Desarrollo y control de un helicóptero de laboratorio de 2 GDL y de bajo costo

Abstract

[EN] The mechanical and electronic design, kinematic and dynamic modeling, programming, and control of a low-cost 2-DOF helicopter are presented. Although there are commercial platforms for a 2-DOF helicopter, their cost is high, and therefore they are not easily accessible. This situation may be avoided by using a low-cost platform based on open-source software and a low-cost data acquisition system. To this end, this article presents a 2-DOF helicopter whose pitch and yaw movements are actuated by DC motors, and they are measured by encoders. For the interpretation, processing, and monitoring of the movements, a computer with Matlab Simulink is used. Data acquisition of the encoders and the generation of the control signals of the helicopter are carried out by an Arduino Mega board, which communicates with Simulink through the open-source Arduino IO Toolbox. A procedure to estimate the parameters of the dynamic model of the helicopter is also proposed, and they are used for designing PI-D controllers that stabilize the helicopter in the desired position. The conditions on the gains of the controllers that guarantee the stability of the system in closed loop are presented. In addition, the performance of the proposed platform is verified through real-time experiments, which are shown in a video.

[ES] Se presenta el diseño mecánico y electrónico, modelado cinemático y dinámico, programación y control de un helicóptero de 2 GDL y de bajo costo. Si bien existen plataformas comerciales de helicópteros de 2 GDL, su costo es elevado y por ende son poco accesibles. Esta situación puede evitarse mediante el uso de una plataforma basada en software de código abierto y en un sistema de adquisición de datos de bajo costo. Para este fin, en este artículo se presenta un helicóptero de 2 GDL cuyos movimientos de cabeceo y guiñada son accionados por motores de corriente directa, y son medidos por encoders ópticos. Para la interpretación, procesamiento y monitoreo de los movimientos del helicóptero se emplea una computadora con Matlab Simulink. Para la adquisición de datos de los encoders y la generación de las señales de control del helicóptero se utiliza una tarjeta Arduino Mega, la cual se comunica con Matlab-Simulink por medio del Toolbox Arduino IO de código abierto. También, se propone un procedimiento para estimar los parámetros del modelo dinámico del helicóptero, y se utilizan para diseñar controladores PI-D que estabilizan el helicóptero en la posición deseada. Se presentan las condiciones en las ganancias de los controladores que garantizan la estabilidad del sistema en lazo cerrado. Además, se verifica el desempeño de la plataforma propuesta mediante resultados experimentales, los cuales se visualizan en un vídeo.