V, R=Re' y \gamma=\gammae';
- - - -
- si Ta>T2, se establece (508b) los parámetros de control (pm) de manera que
- - - -
- V=V1 y
- - - -
- se intenta establecer y de manera que se pueda mantener R=Re' y
- - - -
- si esto es imposible se establece que \gamma=\gamma1 o \gamma=\gamma2, optando por el valor que permita que R se desvíe lo menos posible de Re', estableciendo un valor de R correspondiente, procurando que se desvíe lo menos posible de Re'; y
- (III)
- si T<T1,
- se modifican (510) las condiciones de vuelo de manera que el empuje necesario T sea igual al empuje mínimo T1.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado porque, en el caso (III), se calcula un empuje
necesario Tb para, manteniendo \gamma=\gammae' y R=Re', volar a
la velocidad máxima V=V2, y
- si Tb\geqT1 se entiende que existe un valor
del parámetro de velocidad V para el cual el empuje T necesario es
igual al T1, se calcula dicho valor del parámetro V y se establece
los parámetros de control con dicho valor del parámetro V y con
\gamma=\gammae' y R=Re', y
si Tb<T1, se establece los parámetros de
control (pm) de manera que V=V2, R=Re' y y tenga un valor calculado
a partir de V=V2 y T=T1.
3. Método según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque al menos algunos de los valores V1, V2,
R1, R2, \gamma1 y \gamma2 se calculan en tiempo real a partir de
datos relativos a condiciones actuales de vuelo y a partir de un
modelo del vehículo.
4. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cuando la
velocidad aerodinámica Va real < V3 se establecen (520) los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la condición
T =
T2.
5. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cuando la
velocidad aerodinámica Va real > V4 se establecen (530) los
valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la condición
T =
T1.
6. Sistema de control de un vehículo aéreo que
tiene un sistema propulsor y una pluralidad de superficies de
control configuradas para permitir el control de cabeceo y de
balance del vehículo, estando la operación del sistema propulsor y
las posiciones de las superficies de control controlables mediante
respectivos actuadores controlados por respectivos señales (s) de
control de salida del sistema de control, comprendiendo dicho
sistema de control:
medios (1, 2; 1) para generar, a partir de datos
indicativos de una trayectoria que debe seguir el vehículo,
valores para parámetros de control de entrada (pe) que incluyen un
parámetro de entrada Ve indicativo de velocidad, un parámetro de
entrada Re indicativo de características de giro del vehículo en un
plano horizontal, y un parámetro de entrada \gammae indicativo de
un ángulo de senda de una senda que debe seguir el vehículo en un
plano vertical;
medios (5; 5A) para generar, a partir de los
valores de un parámetro V indicativo de velocidad, un parámetro R
indicativo de características de giro del vehículo en un plano
horizontal, y un parámetro de entrada \gamma indicativo de un
ángulo de senda, dichas señales (s) para actuadores (6), incluyendo
señales para actuadores sobre las superficies de control del
vehículo y señales para actuadores asociados al sistema de
propulsión;
caracterizado porque además comprende
un módulo de control de parámetros (7, 7A)
configurado para calcular los valores de parámetros de control (pm)
que comprenden V, R y \gamma a partir de los valores de Ve, Re y
\gammae, estando dicho módulo de control de parámetros (7; 7A)
configurado para:
- (501a) establecer un límite inferior V1 y un
límite superior V2 para el valor del parámetro V y establecer un
valor adaptado Ve', de manera que Ve' sea el valor del intervalo
V1-V2 más próximo a Ve;
- (501b) establecer un límite inferior \gamma1
y un límite superior \gamma2 para el valor del parámetro
\gamma, y establecer un valor adaptado \gammae', de manera que
\gammae' sea el valor del intervalo
\gamma1-\gamma2 más próximo a \gammae; y
- (501c) establecer un límite inferior R1 y un
límite superior R2 para el valor del parámetro R, y establecer un
valor adaptado Re', de manera que Re' sea el valor del intervalo
R1- R2 más próximo a Re;
- calcular (502) un empuje T necesario para, en
las actuales condiciones, mantener un vuelo determinado por los
valores de parámetro de entrada adaptados Ve', \gammae' y Re';
- calcular (503), a partir de un modelo del
vehículo, un empuje mínimo disponible T1 y un empuje máximo
disponible T2 para las condiciones de vuelo determinadas por Ve',
\gammae' y Re';
- comprobar (504) que una velocidad aerodinámica
Va del vehículo no se encuentra por debajo de un valor mínimo V3 y
tampoco por encima de un valor máximo V4; y
si V3 \leq Va \leq V4, comprobar (505) si T1
\leq T \leq T2 y,
- (I)
- si T1 \leq T \leq T2, establecer (506) que los valores de dichos parámetros de control (pm) sean V=Ve', R=Re' y \gamma=\gammae';
- (II)
- si T>T2,
- -
- calcular (508) si existe un empuje Ta para el que, con V1\leqV\leqV2, se podría mantener R=Re' y \gamma=\gammae', y
\newpage
- - -
- si T1\leqTa\leqT2, calcular el valor de V que corresponda a T=T2 si R=Re' y \gamma=\gammae', y establecer que los parámetros de control (pm) comprendan dicho valor del parámetro V, R=Re' y \gamma=\gammae';
- - -
- si Ta>T2, establecer (508b) los parámetros de control (pm) de manera que
- - - -
- V=V1 y
- - - -
- intentar establecer \gamma de manera que se pueda mantener R=Re' y
- - - -
- si esto es imposible, establecer que \gamma=\gamma1 o \gamma=\gamma2, optando por el valor que permita que R se desvíe lo menos posible de Re', estableciendo un valor de R correspondiente, procurando que se desvíe lo menos posible de Re'; y
- (III)
- si T<T1,
- modificar (510) las condiciones de vuelo de manera que el empuje necesario T sea igual al empuje mínimo T1.
