Navegación autónoma (I): control de vuelo
Rubén Rodríguez Abril
El control de vuelo es el conjunto de algoritmos que ejecutan instrucciones de movimiento (emitidas desde un operador o generadas internamente) y mantiene la estabilidad cibernético mediante un bucle cibernético de realimentación. Una ley de control (PID u otra) calcula correcciones a partir del error sensorial. Este bucle se implementa en el controlador de vuelo, que recibe datos de sensores y envía señales de actuación a los servomecanismos, motores y superficies de control.
Navegación autónoma
Los tres artículos que componen esta nueva serie estarán dedicados a la navegación autónoma: la capacidad de un vehículo para determinar y ejecutar por sí mismo el recorrido hacia un objetivo, adaptándolo continuamente a las condiciones del entorno. El viento, los obstáculos, las condiciones de iluminación o las interferencias electromagnéticas pueden alterar ese entorno operativo, obligando al sistema a revisar sus representaciones y modificar su comportamiento sin perder de vista el destino establecido.
La navegación autónoma puede organizarse en tres problemas fundamentales, correspondientes a otros tantos niveles de la arquitectura jerárquica del sistema:
Control de vuelo: ¿cómo ejecuto un movimiento? Constituye el nivel inferior y pertenece al dominio clásico de la cibernética. Su función consiste en mantener la estabilidad del vehículo y ejecutar las instrucciones de movimiento mediante bucles de realimentación, habitualmente gobernados por reguladores PID y otros algoritmos de control.
Predicción y decisión: ¿qué movimiento debo ejecutar ahora? Constituye una incorporación mucho más reciente, estrechamente vinculada al desarrollo de la inteligencia artificial. El sistema construye representaciones del entorno, anticipa su evolución mediante modelos predictivos y modifica su comportamiento antes de que un peligro llegue a materializarse.
Planificación de ruta: ¿por dónde debo ir para alcanzar mi objetivo? Opera sobre una escala espacial y temporal mayor. Su función consiste en determinar la ruta global que permitirá al vehículo desplazarse desde su posición actual hasta el objetivo.
Estos tres niveles forman una jerarquía. La planificación establece una ruta; la predicción y decisión la adapta a las circunstancias inmediatas del entorno; y el control de vuelo convierte las instrucciones resultantes en movimiento físico. En este primer artículo descenderemos hasta el nivel más elemental de esta arquitectura: el mecanismo cibernético que permite a una máquina controlar su propio movimiento.
Las dos grandes funciones del control de vuelo
El control de movimiento de un vehículo no tripulado viene integrado por dos grandes funciones que conviene distinguir desde el principio. La primera consiste en ejecutar una consigna de movimiento (p.e. cambio de rumbo, incremento de velocidad, ascenso dealtura), ya proceda de un operador humano (p.e. a través de un enlace de radiocontrol )o haya sido generada autónomamente por la propia máquina. La segunda consiste en mantener la estabilidad dinámica del vehículo durante la ejecución de esta consigna, compensando de forma continua las desviaciones producidas por el entorno o por la propia dinámica del vehículo. Esta última función pertenece al dominio clásico de la cibernética y descansa sobre el principio de realimentación. Las dos secciones siguientes abordarán separadamente ambos mecanismos.
La consigna de movimiento
La consigna es la instrucción de movimiento que debe ejecutar un vehículo no tripulado. Puede proceder de dos fuentes diferentes:
-La primera es el exterior. Un operador humano genera la instrucción que es transmitida hasta un receptor situado a bordo del vehículo, normalmente mediante un enlace de radio, aunque también pueden utilizarse enlaces cableados o de fibra óptica.
-La segunda posibilidad es que la instrucción proceda del propio vehículo. En este caso, es el propio sistema autónomo el que genera la consigna a partir de los objetivos establecidos y sus observaciones del entorno. Un automóvil sin conductor puede así cambiar de dirección o frenar para esquivar a un peatón y un dron autónomo puede, al detectar un peligro, puede decidir realizar una maniobra evasiva.
La consigna, sin embargo, no es ejecutada directamente por los motores. Antes debe atravesar varios niveles de traducción, que van desde la descripción abstracta del movimiento deseado hasta las señales concretas que gobiernan los elementos físicos del vehículo. Conviene, por ello, distinguir tres tipos de señales que con frecuencia aparecen englobadas bajo el término genérico de «orden»:
Consigna o referencia (Xref): es el estado o movimiento que se desea conseguir. Constituye la entrada al sistema de control y el objetivo que debe alcanzarse. Por ejemplo, orientar un avión hacia el norte.
