Publicación: Sistema de Control Para la Estabilidad y Orientación de un Helicóptero Quadrotor
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Resumen en español
En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un sistema de control para la estabilidad y orientación de un helicóptero tipo quadrotor. El cual tiene como unidad de procesamiento central un Arduino Mega 2560 en compañía de una unidad inercial Arduimu V3. Previo al desarrollo del sistema de control, se describió el comportamiento de la cinemática y dinámica rotacional del quadrotor mediante el desarrollo de modelos teóricos y empíricos. Adicionalmente, se emplearon herramientas CAE para su simulación. El modelo teórico describe la cinemática y dinámica del sistema, esta última mediante la aplicación del formalismo de Newton-Euler. Las fuerzas de empuje y los momentos de arrastre generados por los rotores fueron modelados mediante la implementación de la teoría de elemento de pala. La modelación empírica se realizó en lazo cerrado, excitando el sistema con una señal pseudoaletoria binaria. Posteriormente se identificó un modelo paramétrico del tipo OE para cada ángulo de orientación (pitch, roll, yaw) mediante el método de la predicción del error, el cual se expresó en un espacio de estados. Por último se realizó una co-simulación del quadrotor mediante el uso del software Siemens NX y Simulink de Matlab. Los controladores abordados en este trabajo son, control en cascada, control PID por ganancia programada y PID autosintonizado por lógica difusa. Estos controladores fueron sintonizados mediante un enfoque siso (una entrada, una salida) para lo que se requirió el diseño de una serie de pruebas con la finalidad de restringir el movimiento de la aeronave a un solo grado de libertad. Para cada controlador se realizó una prueba de estabilidad, comportamiento en estado transitorio y comportamiento ante perturbaciones. Para seleccionar los controladores que posteriormente se integrarían para realizar un vuelo estacionario.
Resumen en inglés
Abstract: This document shows the design and implementation of a control system for stability and orientation of a quadrotor. The quadrotor has an Arduino Mega 2560 as central processing unit, in company of an inertial measurement unit Arduimo V3. Prior to the development of the controllers, the behavior of the kinematics and rotational dynamics of quadrotor are described by developing theoretical and empirical models. Additionally, CAE tools are used for simulation of the quadrotor behavior. The theoretical model describes the kinematics and dynamics of the system, the latter by applying the Newton-Euler formalism. The thrust forces and moments generated by the rotors were modeled by implementing the blade element theory. The empirical modeling was performed in closed loop, exciting the system with a pseudo-random binary sequence. Subsequently, a parametric model OE type was identified by prediction error method, which afterwards is expressed in a state space. Finally a co-simulation was made using Siemens NX software and Matlab Simulink, which was compared with the differents models presented in this document. The controllers discussed in this paper are, cascade control, PID gain scheduling and fuzzy self-tuning PID. These controllers were tuned keeping in mind a SISO system (one input, one output) that required to design a series of tests in order to restrict the movement of the aircraft to a single degree of freedom. For each controller were performed a stability, a , transient response and a behavior test in the presence of disturbances, to determinate which controllers would be implemented in a hover test.