7. Sistema según la reivindicación 6,
caracterizado porque dicho módulo de control de parámetros
(7; 7A) está configurado para, en el caso (III), calcular un empuje
necesario Tb para, manteniendo \gamma=\gammae' y R=Re', volar a
la velocidad máxima V=V2, y
- si Tb\geqT1, entender que existe un valor
del parámetro de velocidad V para el cual el empuje T necesario es
igual al T1, y calcular dicho valor del parámetro V y establecer
los parámetros de control con dicho valor del parámetro V y con
\gamma=\gammae' y R=Re', y
si Tb<T1, establecer los parámetros de
control (pm) de manera que V=V2, R=Re' y \gamma tenga un valor
calculado a partir de V=V2 y T=T1.
8. Sistema según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque el módulo de control de parámetros (7;
7A) está configurado para calcular al menos algunos de los valores
V1, V2, R1, R2, \gamma1 y \gamma2 en tiempo real, a partir de
datos relativos a condiciones actuales de vuelo y a partir de un
modelo del vehículo.
9. Un sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 6-8, caracterizado porque el
módulo de control de parámetros (7, 7A) está configurado de manera
que cuando la velocidad aerodinámica Va real < V3 se establecen
(520) los valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición
T =
T2.
10. Un sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 6-9, caracterizado porque el
módulo de control de parámetros (7, 7A) está configurado de manera
que cuando la velocidad aerodinámica Va real > V4 se establecen
(530) los valores de V, R y \gamma de manera que se cumpla la
condición
T =
T1.
11. Un vehículo aéreo que comprende:
un sistema propulsor controlado por
actuadores;
una pluralidad de superficies de control
controladas por actuadores;
un sistema de control según cualquiera de las
reivindicaciones 6-10, configurado para proporcionar
señales de control (s) a dichos actuadores (6) en función de los
valores de los parámetros V, R y \gamma.
12. Un programa de ordenador,
caracterizado porque comprende un código de programa
configurado para llevar a cabo el método de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones 1-5, cuando el programa se
ejecuta en un ordenador.
13. El programa según la reivindicación 12,
almacenado en un soporte.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200500140A ES2304815B1 (es) | 2005-01-26 | 2005-01-26 | Metodo para el control de parametros de control en un vehiculo aereo, y sistema de control de un vehiculo aereo. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200500140A ES2304815B1 (es) | 2005-01-26 | 2005-01-26 | Metodo para el control de parametros de control en un vehiculo aereo, y sistema de control de un vehiculo aereo. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2304815A1 ES2304815A1 (es) | 2008-10-16 |
| ES2304815B1 true ES2304815B1 (es) | 2009-10-21 |
Family
ID=39796970
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200500140A Expired - Fee Related ES2304815B1 (es) | 2005-01-26 | 2005-01-26 | Metodo para el control de parametros de control en un vehiculo aereo, y sistema de control de un vehiculo aereo. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2304815B1 (es) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4577275A (en) * | 1983-05-31 | 1986-03-18 | United Technologies Corporation | Flight director go-around mode |
| US4764872A (en) * | 1986-07-16 | 1988-08-16 | Honeywell Inc. | Vertical flight path and airspeed control system for aircraft |
| FR2747204B1 (fr) * | 1996-04-05 | 1998-06-12 | Aerospatiale | Dispositif pour maintenir la vitesse d'un aeronef a l'interieur d'un domaine de vitesses determine |
-
2005
- 2005-01-26 ES ES200500140A patent/ES2304815B1/es not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2304815A1 (es) | 2008-10-16 |
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Effective date: 20211122 |