Orden de control: es la salida calculada por el controlador para conseguir esa referencia. Resulta de aplicar la ley de control al error existente entre la consigna y el estado real. Por ejemplo, el piloto automático da instrucciones a los diferentes actuadores del avión para corregir el rumbo, cuando éste es alterado por cualquier perturbación.
Señal de actuación: es la señal concreta enviada al elemento físico correspondiente —un motor, un servomecanismo, etc.— para ejecutar la orden. Por ejemplo, aplicación de potencia al motor de un cuadricóptero.
El bucle cibernético de estabilización
Para ejecutar una consigna, el sistema debe garantizar que el vehículo se encuentra continuamente en el estado dinámico deseado, y que en caso contrario se corregirán las desviaciones que puedan producirse, mediante las oportunas órdenes de control.
Una ráfaga de viento permite comprender fácilmente el problema. Supongamos que el piloto automático de un avión ha recibido la consigna de mantener un determinado rumbo. Mientras las condiciones permanezcan estables, el aparato continuará aproximadamente en la dirección establecida. Pero si una ráfaga lo desvía, los sensores detectarán el cambio y el sistema deberá actuar sobre sus órganos de gobierno hasta recuperar el rumbo original. El proceso no termina ahí: el nuevo estado vuelve a medirse, se compara nuevamente con el deseado y, si todavía existe alguna desviación, se aplica una nueva corrección.
Este procedimiento, que incopora las fases de medición, cálculo y acción, constituye un verdadero bucle cibernético de realimentación: el resultado de cada acción regresa al sistema en forma de información sensorial y condiciona la acción siguiente.
Leyes de control
En el marco de un bucle cibernético, se denomina controlador al dispositivo que calcula la acción necesaria para reducir la diferencia entre el estado deseado y el estado estimado por los sensores. Para ello utiliza una ley de control, esto es, una función que transforma el error e(t) en una acción de control u(t).
La más extendida es la función PID (Proporcional-Integral-Derivativo):
Los coeficientes KP, KI y KD son las ganancias del controlador y determinan el peso de cada término. El término proporcional KP responde al error presente: cuanto mayor sea la desviación, mayor será la corrección. El integral KI acumula los errores pasados y permite eliminar desviaciones persistentes. El derivativo KD responde a la velocidad con que cambia el error y amortigua la respuesta cuando ésta se aproxima a la referencia. Un ajuste incorrecto de estas ganancias puede producir lentitud, oscilaciones o incluso inestabilidad.
Figura 1. La actitud de un vehículo viene constituida por sus ángulos de Euler. El conjunto de seis coordenadas formado por actitud y posición recibe el nombre de pose. La misión de los bucles de control es la de estaabilizar esta última. Fuente: Wikimedia Commons.
En un vehículo aéreo, las leyes de control regulan variables como la posición y los ángulos de actitud (alabeo, cabeceo y guiñada). Sin embargo, el control de vuelo no suele reducirse a un único PID. Los controladores modernos organizan varios bucles en cascada, de modo que la salida de uno se convierte en la referencia del siguiente. Así, un bucle de posición (p.e. mantener una altura determinada) puede generar una referencia de velocidad (necesidad de ascender); y éste a su vez, una referencia de actitud (elevación de morro); formando así una estructura anidada.
Los distintos bucles operan a velocidades diferentes. Los interiores controlan magnitudes que cambian rápidamente, como las velocidades angulares, y deben actualizarse con mayor frecuencia. Los exteriores trabajan con variables más lentas, como la posición. El control de vuelo se apoya así una jerarquía de bucles cibernéticos, cada uno encargado de regular una escala distinta del movimiento.
PID no es el único algoritmo ampliamente usado. Existen leyes más sofisticadas, como LQR (Linear Quadratic Regulator), MPC (Model Predictive Control) o diferentes formas de control adaptativo y no lineal. En estos casos, aunque cambia el procedimiento matemático empleado para calcular la corrección, no lo hace así la estructura fundamental del problema: comparar el estado deseado con el observado y determinar qué acción permite reducir la diferencia.
La ley de control constituye, en definitiva, la operación matemática situada en el corazón del bucle de realimentación. Convierte el error observado en la corrección necesaria para mantener el comportamiento del vehículo dentro de la referencia establecida.
Anatomía de un sistema de control de vuelo
Hasta ahora hemos descrito el control de vuelo atendiendo principalmente a su funcionamiento lógico. Sin embargo, las operaciones que acabamos de examinar deben ejecutarse sobre una arquitectura física capaz de percibir el estado del vehículo, procesar esa información y producir finalmente fuerzas sobre el medio Los principales elementos físicos de un sistema de control de vuelo son los siguientes:
Sensores
Los sensores constituyen la entrada del sistema. Una IMU (unidad de medición inercial) proporciona información sobre aceleraciones y velocidades angulares, mientras que sistemas como GNSS, magnetómetros o barómetros permiten determinar otras variables necesarias para estimar el estado del vehículo. Como su funcionamiento ha sido tratado en artículos anteriores, nos limitaremos aquí a considerarlos como los órganos sensoriales que proporcionan al controlador información sobre el movimiento real de la máquina.
Controlador de vuelo
El controlador de vuelo (Flight Controller) constituye el núcleo computacional del sistema. Recibe las consignas de movimiento y la información procedente de los sensores y ejecuta los algoritmos necesarios para calcular las correspondientes órdenes de control y señales de actuación. En un dron moderno, estas funciones pueden encontrarse concentradas en una pequeña placa electrónica, como las familias Pixhawk o Mamba y gobernado por software como PX4 o ArduPilot.
Actuadores
Los actuadores son los elementos que transforman las señales de control en acciones mecánicas sobre el vehículo.
Estas acciones pueden consistir en propulsar el vehículo o en guiarlo. La distinción resulta clara en un avión: el motor proporciona el empuje, mientras que otros mecanismos desplazan las superficies de control. En un cuadricóptero, en cambio, ambas funciones recaen sobre los motores: su giro genera el empuje necesario para volar, mientras que las diferencias de velocidad entre los rotores producen los momentos necesarios para inclinar u orientar el aparato.
En los multirrotores, los principales actuadores son los motores eléctricos sin escobillas o BLDC. Cada motor acciona una hélice y su velocidad determina el empuje generado. Entre el controlador de vuelo y el motor se encuentra el ESC, encargado de transformar la corriente directa proporcionada por la batería en la corriente alterna con la que se alimenta al motor. Regula la velocidad de este último, de acuerdo con las instrucciones dadas por el controlador.
En los aviones de ala fija, la propulsión corresponde al motor o turbina, mientras que las superficies de control —alerones, elevador y timón— son desplazadas mediante actuadores eléctricos o hidráulicos.
En una embarcación, los actuadores gobiernan principalmente la propulsión y el timón. Finalmente, en un automóvil, actúan sobre la propulsión, la dirección y los frenos, mediante sistemas eléctricos, electromecánicos o hidráulicos.
Servomecanismos
Los servomecanismos o servos son actuadores gobernados por un bucle cibernético propio, dotado de sensor y controlador local. No se limitan a ejecutar una acción, sino que comprueban su resultado y la corrigen mediante realimentación.
Los ejemplos son numerosos. En un avión, los servos pueden gobernar superficies de control como alrones, elevador y timón; en una embarcación, pueden gobernar el timón; y en un automóvil, mecanismos equivalentes aparecen en sistemas de dirección asistida (EPS) o dirección por cable (steer-by-wire).
Figura 2. Dirección steer-by-wire del Tesla Cybertruck. La posición del volante se convierte en una consigna electrónica; servomecanismos eléctricos gobiernan el ángulo de las ruedas y corrigen mediante realimentación las desviaciones respecto a la posición ordenada. Fuente: Wikimedia Commons.
En todos estos casos, el controlador superior establece una consigna (p.e. el ángulo de un alerón o la orientación de las ruedas del coche) y el servomecanismo se ocupa localmente de mantenerla. El servo mide continuamente su posición y corrige por sí mismo las desviaciones que puedan producirse.
En cierto sentido, los servomecanismos constituyen los actos reflejos del organismo cibernético: reciben una instrucción limitada y resuelven autónomamente su ejecución.
Lecturas Recomendadas
– Servomecanismos (artículo de Wikipedia).
